Inti atom

Inti atom terdiri dari proton dan neutron (dua jenis baryon) yang bergabung dengan gaya nuklir. Baryon-baryon ini selanjutnya terdiri dari partikel fundamental sub-atomik yang dikenal sebagai quark yang bergabung dengan interaksi yang kuat. Nukleus kurang lebih berbentuk sferoid dan mungkin agak prolate (panjang) atau oblate (pipih) atau sebaliknya tidak sepenuhnya bulat.

Isotop dan nuklida

Isotop atom didasarkan pada jumlah neutron dalam inti atom. Isotop yang berbeda dari unsur yang sama memiliki sifat kimia yang sangat mirip. Isotop yang berbeda dalam sampel bahan kimia dapat dipisahkan dengan menggunakan centrifuge atau dengan menggunakan spektrometer massa. Metode pertama digunakan dalam memproduksi uranium yang diperkaya dari uranium biasa, dan yang kedua digunakan dalam penanggalan karbon.

Jumlah proton dan neutron bersama-sama menentukan nuklida (jenis inti). Proton dan neutron memiliki massa yang hampir sama, dan jumlah gabungan mereka, nomor massa, hampir sama dengan massa atom atom. Massa gabungan elektron sangat kecil jika dibandingkan dengan massa inti; proton dan neutron memiliki berat sekitar 2000 kali lebih banyak daripada elektron.

Penemuan elektron oleh J. J. Thomson adalah tanda pertama bahwa atom memiliki struktur internal. Pada pergantian abad ke-20, model atom yang diterima adalah model "puding plum" J. J. Thomson di mana atom adalah bola besar bermuatan positif dengan elektron-elektron kecil bermuatan negatif yang tertanam di dalamnya. Pada pergantian abad fisikawan juga telah menemukan tiga jenis radiasi yang berasal dari atom, yang mereka beri nama radiasi alfa, beta, dan gamma. Eksperimen pada tahun 1911 oleh Lise Meitner dan Otto Hahn, dan oleh James Chadwick pada tahun 1914 menemukan bahwa spektrum peluruhan beta bersifat kontinu daripada diskrit. Artinya, elektron dikeluarkan dari atom dengan berbagai energi, daripada jumlah energi diskrit yang diamati dalam peluruhan gamma dan alfa. Ini adalah masalah bagi fisika nuklir pada saat itu, karena ini menunjukkan bahwa energi tidak dilestarikan dalam peluruhan ini. Masalah ini nantinya akan mengarah pada penemuan neutrino (lihat di bawah).

Pada tahun 1906 Ernest Rutherford menerbitkan "Radiasi Partikel α dari Radium dalam melewati Materi". Geiger memperluas pekerjaan ini dalam komunikasi kepada Royal Society dengan eksperimen yang telah dilakukannya dan Rutherford melewati partikel α melalui udara, aluminium foil dan foil emas. Lebih banyak pekerjaan diterbitkan pada tahun 1909 oleh Geiger dan Marsden dan pekerjaan lebih lanjut yang sangat diperluas diterbitkan pada tahun 1910 oleh Geiger, Pada tahun 1911-2 Rutherford pergi ke hadapan Royal Society untuk menjelaskan eksperimen dan mengemukakan teori baru tentang inti atom seperti yang sekarang kita pahami.

Sekitar waktu yang sama ketika hal ini terjadi (1909) Ernest Rutherford melakukan eksperimen yang luar biasa di mana Hans Geiger dan Ernest Marsden di bawah pengawasannya menembakkan partikel alfa (inti helium) pada lapisan tipis kertas emas. Model puding plum meramalkan bahwa partikel alfa harus keluar dari foil dengan lintasannya paling banyak sedikit bengkok. Dia terkejut menemukan bahwa beberapa partikel tersebar melalui sudut yang besar, bahkan benar-benar mundur dalam beberapa kasus. Penemuan ini, dimulai dengan analisis Rutherford terhadap data pada tahun 1911, akhirnya mengarah pada model atom Rutherford, di mana atom memiliki inti yang sangat kecil dan sangat padat yang terdiri dari partikel bermuatan positif berat dengan elektron tertanam untuk menyeimbangkan muatan. Sebagai contoh, dalam model ini nitrogen-14 terdiri dari inti dengan 14 proton dan 7 elektron, dan inti dikelilingi oleh 7 elektron yang mengorbit.

