Sifat-Sifat Inti

Sifat-sifat inti terbagi menjadi 2 antara lain :

A.  Sifat-sifat inti yang tidak bergantung pada waktu :

·   Muatan inti (electric charge)

·   Massa inti (mass)

·   Jari-jari (radius)

·   Momentum sudut (angular momentum)

·   Momen magnetik (electromagnet  momentum)

·   Momen listrik

B.  Sifat-sifat yang bergantung pada waktu:

·   Peluruhan radioaktif

·   Reaksi inti

A. Sifat-sifat inti yang tidak bergantung pada waktu :

     1.     Muatan Inti

Salah satu hipotesis dalton (1803) ialah bahwa atom-atom suatu unsur adalah identik. Prout (1819) menyarankan bahwa semua unsur terbuat dari hidrogen, sehingga massanya dapat dituliskan sebagai:

M ~ CM_H

M_H = massa hidrogen

C = bilangan bulat

Dari penyelidikan yang teliti, ternyata C bukanlah bilangan bulat, sehingga hipotesis Prout dianggap tidak benar. Crookes (1886) menyarankan kembali ide Prout. Alasan bahwa C bukan bilangan bulat adalah karena suatu unsur mungkin terdiri dari beberapa campuran (isotop).

Contoh:

Cl mempunyai berat atom 35,46 karena terdiri dari 3 isotop, masing-masing 34,35, dan 36.

Karena kemudian inti diketahui terdiri dari proton dan neutron, maka dapat dituliskan:

M = Z(M_H) + N(M_N)

𝑀=𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑖

𝑍=𝑛𝑜𝑚𝑜𝑟 𝑎𝑡𝑜𝑚

𝑀_𝐻=massa hidrogen

𝑁=𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛

𝑀_𝑁=𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛

     

Massa atomik mengacu pada massa atom netral. Bukan pada inti, jadi massa elektron orbital dan masaa ekivalen energi ikatnya termasuk dalam besaran massa atom. Hubungan massa inti atom dan massa atom adalah

M(atom) = M (inti atom) + M (elektron) + energi ikat elektron total

     2.     Jari-Jari

Jari-jari inti belum bisa ditentukan/diukur secara langsung Ada dua metode, yaitu cara Nuklir dan Cara Elektromagnetik. Jika diasumsikan inti bulat (bola), maka jejarinya ditentukan degan persamaan: 

R= r_o. A^1/3

Ø  Ada dua cara untuk menentukan r₀:

  a. Cara nuklir

Dengan cara ini diukur jari-jari gaya inti (nuclear force radius) yang didefinisikan sebagai jarak dari pusat inti ke jarak jangkauan gaya inti. Jangkauan gaya inti lebih panjang sedikit dari ukuran inti. Cara-cara yang masuk dalam kategori ini:

·           Hamburan partikel alfa dengan hasil r_o = 1,414 F =1,414 x 10^-13 cm

·           Peluruhan alfa dengan hasil r_o = 1,48 F = 1,48 x 10^-13 cm

·           Hamburan neutron cepat dengan hasil r_o = 1,37 F = 1,37 x 10^-13 cm

  b. Cara elektromagnetik

Jari-jari yang diukur ialah jari-jari muatan inti. Percobaan yang termasuk kategori ini:

· Hamburan elektron dengan hasil 𝑟₀=1,26 𝐹

· Mesonik atom dengan hasil 𝑟₀=1,2 𝐹

· Inti cermin (₁H_3 3He₃) dengan hasil 𝑟₀=(1,28 ±0,05) 𝐹

· Hamburan proton dengan hasil 𝑟₀ = (1,25 ±0,05) 𝐹

· Pergeseran isotropik dengan hasil 𝑟₀=1,20 𝐹

      3.    Muatan Inti

Model atom Rutherford dapat menjelaskan spektra sinar-X unsur-unsur yang diukur oleh Moseley (1913). Dari data Moseley diketahui bahwa muatan inti adalah Z.e, dengan Z = nomor atom, dan e = + 1,602 x 10^-19 C

Contoh:

Menentukan muatan inti atom 

                                                                                Z=2

Jadi muatan inti = Ze

= 2 × 1,6 x10−19 𝐶

= 3,2 ×10−19 𝐶

     4.    Momentum Sudut

Momentum sudut inti dapat diketahui dari struktur halus (hyperfine structure), dapat diamati menggunakan dengan spektrometer dengan resolusi tinggi. Nukleon mempunyai spin ½. Karena nukleon bergerak, maka proton dan neutron juga mempunyai momentum sudut orbital. Momentum sudut total (spin inti) I, merupakan jumlah vektor momentum sudut orbital, L dan momentum sudut spin, S tiap nukleon.   

