Nuklir & Atom (Fisika): Panduan Pemula untuk Siswa

Fisika atom dan nuklir sama-sama menggambarkan fisika yang sangat kecil. Saat bekerja dengan benda kecil seperti itu, intuisi Anda yang dibangun dari pemahaman Anda tentang mekanika klasik sering kali gagal. Ini adalah bidang mekanika kuantum, gaya nuklir jarak pendek, radiasi elektromagnetik dan model standar fisika partikel.

Fisika atom adalah cabang fisika yang berhubungan dengan struktur atom, keadaan energi yang terkait, dan interaksi atom dengan partikel dan medan. Sebaliknya, fisika nuklir berfokus secara khusus pada kejadian di dalam inti atom, yang dijelaskan secara lebih rinci di bagian berikutnya.

Ada beberapa item studi dalam fisika partikel. Pertama dan terpenting adalah struktur atom itu sendiri. Atom terdiri dari inti yang terikat erat, yang mengandung proton dan neutron, dan awan elektron yang menyebar.

Mengingat bahwa inti biasanya pada urutan 10^-15 ke 10^-14 m dengan diameter, dan atom itu sendiri berada di urutan 10^-10 m (dan ukuran elektron dapat diabaikan), ternyata sebagian besar atom adalah ruang kosong. Tentu saja mereka tidak tampak seperti itu dan semua materi yang terbuat dari atom pasti terasa seperti substansi.

Alasan mengapa atom tidak tampak seperti kebanyakan ruang kosong adalah karena Anda juga terbuat dari atom, dan semua atom berinteraksi dengan energi elektromagnetik. Meskipun tanganmu, yang sebagian besar terdiri dari atom ruang kosong, menekan meja, juga sebagian besar terdiri dari ruang kosong, itu tidak melewati meja karena gaya elektromagnetik antara atom saat mereka masuk they kontak.

Neutrino, partikel yang tidak berinteraksi dengan gaya elektromagnetik, mampu melewati sebagian besar materi atom yang hampir tidak terdeteksi. Faktanya, 100 triliun neutrino melewati tubuh Anda setiap detik!

Atom diklasifikasikan berdasarkan nomor atom dalam tabel periodik. Nomor atom adalah jumlah proton yang dikandung atom dalam intinya. Angka ini mendefinisikan elemen.

Sementara elemen tertentu akan selalu memiliki jumlah proton yang sama, ia dapat mengandung jumlah neutron yang berbeda. Isotop yang berbeda dari suatu unsur mengandung jumlah neutron yang berbeda. Beberapa isotop lebih stabil daripada yang lain (artinya lebih kecil kemungkinannya untuk meluruh secara spontan menjadi sesuatu yang lain), dan stabilitas ini biasanya tergantung pada jumlah neutron, itulah sebabnya, untuk sebagian besar elemen, sebagian besar atom cenderung menjadi satu isotop.

Jumlah elektron yang dikandung atom menentukan apakah atom itu terionisasi, atau bermuatan. Sebuah atom netral mengandung jumlah elektron yang sama dengan proton, tetapi kadang-kadang atom dapat memperoleh atau kehilangan elektron dan menjadi bermuatan. Seberapa mudah sebuah atom mendapatkan atau kehilangan elektron tergantung pada struktur orbital elektronnya.

Atom hidrogen adalah atom paling sederhana, hanya mengandung satu proton dalam intinya. Tiga isotop hidrogen yang paling stabil adalah protium (tidak mengandung neutron), deuterium (mengandung satu neutron) dan tritium (mengandung dua neutron) dengan protium yang paling melimpah.

Model atom yang berbeda telah diusulkan selama bertahun-tahun, yang mengarah ke model saat ini. Pekerjaan awal dilakukan oleh Ernest Rutherford, Niels Bohr dan lainnya.

Seperti disebutkan, atom berinteraksi dengan gaya elektromagnetik. Proton dalam atom membawa muatan positif dan elektron membawa muatan negatif. Elektron dalam atom dapat menyerap radiasi elektromagnetik dan mencapai tingkat energi yang lebih tinggi sebagai hasilnya, atau memancarkan radiasi dan pindah ke keadaan energi yang lebih rendah.

Salah satu sifat kunci dari penyerapan dan pemancaran radiasi ini adalah bahwa atom menyerap dan memancarkan radiasi hanya pada nilai-nilai terkuantisasi yang sangat spesifik. Dan untuk setiap jenis atom yang berbeda, nilai-nilai spesifik itu berbeda.