Model Rutherford bekerja cukup baik sampai studi spin nuklir dilakukan oleh Franco Rasetti di California Institute of Technology pada tahun 1929. Pada tahun 1925 diketahui bahwa proton dan elektron memiliki spin 1/2, dan dalam model Rutherford nitrogen-14, 14 proton dan enam elektron seharusnya berpasangan untuk membatalkan spin satu sama lain, dan elektron terakhir seharusnya meninggalkan nukleus dengan spin 1/2. Rasetti menemukan, bagaimanapun, bahwa nitrogen-14 memiliki spin satu.

Pada tahun 1930 Wolfgang Pauli tidak dapat menghadiri pertemuan di Tübingen, dan sebagai gantinya mengirim surat terkenal dengan pengantar klasik "Dear Radioactive Ladies and Gentlemen". Dalam suratnya, Pauli menyarankan bahwa mungkin ada partikel ketiga dalam nukleus yang ia beri nama "neutron". Dia menyarankan bahwa partikel itu sangat ringan (lebih ringan dari elektron), tidak memiliki muatan, dan tidak mudah berinteraksi dengan materi (itulah sebabnya partikel itu belum terdeteksi). Jalan keluar yang putus asa ini memecahkan masalah konservasi energi dan putaran nitrogen-14, yang pertama karena "neutron" Pauli membawa energi ekstra dan yang kedua karena "neutron" ekstra berpasangan dengan elektron dalam inti nitrogen-14 memberikannya spin satu. "Neutron" Pauli diganti namanya menjadi neutrino (bahasa Italia untuk yang netral kecil) oleh Enrico Fermi pada tahun 1931, dan setelah sekitar tiga puluh tahun akhirnya ditunjukkan bahwa neutrino benar-benar dipancarkan selama peluruhan beta.

Pada tahun 1932 Chadwick menyadari bahwa radiasi yang telah diamati oleh Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène, dan Frédéric Joliot-Curie sebenarnya disebabkan oleh partikel masif yang ia sebut neutron. Pada tahun yang sama Dmitri Ivanenko menyarankan bahwa neutron sebenarnya adalah partikel spin 1/2 dan bahwa nukleus mengandung neutron dan tidak ada elektron di dalamnya, dan Francis Perrin menyarankan bahwa neutrino bukan partikel nuklir tetapi diciptakan selama peluruhan beta. Untuk menutup tahun itu, Fermi mengajukan teori neutrino ke Nature (yang ditolak editor karena "terlalu jauh dari kenyataan"). Fermi terus mengerjakan teorinya dan menerbitkan sebuah makalah pada tahun 1934 yang menempatkan neutrino pada pijakan teoretis yang kokoh. Pada tahun yang sama Hideki Yukawa mengusulkan teori signifikan pertama tentang gaya kuat untuk menjelaskan bagaimana nukleus saling bersatu.

Dengan makalah Fermi dan Yukawa, model modern atom telah lengkap. Pusat atom mengandung bola neutron dan proton yang rapat, yang disatukan oleh gaya nuklir yang kuat. Inti yang tidak stabil dapat mengalami peluruhan alfa, di mana mereka memancarkan inti helium yang energik, atau peluruhan beta, di mana mereka mengeluarkan elektron (atau positron). Setelah salah satu dari peluruhan ini, inti yang dihasilkan dapat ditinggalkan dalam keadaan tereksitasi, dan dalam hal ini inti tersebut meluruh ke keadaan dasar dengan memancarkan foton energi tinggi (peluruhan gamma).

Studi tentang gaya nuklir kuat dan lemah membuat fisikawan menabrakkan nukleus dan elektron pada energi yang semakin tinggi. Penelitian ini menjadi ilmu fisika partikel, yang paling penting adalah model standar fisika partikel yang menyatukan gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik.

