Materi Fisika SMA – Konsep Fisika Inti

AhmadDahlan.Net – Pernahkah kalian mendengar pembangkit listrik tenaga nuklir? Pembangkit listrik tenaga nuklir dalam pengoprasiannya menggunakan unsur radioaktif. Unsur tersebut kemudian meluruh untuk menghasilkan energi. Salah satu contoh unsur radioaktif yang digunakan pada pembangkit listrik tenaga nuklir adalah uranium. Perhatikan penjelasan berikut untuk lebih memahami tentangg radioaktivitas.

A. Inti Atom

1. Pengertian Inti Atom

Konsep inti atom disampaikan oleh Rutherford yang menyatakan bahwa massa seluruh atom terkumpul pada suatu titik yang bermuatan positif dan dinamakan dengan inti atom. Atom memiliki 3 partikel penting, yaitu elektron, proton, dan neutron. Secara umum sebuah atom dinotasikan sebagai berikut :

dengan,
A : nomor massa
Z : nomor atom
(A-Z) : jumlah neutron

2. Persamaan Inti Atom

a. Defek massa

Defek massa merupakan perbedaan jumlah massa inti dengan jumlah keseluruhan massa nukleon. Defek massa secara dmatematik di tuliskan sebagai berikut :

\Delta m=(Z.m_p+(A-Z)m_n)-m_{inti}

keterangan,
Δm : defek massa
Z : jumlah proton
m_p : massa proton
(A – Z) : jumlah neutron
m_n : massa neutron
m_inti : massa inti

b. Energi ikat inti

Energi ikat inti dapat di hitung menggunakan persamaan :

\Delta E=\Delta m\ .\ 931,5\ MeV

Adapun persamaan untuk menghitung energi ikat per-nukleon adalah :

E_n=\frac{ E}{A}

keterangan,
E_n : energi ikat per nukleon
ΔE : energi ikat inti
Δm : defek massa
A : nomor massa

B. Radioaktivitas

1. Pengertian Radioaktivitas

Radioaktivitas merupakan peristiwa terurainya beberapa inti atom secara spontan yang bersamaan dengan pemancaran sinar alfa, beta, ataupun gamma. Sinar yang terpancar dari peristiwa radioaktivitas dinamakan sebagai sinar radioaktif, dan unsur yang memancarkan sinar radioaktif dinamakan dengan zat radioaktif. Berikut beberapa karakteristik dari sinar radioaktif.

2. Peluruhan Radioaktif

a. Peluruhan sinar alfa

Suatu unsur radioaktif yang memancarkan sinar alfa akan menyebabkan nomor atomnya berkurang dua dan nomor massanya berkurang empat. Sehingga akan menghasilkan inti atom lain (inti anak) ditambah dengan inti Helium. Persamaan peluruhan nya adalah sebagai berikut :

Berikut contoh peluruhan sinar alfa

Adapun sifat alamiah dari sinar alfa adalah :

1. Sinar alfa merupakan inti He.
2. Memiliki daya ionisasi paling kuat diantara sinar radioaktif yang lain
3. Memiliki daya tembus paling lemah diantara sinar radioaktif yang lain
4. Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet
5. Memiliki jangkauan beberapa sentimeter di udara dan 100 mm di dalam logam

b. Peluruhan sinar beta

Salah satu bentuk peluruhan sinar beta adalah peluruhan neutron menjadi proton, elektron, maupun antineutrino. Proton merupakan muatan positif, elektron merupakan muatan negatif, dan antineutrino merupakan muatan netral. Persamaan peluruhan beta adalah sebagai berikut :

Berikut contoh peluruhan sinar beta.

Adapun sifat alamiah dari sinar beta adalah :

1. Mempunyai daya ionisasi yang lebih kecil dari sinar alfa
2. Mempunyai daya tembus yang lebih besar dari sinar alfa
3. Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet

c. Peluruhan sinar gamma

Inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasi akan kembali ke keadaan dasar dengan memancarkan sinar gamma. Adapun persamaan untuk peluruhan sinar gamma adalah sebagai berikut :

Tanda * pada persamaan di atas menandakan inti atom yang berada dalam keadaan eksitasi. Berikut contoh peluruhan sinar gamma.

