Fisika Nuklir: Apa Itu, Siapa Penemunya & Mengapa Penting?

Beberapa hari berawan di Paris pada tahun 1896 "menghancurkan" eksperimen Henri Becquerel, tetapi dalam prosesnya, bidang fisika nuklir lahir. Becquerel keluar untuk membuktikan hipotesisnya bahwa uranium menyerap sinar matahari dan memancarkannya kembali dalam bentuk sinar-X, yang telah ditemukan tahun sebelumnya.

Rencana Becquerel adalah membawa kalium uranil sulfat ke sinar matahari dan kemudian membawanya ke dalam kontak dengan pelat fotografi yang dibungkus kertas hitam, karena meskipun cahaya tampak tidak dapat menembusnya, sinar-X akan. Meskipun kekurangan sinar matahari, dia memutuskan untuk tetap menjalani prosesnya, dan terkejut ketika dia menemukan gambar yang masih terekam di pelat fotografi.

Pengujian lebih lanjut menunjukkan itu bukan sinar-X sama sekali, terlepas dari asumsinya. Jalur cahaya tidak dibelokkan oleh medan magnet, tetapi but radiasi dari uranium dibelokkan oleh satu, dan ini – bersama dengan hasil pertama – adalah bagaimana radiasi ditemukan. Marie Curie menciptakan istilah radioaktivitas, dan bersama suaminya Pierre, menemukan polonium dan radium, menentukan sumber yang tepat dari radioaktivitas.

Kemudian, Ernest Rutherford datang dengan istilah partikel alfa, partikel beta dan partikel gamma untuk bahan yang diradiasikan, dan medan radiasi. fisika nuklir benar-benar pergi.

Tentu saja, orang tahu lebih banyak tentang fisika nuklir sekarang daripada pada pergantian abad ke-20, dan ini adalah topik penting untuk dipahami dan dipelajari oleh siswa fisika mana pun. Apakah Anda ingin memahami sifat energi nuklir, gaya nuklir kuat dan lemah atau berkontribusi pada bidang-bidang seperti kedokteran nuklir, mempelajari dasar-dasarnya sangatlah penting.

Fisika nuklir pada dasarnya adalah fisika inti, bagian dari atom yang mengandung dua yang paling terkenal “hadron,” proton dan neutron.

Secara khusus, ini terlihat pada kekuatan yang beroperasi di inti (interaksi kuat yang mengikat proton dan neutron bersama-sama di dalam nukleus, serta memegang komponennya quark bersama-sama, dan interaksi lemah yang berkaitan dengan peluruhan radioaktif), dan interaksi inti dengan lainnya partikel.

Fisika nuklir mencakup topik-topik seperti fusi nuklir (yang berhubungan dengan energi ikat berbagai elemen), fisi nuklir (yang pemisahan unsur-unsur berat untuk menghasilkan energi) serta peluruhan radioaktif dan struktur dasar serta gaya-gaya yang berperan dalam inti.

Ada banyak aplikasi praktis di lapangan, termasuk (namun tidak terbatas pada) bekerja di bidang energi nuklir, kedokteran nuklir, dan fisika energi tinggi.

Sebuah atom terdiri dari nukleus, yang berisi proton bermuatan positif dan neutron tidak bermuatan, yang disatukan oleh gaya nuklir kuat. Ini dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif, yang membentuk apa yang disebut "awan" di sekitar nukleus, dan jumlah elektron sesuai dengan jumlah proton dalam atom netral.

Ada banyak model atom yang diusulkan sepanjang sejarah fisika, termasuk "plum" Thomson model puding", model "planet" Rutherford dan Bohr, dan model mekanika kuantum modern yang dijelaskan atas.

Nukleusnya kecil, sekitar 10⁻¹⁵ m, mengandung sebagian besar massa atom, sedangkan seluruh atom berada pada orde 10⁻¹⁰ m. Jangan biarkan notasi membodohi Anda – ini berarti nukleus sekitar 100.000 kali lebih kecil dari atom secara keseluruhan, tetapi mengandung sebagian besar materi. Jadi atomnya dominan ruang kosong!

Massa atom tidak persis sama dengan massa bagian-bagian penyusunnya: Jika Anda menjumlahkan massa proton dan neutron, itu sudah melebihi massa atom, bahkan sebelum Anda menghitung massa atom yang jauh lebih kecil elektron.