Momentum sudut suatu unti atom dapat ditunjukkan dari hyperfine-structure splitting garis-garis spektrum suatu atom. Pauli menerangkan hyperfine-structure splitting ini dengan anggapan bahwa inti mempunyai momentum sudut, sehingga terjadi gandengan antara momentum sudut inti dengan momentum sudut total dari elektron. Sebagaimana yang telah kita ketahui, inti terdiri dari A nukleon, yang masing-masing mempunyai momentum sudut orbital dan spin:

Jadi total vektor momentum sudut, apabila dipakai gandengan L S, ialah

Panjang vektor momentum sudut inti:

|I| =√I (I+1)h/2π

I = bilangan kuantum momentum sudut total inti, atau biasa disebut spin inti.

Dari (1):

I = (l+s), (l+s-1),...|l-s|

Maka jumlah harga I yang mungkin:

(2s+1) untuk s < l

(2l+1) untuk l < s

Di dalam inti atom nukleon-nukleon mengalami gerak orbital, baik proton maupun neutron mempunyai momen magnetik.

     5.     Momen magnetik inti

Momen magnetik adalah Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom, ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut. Di dalam inti atom nukleon-nukleon mengalami gerak orbital. Proton maupun neutron mempunyai momen magnetik yaitu M_p dan M_n.

Hubungan antara momen magnetik proton M_p dengan momentum sudut orbital proton L_P memenuhi:

Komponen momen magnetik proton dalam arah sumbu z memenuhi:

Dengan L_p = m_lℏ.

Nilai momen magnetik sudut orbit proton dalam arah sumbu z dapat dinyatakan:

Dengan µ_N dikenal sebagai magneton nuklir.

Hubungan antara momen magnetik spin proton M_sp dengan momentum sudut spin proton S_p memenuhi:

Nilai momen magnetik sudut spin proton dalam arah sumbu z :

Dengan cara yang sama hubungan antara momen magnetik sudut spin dan momen sudut spin untuk neutron memenuhi:

Selanjutnya nilai momen magnetik sudut spin neutron dalam arah sumbu z:

     6.     Momen Listrik Inti

Momen kuadrupol inti pertama kali dideteksi oleh Schuler dan Schmidt (1935) pada saat mereka menjelaskan   hyperfine stuktur  ¹⁵¹Eu dan ¹⁵³Eu. Adanya momen kuadrupol inti menunjukkan distribusi muatan inti tidak simetris bola, melainkan sedikit berdeviasi. Konsep multipol listrik  dapat diterangkan dengan teori potensial elektrostatis.

Pada umumnya multipol listrik dapat dinyatakan dengan 2. Berdasarkan angka 2 tersebut maka untuk :

l = 0 ; 2⁰ = 1 ; monopol

l = 1 ; 2¹ = 2 ; dipol

l = 2 ; 2²  = 4 ; kuadrupol

l = 3 ; 2³ = 8 ; oktupol

l = 4 ; 2⁴ = 16 ; hexadecapol

B. Sifat Inti Bergantung Waktu

 1.      Peluruhan Radioaktif

Peluruhan radiokatif adalah peristiwa hilangnya energi dari inti atom yang tidak stabil dengan memancarkan radiasi dan partikel‐partikel pengion. Peluruhan, atau hilangnya energi, ini akan menghasilkan jenis atom lain yang stabil. Atom baru yang dihasilkan ini dinamakan inti anak (daughter nuclide), sedangkan atom yang meluruh dinamakan inti ibu (parent nuclide). Sebagai contoh, atom karbon‐14 (ibu) akan memancarkan radiasi dan berubah menjadi atom nitrogen‐14 (anak). Peristiwa peluruhan merupakan peristiwa yang acak di tingkat atom, sehingga sangat sulit untuk memrakirakan kapan suatu atom tertentu akan meluruh. Yang bias kita lakukan adalah meperkirakan rerata peluruhan dari banyak atom yang sama.

Satuan SI untuk peluruhan radiokatif adalah becquerel (Bq). Satu Bq didefinisikan sebagai satu perubahan (atau peluruhan) per detik. Karena suatu sampel bahan radioaktif berisi banyak atom, satu Bq adalah ukuran aktivitas yang sangat kecil; sehingga jumlah dalam orde TBq (terabecquerel) atau GBq (gigabecquerel) banyak dipergunakan. Satuan radioaktivitas yang lain adalah curie (Ci), yang pada awalnya didefinisikan sebagai aktivitas satu gram radium murni, isotop Ra‐226. Sekarang ini satu Ci didefinisikan sebagai aktivitas sebarang radionuklida yang meluruh dengan laju disintegrasi sebesar 3.7 × 1010 Bq. Ditinjau dari jenis dan besar energinya, radiasi radiokatif dibedakan menjadi tiga macam (yang dinamakan sesuai dengan urutan alphabet Yunani), yaitu radiasi alfa, beta, dan gamma. Peluruhan alfa hanya terjadi pada unsur‐unsur berat saja (dengan nomor atom ≥ 52), sedangkan dua jenis peluruhan yang lain bisa terjadi pada semua unsur.