Sinar gamma merupakan salah satu dari gelombang elektromagnetik yang ikut terpancar ketika sebuah inti memancarkan sinar alfa dan beta. Adapun sifat alamiah dari sinar gamma adalah :

1. Memiliki daya ionisasi paling lemah dibandingkan sinar radioaktif lainnya
2. Memiliki daya tembus paling besar dibandingkan sinar radioaktif lainnya
3. Tidak dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet

2. Persamaan Radioaktivitas

a. Aktivitas Radioaktif

Aktivitas radiasi adalah ukuran berapa banyak suatu unsur dapat meluruh dan secara matematis di tuliskan sebagai berikut :

A=\lambda . N

aktivitas radioaktif akan semakin melemah seiring dengan proses mencapai kestabilan. Aktivitas radioaktif di gambarkan menggunakan grafik berikut :

Sehingga, dari grafik di atas, penurunan aktivitas radioaktif dinyatakan dengan persamaan :

A=A_0.e^{-\lambda t}

Apabila diketahui besar waktu paruh inti yang meluruh, maka aktivitas radiaoktif dapat dihitung menggunakan persamaan :

A=A_0.(\frac{1}{2})^{\frac{t}{T}}

Keterangan,
A ; aktivitas inti setelah waktu t (kejadian/s atau Bq)
A₀ : aktivitas inti mula – mula
λ : konstanta peluruhan
N : jumlah partikel
t : waktu (s)
T : waktu paruh inti

b. Jumlah inti radioaktif

Inti yang mengalami peluruhan, lama kelamaan akan berkurang seiring dengan waktu. Sehingga, jumlah inti yang mengalami peluruhan dihitung dengan persamaan :

N=N_0.e^{-\lambda t}

Apabila diketahui besar waktu paruh inti yang meluruh, maka jumlah inti radiaoktif dapat dihitung menggunakan persamaan :

N=N_0.(\frac{1}{2})^{\frac{t}{T}}

Keterangan,
N ; jumlah inti atom yang tinggal
N₀ : jumlah inti atom mula – mula
λ : konstanta peluruhan
t : waktu (s)
T : waktu paruh inti

c. Waktu paruh

Waktu paruh adalah waktu yang diperlukan oleh unsur radioaktif untuk berkurang hingga menjadi setengah dari jumlah semulanya. Secara matematis waktu paruh di tuliskan sebagai berikut :

T=\frac{0,693}{\lambda}

Keterangan,
T : waktu paruh unsur
λ : konstanta peluruhan

C. Contoh Soal

Grafik di bawah ini merupakan grafik peluruhan sampel radioaktif.

Jika N = 1/4 N₀ dan N₀ = 4 x 10²⁰ inti, tentukan :
a. Waktu paruh unsur radioaktif
b. konstanta peluruhannya
c. aktivitas radioaktif mula – mula

Pembahasan

Dik :
N = 1/4 N₀
t = 6 s
N₀ = 4 x 10²⁰

Dit :
T = ? ; λ = ? ; A₀ = ?

Pembahasan :
1. Mencari waktu paruh

N=N_0.(\frac{1}{2})^{\frac{t}{T}}

\frac{1}{4}N_0=N_0.(\frac{1}{2})^{\frac{6\ s}{T}}

\frac{1}{4}=(\frac{1}{2})^{\frac{6\ s}{T}}

(\frac{1}{2})^2=(\frac{1}{2})^{\frac{6\ s}{T}}

2=\frac{6\ s}{T}

T=\frac{6\ s}{2}=3\ s

2. Mencari konstanta peluruhan

T=\frac{0,693}{\lambda}

0,3\ s=\frac{0,693}{\lambda}

\lambda=\frac{0,693}{0,3\ s}

\lambda=0,231\ peluruhan/s

3. Mencari aktivitas mula – mula

A=\lambda . N

A_0=\lambda . N_0

A_0=(0,231)(4.10^{20})

A_0=0,924\ .\ 10^{20}

A_0=9,24\ .\ 10^{19}\ Bq