Sebuah nukleus dapat mengandung ratusan nukleon yang berarti bahwa dengan beberapa perkiraan, nukleus dapat diperlakukan sebagai sistem klasik, bukan sistem kuantum-mekanis. Dalam model liquid-drop yang dihasilkan, nukleus memiliki energi yang sebagian muncul dari tegangan permukaan dan sebagian lagi dari tolakan listrik proton. Model liquid-drop mampu mereproduksi banyak fitur inti, termasuk kecenderungan umum energi pengikatan sehubungan dengan jumlah massa, serta fenomena fisi nuklir.

Ditumpangkan pada gambaran klasik ini, bagaimanapun, adalah efek kuantum-mekanis, yang dapat dijelaskan dengan menggunakan model cangkang nuklir, yang sebagian besar dikembangkan oleh Maria Goeppert-Mayer. Inti dengan jumlah neutron dan proton tertentu (angka ajaib 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) sangat stabil, karena cangkangnya terisi.

Sebagian besar penelitian saat ini dalam fisika nuklir berkaitan dengan studi inti dalam kondisi ekstrem seperti spin tinggi dan energi eksitasi. Nukleus juga dapat memiliki bentuk ekstrem (mirip dengan sepak bola Amerika) atau rasio neutron-ke-proton yang ekstrem. Eksperimen dapat menciptakan inti seperti itu menggunakan fusi yang diinduksi secara artifisial atau reaksi transfer nukleon, menggunakan sinar ion dari akselerator. Sinar dengan energi yang lebih tinggi dapat digunakan untuk membuat inti pada suhu yang sangat tinggi, dan ada tanda-tanda bahwa eksperimen ini telah menghasilkan transisi fase dari materi nuklir normal ke keadaan baru, plasma quark-gluon, di mana quark berbaur satu sama lain, bukannya dipisahkan dalam kembar tiga seperti pada neutron dan proton.

Peluruhan nuklir

Jika sebuah inti memiliki terlalu sedikit atau terlalu banyak neutron, ia mungkin tidak stabil, dan akan meluruh setelah beberapa periode waktu. Misalnya, atom nitrogen-16 (7 proton, 9 neutron) beta meluruh menjadi atom oksigen-16 (8 proton, 8 neutron) dalam beberapa detik setelah dibuat. Dalam peluruhan ini, neutron dalam inti nitrogen diubah menjadi proton dan elektron oleh gaya nuklir lemah. Unsur atom berubah karena sementara sebelumnya memiliki tujuh proton (yang membuatnya menjadi nitrogen) sekarang memiliki delapan (yang membuatnya menjadi oksigen). Banyak unsur memiliki banyak isotop yang stabil selama berminggu-minggu, bertahun-tahun, atau bahkan miliaran tahun.

Fusi nuklir

Ketika dua inti ringan saling bersentuhan sangat dekat satu sama lain, maka gaya kuat dapat menyatukan keduanya. Dibutuhkan banyak energi untuk mendorong inti cukup dekat bersama agar gaya kuat memiliki efek, sehingga proses fusi nuklir hanya dapat terjadi pada suhu yang sangat tinggi atau kepadatan tinggi. Setelah inti cukup dekat bersama, gaya kuat mengatasi tolakan elektromagnetik mereka dan meremasnya menjadi inti baru. Sejumlah besar energi dilepaskan ketika inti ringan menyatu karena energi pengikatan per nukleon meningkat dengan jumlah massa hingga nikel-62. Bintang-bintang seperti matahari kita didukung oleh fusi empat proton menjadi inti helium, dua positron, dan dua neutrino. Fusi hidrogen yang tidak terkendali menjadi helium dikenal sebagai pelarian termonuklir. Penelitian untuk menemukan metode yang layak secara ekonomi untuk menggunakan energi dari reaksi fusi terkontrol saat ini sedang dilakukan oleh berbagai lembaga penelitian (lihat JET dan ITER).

Fisi nuklir

Untuk inti yang lebih berat dari nikel-62, energi ikat per nukleon berkurang dengan nomor massa. Oleh karena itu, energi dapat dilepaskan jika inti yang berat pecah menjadi dua inti yang lebih ringan. Pemecahan atom ini dikenal sebagai fisi nuklir.