Ø Peluruhan alfa, terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa (inti helium yang terdiri dari dua proton dan dua neutron). Hasil peluruhan ini adalah unsur baru dengan nomor atom yang lebih kecil.

Ø Peluruhan beta, diatur oleh gaya lemah, dan dihasilkan oleh transformasi neutron menjadi proton, ataupun proton menjadi neutron. Transformasi neutron menjadi proton akan diikuti oleh emisi satu elektron dan satu antineutrino, manakala transformasi proton menjadi neutron diikuti oleh emisi satu positron dan satu neutrino. Emisi elektron ataupun emisi positron disebut sebagai partikel beta. Peluruhan beta dapat meningkatkan maupun menurunkan nomor atom inti sebesar satu.

Ø Peluruhan gama, dihasilkan oleh perubahan pada aras energi inti ke keadaan yang lebih rendah, menyebabkan emisi radiasi elektromagnetik. Hal ini dapat terjadi setelah emisi partikel alfa ataupun beta dari peluruhan radioaktif.

Jenis-jenis peluruhan radioaktif lainnya yang lebih jarang meliputi pelepasan neutron dan proton dari inti, emisi lebih dari satu partikel beta, ataupun peluruhan yang mengakibatkan produksi elektron berkecepatan tinggi yang bukan sinar beta, dan produksi foton berenergi tinggi yang bukan sinar gama. Tiap-tiap isotop radioaktif mempunyai karakteristik periode waktu peluruhan (waktu paruh) yang merupakan lamanya waktu yang diperlukan oleh setengah jumlah sampel untuk meluruh habis. Proses peluruhan bersifat eksponensial, sehingga setelah dua waktu paruh, hanya akan tersisa 25% isotop.

2.       Reaksi Inti

Reaksi inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karena pada dasarnya reaksi inti ini terjadi karena tumbukan (penembakan) inti sasaran (target) dengan suatu proyektil (peluru). Secara skematik reaksi inti dapat digambarkan:

Pada reaksi inti ini terjadi perubahan unsur karena ditumbuk zarah nuklir atau zarah radioaktif yang dapat dinyatakan oleh persamaan reaksi:

Atau A (a, b) B

dengan A adalah unsur semula, B adalah unsur yang terjadi, a dan b adalah zarah yang ditumbukkan dan yang terpental, dan Q adalah energi panas yang mungkin timbul dalam reaksi inti tersebut. Apabila b = a, dan B = A, maka pada reaksi tersebut adalah hamburan. Misalnya:

dengan p adalah proton. Dalam hal ini, hamburannya tidak elastis dengan energi kinetik proton yang terdisipasi untuk mengeksitasi inti Mg yang pada deeksitasinya mengeluarkan sinar gamma. Pada reaksi inti berlaku hukum: a. kekekalan momentum linier dan momentum sudut, b. kekekalan energi, c. kekekalan jumlah muatan (nomor atom), d. kekekalan jumlah nukleon (nomor massa). Dengan demikian, momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti-inti sebelum reaksi harus sama dengan momentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti setelah reaksi.

Suatu reaksi inti bisa menghasilkan atau memerlukan energi. Besarnya energi Q bisa dihitung berdasarkan reaksi pada persamaan (11.13). Dalam perhitungan energi reaksi inti, semua massa inti dinyatakan dalam satuan sma (satuan massa atom). Menurut Einstein, energi total yang dimiliki suatu massa m adalah:

dengan c adalah kelajuan cahaya (3 × 108 m/s). Dari persamaan (11.14) untuk 1 sma, energi yang dimiliki adalah 931,5 MeV. Dengan demikian, persamaan energi (berdasarkan hukum kekekalan energi) dapat dituliskan:

Atau

Dari persamaan (11.15), jika diperoleh nilai Q > 0, maka reaksinya disebut reaksi eksoterm, yaitu reaksi di mana terjadi pelepasan energi. Sebaliknya, jika Q < 0, maka reaksinya disebut reaksi endoterm, yaitu reaksi yang memerlukan energi. Persamaan (11.15) menunjukkan bahwa pada prinsipnya, energi reaksi adalah sama dengan perubahan massa inti sebelum reaksi dan sesudah reaksi. Hal inilah yang dinyatakan Einstein sebagai kesetaraan massa-energi.