Hal-hal Yang Harus Kalian Ketahui Tentang Fisika Atom – Energi atom adalah sumber tenaga untuk reaktor nuklir dan senjata nuklir. Energi ini berasal dari pemecahan (fisi) atau penggabungan (peleburan) atom. Untuk memahami sumber energi ini, pertama-tama kita harus memahami atom.
Hal-hal Yang Harus Kalian Ketahui Tentang Fisika Atom
brainmysteries – Atom adalah partikel terkecil dari suatu unsur yang memiliki sifat-sifat yang mencirikan unsur tersebut. Pengetahuan tentang sifat atom berkembang lambat hingga awal 1900-an. Salah satu terobosan pertama dicapai oleh Sir Ernest Rutherford pada tahun 1911.
Ia menetapkan bahwa massa atom terkonsentrasi pada intinya. Dia juga mengusulkan bahwa inti memiliki muatan positif dan dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif, yang telah ditemukan pada tahun 1897 oleh JJ Thomson .
Baca Juga : 10 Teori Liar Tentang Alam Semesta
Melansir penerbitbukudeepublish, Teori struktur atom ini dilengkapi oleh Niels Bohr pada tahun 1913. Atom Bohr menempatkan elektron pada kulit tertentu, atau tingkat kuantum. Memahami atom terus menjadi fokus bagi banyak ilmuwan.
Struktur atom
Atom adalah susunan kompleks elektron bermuatan negatif yang tersusun dalam kulit tertentu di sekitar inti bermuatan positif. Inti ini mengandung sebagian besar massa atom dan terdiri dari proton dan neutron (kecuali hidrogen biasa yang hanya memiliki satu proton). Semua atom kira-kira berukuran sama. Satuan panjang yang sesuai untuk mengukur ukuran atom adalah angstrom (Å), yang didefinisikan sebagai 1 x 10 -10 meter. Diameter atom kira-kira 2-3 .
Pada tahun 1897, JJ Thomson menemukan keberadaan elektron, menandai awal dari fisika atom modern. Elektron bermuatan negatif mengikuti pola acak dalam kulit energi yang ditentukan di sekitar nukleus. Sebagian besar sifat atom didasarkan pada jumlah dan susunan elektronnya. Massa elektron adalah 9,1 x 10 -31 kilogram.
Salah satu dari dua jenis partikel yang ditemukan dalam nukleus adalah proton. Keberadaan partikel bermuatan positif, proton, dalam nukleus dibuktikan oleh Sir Ernest Rutherford pada tahun 1919. Muatan proton sama tetapi berlawanan dengan muatan negatif elektron. Jumlah proton dalam inti atom menentukan jenis unsur kimianya. Sebuah proton memiliki massa 1,67 x 10 -27 kilogram.
Neutron adalah jenis partikel lain yang ditemukan di dalam nukleus. Ditemukan oleh fisikawan Inggris, Sir James Chadwick. Neutron tidak membawa muatan listrik dan memiliki massa yang sama dengan proton. Dengan kekurangan muatan listrik, neutron tidak ditolak oleh awan elektron atau oleh nukleus, menjadikannya alat yang berguna untuk menyelidiki struktur atom.
Bahkan proton dan neutron individu memiliki struktur internal, yang disebut quark. Enam jenis quark ada. Partikel subatomik ini tidak dapat dibebaskan dan dipelajari secara terpisah. Penelitian saat ini berlanjut ke struktur atom.
Isotop atom
Karakteristik utama atom adalah nomor atomnya, yang didefinisikan sebagai jumlah proton. Sifat kimia atom ditentukan oleh nomor atomnya dan dilambangkan dengan simbol Z. Jumlah total nukleon (proton dan neutron) dalam atom adalah nomor massa atom. Nilai ini dilambangkan dengan simbol A. Jumlah neutron dalam suatu atom dilambangkan dengan N. Dengan demikian massa atom adalah A = N + Z.
Atom-atom dengan nomor atom yang sama tetapi dengan massa atom yang berbeda disebut isotop. Isotop memiliki sifat kimia yang identik, namun memiliki sifat inti yang sangat berbeda. Misalnya, ada tiga isotop hidrogen. Dua dari isotop ini stabil, (bukan radioaktif), tetapi tritium (satu proton dan dua neutron) tidak stabil. Sebagian besar unsur memiliki isotop stabil. Isotop radioaktif juga dapat dibuat untuk banyak elemen.
