Fisika inti atau fisika nuklir (dalam bahasa inggris kita mengenalnya sebagai nuclear physics) merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang struktur inti atom serta interaksi yang terjadi dari penyusunnya. Fisika inti termasuk ke dalam disiplin ilmu yang terbilang “muda” karena berkembangannya baru dimulai sekitar awal abad ke 20.
Sejarah Singkat Tentang Fisika Inti
Awal mula kemunculan fisika inti dimulai saat Henri Becquerel menemukan peristiwa radioaktivitas. Peristiwa ini melibatkan pelepasan partikel atau energi secara spontan dari suatu material yang bersifat radioaktif. Setelah itu, pendalaman tentang fisika inti terus berlanjut melalui penemuan struktur atom oleh Ernest Rutherford. Dia menemukan bahwa ternyata atom memiliki muatan positif yang terpusat (tidak menyebar seperti model Thomson).
Pada masa itu, para fisikawan hanya mengetahui bahwa inti atom terdiri dari proton saja yang bermuatan positif dengan elektron yang mengelilingi inti. Ternyata, ada suatu hal lain yang ikut bersembunyi di dalam inti atom. Fisikawan Inggris bernama James Chadwick menemukan bahwa ada 1 jenis partikel tak bermuatan yang ikut bergandengan bersama proton di dalam inti. Partikel ini memiliki massa yang hampir serupa dengan proton. Ia beri nama partikel ini dengan sebutan neutron. Penemuan James Chadwick sangat mengubah cara pandang fisikawan terhadap struktur inti atom di masa itu. Fisikawan langsung menyadari bahwa mereka dapat memanfaatkan neutron untuk “memborbardir” inti atom, mentransformasikannya menjadi elemen lain.
Beberapa Istilah Penting Dalam Fisika Inti: Simbol
Banyak sekali istilah yang terlibat dalam pembelajaran fisika inti. Kita harus mengetahuinya terlebih dahulu agar dapat mempermudah konsep lanjutan terkait fisika inti. Seperti yang kita ketahui bahwa inti atom terdiri dari proton dan neutron. Jumlah proton yang ada pada suatu atom dapat kita sebut sebagai nomor atom (simbolnya Z). Sedangkan total dari jumlah proton dan neutron kita sebut dengan nomor massa (simbolnya A). Biasanya, penulisan elemen yang memiliki nomor atom dan nomor massa dengan jumlah tertentu dapat dilihat pada contoh berikut.
X adalah elemen tertentu. Sebagai contoh,
Atom helium memiliki nomor atom sebesar 2, artinya memiliki proton sebanyak 2. Sedangkan nomor massanya sebesar 4, artinya jumlah total proton dan neutronnya sebanyak 4. Pengurangan nomor massa terhadap nomor atom akan memberikan kita jumlah neutron (yaitu sebesar 2 untuk contoh atom helium).
Kombinasi Jumlah Proton dan Neutron
Proton dan neutron merupakan penghuni di dalam inti atom. Kita bisa menyebut mereka sebagai nukleon. Kombinasi antara jumlah proton dan neutron menentukan sifat dari suatu inti atom. Apabila tidak seimbang (seimbang bukan berarti selalu berjumlah sama), maka inti atom akan bersifat tidak stabil atau biasa kita kenal dengan istilah radioaktif (saya akan menyampaikan materi tentang radioaktif lebih rinci pada bagian ke dua dari materi utama). Jumlah proton dan neutron yang sama akan cenderung memberikan inti yang bersifat stabil untuk kasus inti atom ringan. Pada inti atom berat, inti stabil cenderung menunjukkan kombinasi jumlah neutron yang lebih banyak dari jumlah proton. Gambar berikut menunjukkan plot inti-inti atom yang sudah diketahui keberadaannya beserta dengan sifatnya.
Massa Inti
Massa inti dari suatu atom mendonimasi massa keseluruhan dari suatu atom (massanya lebih besar bila dibandingkan dengan elektron). Kita biasa menggunakan satuan massa atom atau sma. Selain itu, kita bisa menyebutnya pula dengan u (atau atomic mass unit – amu). Nilai dari 1 u yaitu sebesar 1,6605 x 10-27 kg. Nilai tersebut berdasar pada massa atom karbon-12 netral, yaitu sebesar 12 u. Berikut adalah tabel yang menyajikan massa dari proton dan neutron dalam satuan u.