Proses peluruhan alfa dapat dianggap sebagai jenis khusus dari fisi nuklir spontan. Proses ini menghasilkan fisi yang sangat asimetris karena empat partikel yang membentuk partikel alfa sangat terikat erat satu sama lain, membuat produksi inti ini dalam fisi sangat mungkin terjadi.

Untuk beberapa inti terberat tertentu yang menghasilkan neutron pada fisi, dan yang juga dengan mudah menyerap neutron untuk memulai fisi, dapat diperoleh jenis fisi yang diprakarsai neutron yang dapat menyala sendiri, dalam apa yang disebut reaksi berantai. [Reaksi berantai dikenal dalam kimia sebelum fisika, dan pada kenyataannya banyak proses yang sudah dikenal seperti kebakaran dan ledakan kimia adalah reaksi berantai kimia]. Reaksi berantai fisi atau "nuklir", menggunakan neutron yang dihasilkan fisi, adalah sumber energi untuk pembangkit listrik tenaga nuklir dan bom nuklir jenis fisi seperti dua bom yang digunakan Amerika Serikat terhadap Hiroshima dan Nagasaki pada akhir Perang Dunia II. Inti berat seperti uranium dan thorium dapat mengalami fisi spontan, tetapi mereka jauh lebih mungkin mengalami peluruhan oleh peluruhan alfa.

Agar reaksi berantai yang diprakarsai neutron terjadi, harus ada massa kritis elemen yang ada di ruang tertentu dalam kondisi tertentu (kondisi ini memperlambat dan melestarikan neutron untuk reaksi). Ada satu contoh yang diketahui dari reaktor fisi nuklir alami, yang aktif di dua wilayah Oklo, Gabon, Afrika, lebih dari 1,5 miliar tahun yang lalu. Pengukuran emisi neutrino alami telah menunjukkan bahwa sekitar setengah dari panas yang berasal dari inti bumi dihasilkan dari peluruhan radioaktif. Namun, tidak diketahui apakah ada yang dihasilkan dari reaksi berantai fisi.

Produksi elemen berat

Ketika alam semesta mendingin setelah big bang, akhirnya partikel-partikel yang kita kenal menjadi mungkin untuk eksis. Partikel paling umum yang tercipta dalam dentuman besar yang masih mudah kita amati saat ini adalah proton (hidrogen) dan elektron (dalam jumlah yang sama). Beberapa elemen yang lebih berat tercipta saat proton bertabrakan satu sama lain, tetapi sebagian besar elemen berat yang kita lihat saat ini tercipta di dalam bintang selama serangkaian tahap fusi, seperti rantai proton-proton, siklus CNO, dan proses triple-alpha. Unsur-unsur yang semakin berat dibuat selama evolusi bintang.

Karena energi pengikatan per nukleon memuncak di sekitar besi, energi hanya dilepaskan dalam proses fusi yang terjadi di bawah titik ini. Karena penciptaan inti yang lebih berat dengan fusi membutuhkan energi, alam menggunakan proses penangkapan neutron. Neutron (karena kurangnya muatan) mudah diserap oleh inti. Unsur-unsur berat diciptakan oleh proses penangkapan neutron yang lambat (yang disebut proses s) atau dengan proses cepat, atau r. Proses s terjadi pada bintang-bintang yang berdenyut secara termal (disebut AGB, atau bintang cabang raksasa asimptotik) dan membutuhkan waktu ratusan hingga ribuan tahun untuk mencapai elemen terberat dari timbal dan bismut. Proses r diperkirakan terjadi pada ledakan supernova karena kondisi suhu tinggi, fluks neutron tinggi, dan materi yang terlontar hadir. Kondisi bintang ini membuat penangkapan neutron berturut-turut menjadi sangat cepat, melibatkan spesies yang sangat kaya neutron yang kemudian meluruh secara beta menjadi elemen yang lebih berat, terutama pada apa yang disebut titik tunggu yang sesuai dengan nuklida yang lebih stabil dengan cangkang neutron tertutup (angka ajaib). Durasi proses r biasanya dalam kisaran beberapa detik.