Gas panas dari bahan atom akan memancarkan radiasi pada panjang gelombang yang sangat spesifik. Jika cahaya yang berasal dari gas ini dilewatkan melalui spektroskop, yang menyebarkan cahaya dalam spektrum panjang gelombang (seperti pelangi), garis emisi yang berbeda akan muncul. Kumpulan garis emisi yang berasal dari gas dapat dibaca hampir seperti kode batang yang memberi tahu Anda dengan tepat atom apa yang ada di dalam gas.

Demikian pula, jika spektrum cahaya kontinu terjadi pada gas dingin, dan cahaya yang melewati gas itu adalah melewati spektroskop, Anda akan melihat spektrum kontinu dengan celah gelap pada panjang gelombang tertentu yang gas terserap. Spektrum serapan ini akan terlihat seperti kebalikan dari spektrum emisi, garis-garis gelap muncul di mana garis-garis terang untuk gas yang sama. Dengan demikian, itu juga dapat dibaca seperti kode batang yang memberi tahu Anda komposisi gas. Para astronom menggunakan ini sepanjang waktu untuk menentukan komposisi materi di ruang angkasa.

Fisika nuklir berfokus pada inti atom, reaksi nuklir dan interaksi inti dengan partikel lain. Ini mengeksplorasi peluruhan radioaktif, fusi nuklir dan fisi nuklir, dan energi ikat, di antara topik lainnya.

Inti mengandung rumpun proton dan neutron yang terikat erat. Namun, ini bukan partikel fundamental. Proton dan neutron terbuat dari partikel yang lebih kecil lagi yang disebut quark.

Quark adalah partikel dengan muatan fraksional, dan nama yang agak konyol. Mereka datang dalam enam rasa yang disebut: atas, bawah, atas, bawah, aneh dan pesona. Sebuah neutron terdiri dari dua quark turun dan satu quark naik, dan sebuah proton terdiri dari dua quark naik dan satu quark turun. Kuark di setiap nukleon terikat erat oleh gaya nuklir kuat.

Gaya nuklir kuat dimediasi oleh partikel yang disebut gluon. Apakah Anda merasakan tema? Para ilmuwan sangat senang menamai partikel-partikel ini! Gluon, tentu saja, "merekatkan" quark bersama-sama. Gaya nuklir kuat hanya bekerja pada jarak yang sangat pendek – pada jarak yang sebanding dengan diameter inti berukuran rata-rata.

Setiap neutron terisolasi memiliki massa 1,6749275 × 10^-27 kg, dan setiap proton yang terisolasi memiliki massa 1,6726219 × 10^-27 kg; namun, ketika terikat bersama dalam inti atom, massa atom bukanlah jumlah dari bagian-bagian penyusunnya karena sesuatu yang disebut energi ikat.

Dengan menjadi terikat erat, nukleon mencapai keadaan energi yang lebih rendah sebagai akibat dari beberapa massa total yang mereka miliki sebagai partikel individu yang diubah menjadi energi. Perbedaan massa yang diubah menjadi energi ini disebut energi ikat inti. Hubungan yang menggambarkan berapa banyak energi yang sesuai dengan jumlah massa tertentu adalah hubungan Einstein yang terkenal E = mc² persamaan dimana saya adalah massa, c adalah kecepatan cahaya dan E adalah energi.

Konsep terkait adalah energi ikat per nukleon, yang merupakan energi ikat total inti yang dirata-ratakan pada bagian-bagian penyusunnya. Energi ikat per nukleon merupakan indikator yang baik tentang seberapa stabil nukleus. Energi ikat yang rendah per nukleon menunjukkan bahwa keadaan energi total yang lebih rendah mungkin ada untuk itu exist nukleus tertentu, yang berarti ia mungkin ingin membelah atau melebur dengan nukleus lain di bawah inti yang tepat kondisi.

Secara umum, inti yang lebih ringan dari inti besi cenderung mencapai tingkat energi yang lebih rendah, dan energi ikat per nukleon yang lebih tinggi, dengan cara melebur dengan inti lainnya, sedangkan inti yang lebih berat dari besi cenderung mencapai tingkat energi yang lebih rendah dengan memecah menjadi lebih ringan. inti. Proses di mana perubahan ini terjadi dijelaskan di bagian berikutnya.

