Gluon, Meson Dan Lepton

Gaya nuklir kuat dibawa oleh partikel berspin 1 yang disebut Gluon. Gaya nuklir nuklir kuat mempunyai sifat asymptotic freedom, yaitu sifat quark dan gluon yang bertingkah laku seperti partikel bebas pada energi tinggi. Gluon bertanggung jawab mengikat quark-quark dalam proton dan netron yang membentuk inti atom. Gluon hanya berinteraksi dengan quark, gluon-gluon lain serta dirinya sendiri. Gaya nuklir kuat mengikat quark-quark sedemikian sehingga produk-produk gabungannya tidak memiliki warna atau 'berwarna putih'. Tiga quark dengan jumlahan warna putih terjadi pada proton dan netron. Sedangkan gabungan quark dan anti-quark yang memiliki paduan warna yang menghasilkan 'warna putih' disebut Meson. Sedangkan Meson adalah suatu jenis partikel yang mengalami interaksi atau gaya nuklir kuat (meson K dan meson phi). Lalu apakah Lepton itu? lepton adalah suatu jenis partikel yang tidak terlibat dalam interaksi atau gaya nuklir kuat. Lepton terdiri atas Muon (tau dan mu), Electron dan Neutrino. Sedangkan Muon adalah partikel elementer yang tak stabil dan bermuatan negatif yang serupa dengan elektron namun 207 kali lebih berat. Sedangkan Neutrino adalah partikel materi elementer yang sangat ringan (mungkin juga tidak bermassa diam) dan hanya terpengaruh oleh gaya nuklir lemah dan gaya gravitasi. (Sandy Setiawan-Gempita Tarian Kosmos).

Higgs Mechanism

Dalam model Weinberg-Salam-Glashow, ada sebuah partikel hipotetis yang ikut campur, yaitu partikel higgs. Ke-3 partikel higgs yang ada akan 'dimakan' oleh partikel boson vektor intermediate W+, W- dan Z0 dan kemudian akan menjadi partikel hantu. Namun partikel higgs ke-4 akan tetap terbiarkan dan semestinya dapat diamati. karena foton tidak memakan partikel higgs, maka dalam situasi normal (energi rendah), foton tidaklah bermassa diam, mekanisme inilah yang disebut dengan mekanisme higgs. (Sandy Setiawan-Gempita Tarian Kosmos).

Teori Medan (Medan Skalar Dan Medan Vektor)

Bila kita bicara tentang partikel-partikel tersebut, maka akan selalu terkait dengan apa yang disebut dengan medan. Medan adalah sesuatu yang muncul merambah ruang waktu, tidak seperti partikel yang muncul di hanya satu titik pada suatu saat, seperti halnya sebuah medan magnet. Medan skalar hanya memiliki besar saja pada setiap titik, sedangkan medan vektor memiliki besar dan arah yang diilustrasikan dengan arah panah disetiap titiknya. Dalam teori-teori medan kuantum, medan skalar hanya mempunyai 1 komponen orientasi momentum sudut dan spin, sedangkan medan vektor mempunyai 3 komponen orientasi momentum sudut dan spin. Medan skalar dipresentasikan oleh partikel berspin 0 dan medan vektor dipresentasikan oleh partikel berspin 1.

Empat Gaya Universal

Para ahli menggambarkan seluruh interaksi (gaya) yang ada dia alam ini menjadi empat gaya universal. Bila diurutkan dari yang terkuat sampai yang terlemah yaitu : gaya nuklir kuat, gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah dan gaya gravitasi. Ke empat gaya tersebut berusaha dipadukan menjadi sebuah gaya tunggal, namun upaya tersebut sangat sulit. Sampai saat ini yang telah berhasil dipadu dan telah dikonfirmasi oleh eksperimen adalah gaya listrik dan gaya magnet digabung menjadi gaya elektromagnetik oleh Maxwell. Steven Weinberg, Abdus Salam, dan Sheldon Lee Glashow memadukan gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah. Teori Weinberg-Salam melibatkan apa yang dikenal dengan "runtuh simetri spontan". Artinya, partikel yang tampak berbeda pada energi rendah akan menjadi tak terbedakan lagi pada energi tinggi. Misalnya, pada energi dibawah 100 GeV, foton akan tampak berbeda dengan partikel W+, W- dan Z, namun pada energi diatas 100 GeV, foton tidak lagi terbedakan dengan ketiga partikel tersebut.

Hal semacam ini juga ditemukan bila kita menggambarkan energi bebas terhadap magnetisasi untuk sebuah magnet batang pada suhu tinggi maupun pada suhu rendah.

Partikel Virtual Pembawa Gaya

Medan elektromagnetik disekitar sebuah elektron dapat menghasilkan foton virtual, asalkan foton itu berumur pendek dan tidak dapat pergi terlalu jauh. Berdasarkan prinsip ketidakpastian foton virtual tersebut hanya dapat bergerak sejauh setengah panjang gelombangnya sebelum terserap kembali. Foton virtual yang tidak begitu energetik akan berkeliaran lebih jauh dari elektron karena energi yang lebih kecil bersesuaian dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Hal yang analog juga terjadi pada partikel pembawa gaya lainnya. Partikel pembawa gaya yang memiliki massa (massa ekuivalen dengan energi) yang besar akan mempunyai jangkauan yang pendek. Tentu saja jangkauan gaya partikel pembawa gaya yang bermassa nol adalah tak hingga. Sekalipun secara teoretik partikel pembawa gaya ini merupakan partikel virtual, namun efeknya terukur sehingga keberadaanya tak diragukan.