Massa dari proton dan neutron juga dapat diekspresikan melalui satuan kesetaraan massa-energi (E=mc2) dengan memanfaatkan satuan MeV (mega electron volt – satuan energi). Proton memiliki massa sebesar 938,272 MeV/c2 sedangkan neutron sebesar 939,565 MeV/c2. Sebagai perbandingan, 1 eV setara dengan 1,6022 x 10-19 Joule.
Energi Ikat Inti
Massa suatu inti atom ternyata lebih kecil dari penjumlahan massa penyusunnya. Sebagai contoh, atom helium terdiri dari 2 proton dan 2 neutron. Apabila kita menuliskan massa inti helium sebagai minti serta massa proton dan neutron masing-masing mp dan mn, maka
Kita menyebut perbedaan massa yang ada dengan defek massa. Apabila kita gunakan formula kesetaraan massa-energi, maka perbedaan massa tersebut mewakili energi yang dibutuhkan untuk memecah belah inti atom. Secara teknis, apabila kita menggabungkan 2 proton dan 2 neutron, kita akan mendapatkan energi yang setara dengan defek massa. Energi tersebut kita kenal juga sebagai energi ikat inti.
Apabila kita ambil contoh pada inti atom helium, maka
Bandingkan dengan energi yang dibutuhkan untuk mengionisasi atom hidrogen dari keadaan dasar, yaitu hanya sebesar 13,6 eV. Kita memerlukan energi yang jauh lebih besar untuk memecah belah inti atom menjadi penyusun-penyusunnya.
Gambar berikut menunjukkan grafik nilai rerata dari energi ikat inti per nukleon dari beberapa contoh inti atom.
Gaya Nuklir Kuat
Kita telah mengetahui bahwa elektron terikat oleh inti atom akibat adanya gaya elektromagnetik, jenis gaya yang melibatkan muatan. Hal ini dapat kita sebut juga sebagai interaksi gaya Coulomb antara elektron yang bermuatan negatif dan inti atom yang bermuatan positif.
Saat kita melihat ke inti, apakah kalian pernah terpikirkan, bagaimana inti atom dapat tetap berada dalam “bentuknya” walaupun di dalammnya terdapat proton yang saling tolak menolak? Kita bisa mengesampingkan untuk kasus atom hidrogen yang hanya terdiri dari 1 proton. Kita ambil contoh atom helium yang memiliki 2 proton di dalam intinya. Proton memiliki muatan positif, artinya akan ada interaksi yang melibatkan kedua proton di dalam inti atom helium melalui gaya Coulomb. Interaksi tersebut akan saling tolak-menolak karena melibatkan muatan yang sama.
Berdasarkan hal tersebut, harus ada “sesuatu” yang dapat menahan gaya tolakkan antarproton yang terjadi di dalam inti. Suatu gaya yang bekerja hanya pada sesama nukleon saja, terlepas dari jenis muatan yang dimilikinya. Kita menyebutnya sebagai gaya nuklir kuat (strong nuclear force). Gaya inilah yang tetap mempertahankan nukleon berada di dalam inti atom. Gaya ini memiliki kekuatan yang sangat besar namun hanya bekerja pada jarak yang sangat dekat seperti jarak antarnukleon di dalam inti atom.
Referensi
- Halliday, D., Resnick, R. & Walker, J., 2010. FISIKA DASAR EDISI 7 JILID 3. Jakarta: Erlangga.
- https://www.aps.org/publications/apsnews/200705/physicshistory.cfm#:~:text=By%201920%2C%20physicists%20knew%20that,which%20he%20called%20the%20neutron. diakses pada 9 Maret 2024.
- https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1903/becquerel/biographical/ diakses pada 9 Maret 2024.
- https://www.britannica.com/biography/Ernest-Rutherford diakses pada 9 Maret 2024.
- http://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability (grafik stabilitas) diakses pada 9 Maret 2024.
- https://physics.nist.gov/cuu/Correlations/index.html diakses pada 9 Maret 2024.
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/NucEne/nucbin.html diakses pada 9 Maret 2024.
- https://www.instagram.com/p/CFzUwzMlxya/ (foto simbol nuklir) diakses pada 9 Maret 2024.
- https://www.britannica.com/science/nuclear-binding-energy#/media/1/421533/654 diakses pada 9 Maret 2024.