Fokus utama fisika nuklir adalah mempelajari fisi, fusi, dan peluruhan inti atom. Semua proses ini didorong oleh gagasan mendasar bahwa semua partikel lebih menyukai keadaan energi yang lebih rendah.

Fisi terjadi ketika inti yang berat pecah menjadi inti yang lebih kecil. Inti yang sangat berat lebih rentan untuk melakukan hal ini karena mereka memiliki energi ikat yang lebih kecil per nukleon. Seperti yang mungkin Anda ingat, ada beberapa gaya yang mengatur apa yang terjadi di dalam inti atom. Gaya nuklir kuat mengikat nukleon-nukleon secara erat, tetapi ini adalah gaya jarak yang sangat pendek. Jadi untuk inti yang sangat besar, kurang efektif.

Proton bermuatan positif dalam nukleus juga saling tolak melalui gaya elektromagnetik. Tolakan ini harus diatasi dengan gaya nuklir kuat dan juga dapat dimediasi dengan memiliki cukup neutron di sekitarnya. Tetapi semakin besar nukleus, semakin tidak menguntungkan keseimbangan gaya untuk stabilitas.

Oleh karena itu inti yang lebih besar cenderung ingin pecah baik melalui proses peluruhan radioaktif, atau melalui reaksi fisi seperti yang terjadi di reaktor nuklir atau bom fisi.

Fusi terjadi ketika dua inti yang lebih ringan mencapai keadaan energi yang lebih baik dengan bergabung menjadi inti yang lebih berat. Namun, agar fisi terjadi, inti yang bersangkutan harus cukup dekat satu sama lain sehingga gaya nuklir kuat dapat mengambil alih. Ini berarti bahwa mereka harus bergerak cukup cepat sehingga mereka dapat mengatasi tolakan listrik.

Inti bergerak cepat dalam suhu ekstrim, sehingga kondisi ini sering diperlukan. Ini adalah bagaimana fusi nuklir dapat terjadi di inti matahari yang sangat panas. Sampai hari ini, para ilmuwan masih berusaha menemukan cara untuk membuat fusi dingin terjadi – yaitu, fusi pada suhu yang lebih rendah. Karena energi dilepaskan dalam proses fusi dan tidak meninggalkan limbah radioaktif seperti yang dilakukan reaktor fisi, itu akan menjadi sumber energi yang luar biasa jika tercapai.

Peluruhan radioaktif adalah cara umum di mana inti mengalami perubahan menjadi lebih stabil. Ada tiga jenis peluruhan utama: peluruhan alfa, peluruhan beta, dan peluruhan gamma.

Dalam peluruhan alfa, inti radioaktif melepaskan partikel alfa (inti helium-4) dan menjadi lebih stabil sebagai hasilnya. Peluruhan beta datang dalam beberapa varietas, tetapi pada dasarnya hasil dari baik neutron menjadi proton atau proton menjadi neutron dan melepaskan β^- atau β⁺ partikel (elektron atau positron). Peluruhan gamma terjadi ketika inti dalam keadaan tereksitasi melepaskan energi dalam bentuk sinar gamma, tetapi mempertahankan jumlah keseluruhan neutron dan protonnya.

Studi fisika nuklir meluas ke bidang fisika partikel yang lebih besar, yang bertujuan untuk memahami cara kerja semua partikel fundamental. Model standar mengklasifikasikan partikel menjadi fermion dan boson, dan selanjutnya mengklasifikasikan fermion menjadi quark dan lepton, dan boson menjadi gauge dan boson skalar.

Boson tidak mematuhi hukum kekekalan bilangan, tetapi fermion melakukannya. Ada juga hukum kekekalan untuk bilangan lepton dan quark di samping besaran-besaran yang dilestarikan lainnya. Interaksi partikel fundamental dimediasi oleh boson pembawa energi.

Aplikasi fisika nuklir dan atom sangat banyak. Reaktor nuklir di pembangkit listrik tenaga nuklir menciptakan energi bersih dengan memanfaatkan energi yang dilepaskan selama proses fisi. Kedokteran nuklir menggunakan isotop radioaktif untuk pencitraan. Ahli astrofisika menggunakan spektroskopi untuk menentukan komposisi nebula jauh. Pencitraan resonansi magnetik memungkinkan dokter untuk membuat gambar rinci dari bagian dalam pasien mereka. Bahkan teknologi sinar-X memanfaatkan fisika nuklir.