Persamaan Einstein: E = mc 2
Massa nukleus sekitar 1 persen lebih kecil dari massa masing-masing proton dan neutronnya. Perbedaan ini disebut cacat massa. Cacat massa muncul dari energi yang dilepaskan ketika nukleon (proton dan neutron) mengikat bersama untuk membentuk nukleus.
Energi ini disebut energi ikat. Energi ikat menentukan inti mana yang stabil dan berapa banyak energi yang dilepaskan dalam reaksi nuklir. Inti yang sangat berat dan inti yang sangat ringan memiliki energi ikat yang rendah. Ini menyiratkan bahwa inti berat akan melepaskan energi ketika membelah (fisi), dan dua inti ringan akan melepaskan energi ketika mereka bergabung (fusi).
Inti hidrogen 2, misalnya, terdiri dari satu proton serta satu neutron, bisa dipisahkan seluruhnya dengan menyediakan tenaga 2, 23 juta elektron volt( MeV). Kebalikannya, kala neutron serta proton yang beranjak lambat berasosiasi membuat inti hidrogen 2, 2, 23 MeV dibebaskan.
Cacat massa dan energi ikat dihubungkan dengan rumus Albert Einstein, E = mc 2 . Pada tahun 1905, Einstein mengembangkan teori relativitas khusus. Salah satu implikasi dari teori ini adalah bahwa materi dan energi dapat dipertukarkan satu sama lain.
Persamaan ini menyatakan, massa (m) dapat diubah menjadi sejumlah energi (E), di mana c adalah kecepatan cahaya. Karena kecepatan cahaya adalah angka yang besar dan dengan demikian c kuadrat sangat besar, sejumlah kecil materi dapat diubah menjadi sejumlah besar energi. Persamaan ini adalah kunci kekuatan senjata nuklir dan reaktor nuklir.
Peluruhan Radioaktif
Radioaktivitas adalah disintegrasi spontan inti atom. Fenomena ini pertama kali dilaporkan pada tahun 1896 oleh fisikawan Perancis Henri Becquerel. Marie Curie dan suaminya Pierre Curie berkontribusi lebih jauh untuk memahami radioaktivitas. Penelitian mereka mengarah pada penemuan dua unsur radioaktif baru, polonium dan radium, dan memaksa para ilmuwan untuk mengubah gagasan mereka tentang struktur atom.
Radioaktivitas adalah hasil dari sebuah atom yang mencoba mencapai konfigurasi nuklir yang lebih stabil. Proses peluruhan radioaktif, dapat dicapai melalui tiga metode utama; sebuah nukleus dapat mengubah salah satu neutronnya menjadi proton dengan emisi elektron secara simultan (peluruhan beta), dengan memancarkan inti helium (peluruhan alfa), atau dengan fisi spontan (pembelahan) menjadi dua fragmen. Sering dikaitkan dengan peristiwa ini adalah pelepasan foton energi tinggi atau sinar gamma. Ada beberapa metode peluruhan radioaktif lainnya, tetapi sifatnya lebih eksotik.
Setiap zat radioaktif individu memiliki karakteristik periode peluruhan atau waktu paruh. Waktu paruh adalah selang waktu yang diperlukan untuk setengah dari inti atom dari sampel radioaktif untuk meluruh.
Isotop radioaktif kobalt 60, yang digunakan dalam terapi radiasi kanker, misalnya, memiliki waktu paruh 5,26 tahun. Jadi setelah selang waktu itu, sampel yang semula mengandung 16 gram kobalt 60 akan mengandung hanya 8 gram kobalt 60 dan akan memancarkan hanya setengah radiasi. Setelah selang waktu 5,26 tahun, sampel hanya akan mengandung 4 gram kobalt 60. Waktu paruh dapat berkisar dari ribuan tahun hingga milidetik.
Terkadang setelah mengalami peluruhan radioaktif, atom baru masih tertinggal dalam bentuk radioaktif. Ini berarti bahwa atom akan meluruh lagi ketika berusaha mencapai keadaan inti yang stabil.
Peluruhan alfa
Dalam peluruhan alfa, partikel bermuatan positif, identik dengan inti helium 4, dipancarkan secara spontan. Partikel ini, juga dikenal sebagai partikel alfa, terdiri dari dua proton dan dua neutron. Ditemukan dan diberi nama oleh Sir Ernest Rutherford pada tahun 1899.