Ini disebut "cacat massa" atom, dan jika Anda mengubah perbedaan ini menjadi energi menggunakan persamaan Einstein yang terkenal E = mc², Anda mendapatkan "energi ikat" dari inti.

Ini adalah energi yang harus Anda masukkan ke dalam sistem untuk membagi nukleus menjadi proton dan neutron penyusunnya. Energi ini jauh, jauh lebih besar daripada energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari “orbitnya” di sekitar nukleus.

Kedua jenis nukleon (yaitu partikel inti) adalah proton dan neutron, dan keduanya terikat erat dalam inti atom.

Meskipun ini umumnya nukleon yang akan Anda dengar, mereka sebenarnya bukan partikel fundamental dalam model standar fisika partikel. Proton dan neutron keduanya terdiri dari partikel dasar yang disebut quark, yang datang dalam enam "rasa" dan masing-masing membawa sebagian kecil dari muatan proton atau elektron.

Sebuah quark up memiliki 2/3 e biaya, dimana e adalah muatan elektron, sedangkan quark down memiliki 1/3 e biaya. Ini berarti bahwa dua quark atas dan satu quark bawah digabungkan akan menghasilkan partikel dengan muatan positif yang besarnya e, yang merupakan proton. Di sisi lain, sebuah quark atas dan dua quark bawah menghasilkan partikel tanpa muatan keseluruhan, neutron.

Model standar mengkatalogkan semua partikel fundamental yang saat ini dikenal, dan mengelompokkannya menjadi dua kelompok utama: fermion dan boson. Fermion dibagi menjadi quark (yang pada gilirannya menghasilkan hadron seperti proton dan neutron) dan lepton (yang mencakup elektron dan neutrino), dan boson dibagi menjadi gauge dan boson skalar.

Higgs Boson adalah satu-satunya boson skalar yang diketahui sejauh ini, dengan boson lainnya – foton, gluon, Z-boson dan W boson – menjadi boson pengukur.

Fermion, tidak seperti boson, mematuhi "hukum kekekalan bilangan". Misalnya, ada hukum kekekalan bilangan lepton, yang menjelaskan hal-hal seperti partikel yang dihasilkan sebagai bagian dari peluruhan nuklir. proses (karena penciptaan elektron dengan nomor lepton 1, misalnya, harus diimbangi dengan penciptaan partikel lain dengan nomor lepton 1, seperti elektron anti-neutrino).

Bilangan kuark juga kekal, dan ada pula besaran-besaran kekal lainnya.

Boson adalah partikel pembawa gaya, sehingga interaksi partikel fundamental dimediasi oleh boson. Misalnya, interaksi quark dimediasi oleh gluon, dan interaksi elektromagnetik dimediasi oleh foton.

Meskipun gaya elektromagnetik berlaku di inti, gaya utama yang perlu Anda pertimbangkan adalah gaya nuklir kuat dan lemah. Gaya nuklir kuat dibawa oleh gluon, dan gaya nuklir lemah dibawa oleh W^± dan Z⁰ boson.

Seperti namanya, gaya nuklir kuat adalah yang terkuat dari semua gaya fundamental, diikuti oleh elektromagnetisme (10² kali lebih lemah), gaya lemah (10⁶ kali lebih lemah) dan gravitasi (10⁴⁰ kali lebih lemah). Perbedaan besar antara gravitasi dan gaya lainnya adalah mengapa fisikawan pada dasarnya mengabaikannya ketika membahas materi pada tingkat atom.

Kekuatan yang kuat kebutuhan menjadi kuat untuk mengatasi tolakan elektromagnetik antara proton bermuatan positif di dalam nukleus – jika ada lebih lemah dari gaya elektromagnetik, tidak ada atom dengan lebih dari satu proton dalam nukleus yang akan mampu untuk m. Namun, kekuatan yang kuat memiliki kekuatan yang sangat jarak dekat.

Ini penting karena menunjukkan mengapa gaya tidak terlihat bahkan pada skala atom utuh atau molekul, tetapi itu juga berarti bahwa tolakan elektromagnetik menjadi lebih relevan untuk inti berat (mis. atom yang lebih besar). Inilah salah satu alasan mengapa inti yang tidak stabil sering kali merupakan inti dari unsur-unsur berat.