Peluruhan alfa biasanya terjadi pada inti berat seperti uranium atau plutonium, dan karena itu merupakan bagian utama dari dampak radioaktif dari ledakan nuklir. Karena partikel alfa relatif lebih masif daripada bentuk peluruhan radioaktif lainnya, partikel ini dapat dihentikan oleh selembar kertas dan tidak dapat menembus kulit manusia. Partikel alfa 4 MeV hanya dapat bergerak sekitar 1 inci di udara.
Meskipun jangkauan partikel alfa pendek, jika elemen peluruhan alfa tertelan, partikel alfa dapat menyebabkan kerusakan besar pada jaringan di sekitarnya. Inilah sebabnya mengapa plutonium, dengan waktu paruh yang panjang, sangat berbahaya jika tertelan.
Peluruhan Beta
Atom memancarkan partikel beta melalui proses yang dikenal sebagai peluruhan beta. Peluruhan beta terjadi ketika sebuah atom memiliki terlalu banyak proton atau terlalu banyak neutron dalam intinya. Dua jenis peluruhan beta dapat terjadi.
Satu jenis (peluruhan beta positif) melepaskan partikel beta bermuatan positif yang disebut positron, dan neutrino; jenis lainnya (peluruhan beta negatif) melepaskan partikel beta bermuatan negatif yang disebut elektron, dan antineutrino.
Neutrino dan antineutrino adalah partikel elementer berenergi tinggi dengan sedikit atau tanpa massa dan dilepaskan untuk menghemat energi selama proses peluruhan. Peluruhan beta negatif jauh lebih umum daripada peluruhan beta positif.
Bentuk peluruhan radioaktif ini ditemukan oleh Sir Ernest Rutherford pada tahun 1899, meskipun neutrino tidak diamati sampai tahun 1960-an. Partikel beta memiliki semua karakteristik elektron. Pada saat emisi mereka, mereka melakukan perjalanan hampir dengan kecepatan cahaya. Partikel .5 MeV yang khas akan bergerak sekitar 10 kaki di udara, dan dapat dihentikan dengan 1-2 inci kayu.
Sinar gamma
Sinar gamma adalah jenis radiasi elektromagnetik yang dihasilkan dari redistribusi muatan listrik dalam inti. Sinar gamma pada dasarnya adalah sinar X yang sangat energik; perbedaan antara keduanya tidak didasarkan pada sifat intrinsik mereka melainkan pada asal-usul mereka.
Sinar X dipancarkan selama proses atom yang melibatkan elektron energik. Radiasi gamma dipancarkan oleh inti tereksitasi atau proses lain yang melibatkan partikel subatomik; itu sering menyertai radiasi alfa atau beta, karena inti yang memancarkan partikel-partikel itu dapat dibiarkan dalam keadaan tereksitasi (energi lebih tinggi).
Sinar gamma lebih menembus daripada radiasi alfa atau beta, tetapi lebih sedikit pengion. Sinar gamma dari dampak nuklir mungkin akan menyebabkan jumlah korban terbesar jika terjadi penggunaan senjata nuklir dalam perang nuklir. Mereka menghasilkan kerusakan yang mirip dengan yang disebabkan oleh sinar-X seperti luka bakar, kanker, dan mutasi genetik.
Pembelahan spontan
Jenis peluruhan radioaktif lainnya adalah fisi spontan. Dalam proses peluruhan ini, inti akan terpecah menjadi dua fragmen yang hampir sama dan beberapa neutron bebas. Sejumlah besar energi juga dilepaskan. Kebanyakan unsur tidak meluruh dengan cara ini kecuali nomor massanya lebih besar dari 230.
Neutron liar yang dilepaskan oleh fisi spontan dapat memulai reaksi berantai sebelum waktunya. Ini berarti bahwa waktu perakitan untuk mencapai massa kritis harus kurang dari laju fisi spontan. Para ilmuwan harus mempertimbangkan laju fisi spontan setiap bahan ketika merancang senjata nuklir.
Misalnya, tingkat fisi spontan plutonium 239 adalah sekitar 300 kali lebih besar dari uranium 235. Hal ini memaksa para ilmuwan yang bekerja di Proyek Manhattan untuk meninggalkan pekerjaan pada desain jenis senjata yang menggunakan plutonium.