Gaya lemah juga memiliki jangkauan yang sangat pendek, dan pada dasarnya menyebabkan quark berubah rasa. Hal ini dapat menyebabkan proton menjadi neutron dan sebaliknya, sehingga dapat dianggap sebagai penyebab peluruhan nuklir proses seperti beta plus dan minus pembusukan.

Ada tiga jenis peluruhan radioaktif: peluruhan alfa, peluruhan beta, dan peluruhan gamma. Peluruhan alfa adalah ketika sebuah atom meluruh dengan melepaskan "partikel alfa", yang merupakan istilah lain untuk inti helium.

Ada tiga sub-jenis peluruhan beta, tetapi semuanya melibatkan proton yang berubah menjadi neutron atau sebaliknya. Peluruhan beta minus adalah ketika neutron menjadi proton dan melepaskan elektron dan elektron anti-neutrino dalam prosesnya, sementara dalam peluruhan beta plus, proton menjadi neutron dan melepaskan positron (yaitu anti-elektron) dan elektron neutrino.

Dalam penangkapan elektron, elektron dari bagian terluar atom diserap ke dalam nukleus dan proton diubah menjadi neutron, dan neutrino dilepaskan dari proses tersebut.

Peluruhan gamma adalah peluruhan di mana energi dilepaskan tetapi tidak ada perubahan dalam atom. Ini analog dengan cara foton dilepaskan ketika elektron melakukan transisi dari energi tinggi ke energi rendah. Inti tereksitasi membuat transisi ke keadaan energi rendah dan memancarkan sinar gamma seperti itu.

Fusi nuklir adalah ketika dua inti melebur dan membuat inti yang lebih berat. Ini adalah cara energi dihasilkan di matahari, dan membuat proses terjadi di Bumi untuk pembangkit listrik adalah salah satu tujuan terbesar untuk fisika eksperimental.

Masalahnya adalah membutuhkan suhu dan tekanan yang sangat tinggi, dan oleh karena itu tingkat energi yang sangat tinggi. Namun, jika para ilmuwan mencapainya, fusi dapat menjadi sumber daya vital karena masyarakat terus tumbuh dan kita mengonsumsi energi dalam jumlah yang meningkat.

Fisi nuklir adalah pemisahan elemen berat menjadi dua inti yang lebih ringan, dan inilah yang menggerakkan reaktor nuklir generasi saat ini.

Fisi juga merupakan prinsip pengoperasian senjata nuklir, yang merupakan salah satu alasan utama wilayah ini menjadi kontroversial. Dalam praktiknya, fisi bekerja melalui serangkaian reaksi berantai. Neutron yang menciptakan pemisahan awal dalam elemen berat seperti uranium, menghasilkan neutron bebas lebih lanjut setelah reaksi, yang kemudian dapat menyebabkan pemisahan lain dan seterusnya.

Pada dasarnya, kedua proses ini memperoleh energi melalui E = mc² hubungan, karena atom yang melebur atau membelah melibatkan pelepasan energi dari "massa yang hilang".

Ada sejumlah besar aplikasi fisika nuklir. Khususnya, reaktor nuklir dan pembangkit listrik tenaga nuklir beroperasi di banyak negara di seluruh dunia, dan banyak fisikawan sedang mengerjakan desain baru dan lebih aman.

Misalnya, beberapa desain reaktor nuklir bertujuan untuk memastikan bahwa bahan sumber tidak dapat digunakan untuk membuat senjata nuklir, yang membutuhkan sumber uranium yang jauh lebih diperkaya (yaitu uranium yang “lebih murni”) untuk beroperasi.

Pengobatan nuklir adalah bidang penting lain untuk fisika nuklir. Kedokteran nuklir melibatkan sejumlah kecil bahan radioaktif yang diberikan kepada pasien, dan kemudian detektor digunakan untuk menangkap gambar dari radiasi yang dilepaskan. Ini membantu dokter mendiagnosis ginjal, tiroid, jantung, dan kondisi lainnya.

Tentu saja, ada banyak bidang lain di mana fisika nuklir pada dasarnya, termasuk fisika energi tinggi dan partikel akselerator seperti CERN, dan astrofisika, di mana banyak proses dominan di bintang sangat bergantung pada nuklir fisika.