Interaksi Antar Partikel Fermion

Seperti yang telah disebutkan, gaya yang terjadi antar partikel Fermion (berjenis sama atau berbeda) dibawa oleh partikel pembawa gaya yang disebut Boson. Bila dua partikel fermion berinteraksi (antar partikel boson tertentu bisa juga berinteraksi), maka itu berarti partikel-partikel fermion itu memancarkan partikel boson yang kemudian akan menumbuk partikel fermion yang lain. Proses tumbukan ini terjadi sedemikian rupa sehingga seolah-olah bekerja suatu gaya antar partikel fermion tersebut.

Prinsip Eksklusi Pauli, Fermion Dan Boson

Partikel-partikel yang kita kenal saat ini diteorikan mempunyai sifat yang disebut spin. Spin ini sangat penting dan mendasar untuk menetapkan bagaimana elektron-elektron mengatur dirinya didalam suatu atom atau partikel. Spin pada pada partikel sama sekali berbeda dengan spin pada gasing yang berputar pada porosnya. Spin pada elektron hanya memiliki dua arah saja yaitu "ke atas" atau "ke bawah" tidak pernah "ke samping" atau "miring" sekian derajat ke arah tertentu. Spin ini terkuantisasi atau bersifat diskrit seperti energi.

Semua partikel yang dikenal di alam ini diteorikan dibagi menjadi 2 kelompok besar : partikel fermion yang berspin setengah bilangan bulat (setengah bilangan bulat yang dimaksud disini adalah 1/2 kali bilangan ganjil, yaitu 1/2, 3/2, 5/2 dst) dan tunduk pada suatu aturan statistik yang disebut statistik Fermi-Dirac. Wolfgang Pauli memadukan perumusan statistik fermi-dirac dengan spin kemudian mendapatkan apa yang saat ini dikenal dengan Prinsip Eksklusi Pauli. Prinsip ini menyatakan bahwa 2 partikel fermion yang serupa tidak dapat berada dalam keadaan (state) yang sama. Artinya partikel-partikel tersebut tidak dapat memiliki posisi dan kecepatan yang sama berdasarkan limit yang diberikan oleh prinsip ketidakpastian Heissenberg. Kelompok partikel kedua yaitu Boson (partikel berspin bulat 0, 1, 2, 3, 4, dst) atau partikel pembawa gaya. Partikel boson tunduk pada aturan statistik yang dinamakan statistik Bose-Einstein. Boson tidak tunduk pada statistik Fermi-Dirac, sehingga boson bisa berkumpul dalam keadaan yang sama secara beramai-ramai.

Apakah Yang Menyusun Proton Dan Netron?

Pada tahun 1930-an dikenal 4 jenis partikel yaitu proton (bermuatan lisrik positif), netron (bermuatan listrik netral), elektron (bermuatan listrik negatif)dan foton serta dua buah gaya alamiah dasar yaitu gaya elektromagnetik dan gaya gravitasi. Susunan elektron pada tingkat energi yang berbeda akan terejawantahkan dalam sifat kimiawi yang unik dalam setiap atom atau unsur. Pada tahun 1950-an Murray Gellman dari Amerika mengatakan bahwa beberapa partikel harus tersusun dari sesuatu yang lebih kecil yang disebut dengan quark. Quark adalah partikel elementer bermuatan yang mengalami gaya nuklir kuat. Sampai saat ini dipercaya ada 6 jenis quark yang terdiri atas 3 warna yaitu merah, biru dan hijau. Dan dinyatakan dalam istilah "flavor", ke-6 flavor quark meliputi : quark up dan quark down, quark charm dan quark strange, quark top dan quark bottom. Sampai saat ini semua flavor quark ini telah dikonfirmasi keberadaannya dalam laboratorium kecuali quark top. Proton tersusun atas 2 quark up dan 1 quark down, sedangkan netron tersusun atas 2 quark down dan 1 quark up.

Energi Pada Reaksi Inti

Susunan sebuah inti dapat diubah dengan cara menembakkan partikel-partikel berenergi tinggi (misalnya neutron) ke sebuah inti sasaran. Tumbukan antara partikel-partikel berenergi tinggi dengan inti sasaran dapat mengubah inti sasaran menjadi sebuah inti baru yang berbeda dengan inti sebelumnya. Reaksi seperti ini dinamakan dengan reaksi inti, sedangkan perubahan inti yang terjadi disebut dengan perubahan inti (nucleus transmutation). Pada tahun 1919 Ernest Rutherford mengamati bahwa beberapa partikel alpha yang lewat melalui gas nitrogen diserap dan beberapa proton dipancarkan. Ia menyimpulkan bahwa inti Nitrogen telah diubah menjadi inti Oksigen. Dalam reaksi ini berlaku hukum-hukum kekekalan nomor atom, kekekalan energi, kekekalan nomor massa dan kekekalan momentum.

Energi sebelum reaksi = Energi sesudah reaksi

Energi reaktan = Energi produk + Energi reaksi

Energi reaksi = Energi reaktan - Energi produk

Reaksi Penggabungan Inti (Fusi)

Pilihan lain kita dapat menggabungkan dua inti ringan menjadi sebuah inti yang berat, sekali lagi ada energi yang akan dibebaskan jika energi ikat per-nukleon lebih besar untuk inti berat yang dibentuk dari pada untuk kedua inti ringan. Proses ini dikenal dengan reaksi fusi (penggabungan inti).

Dua buah atau lebin inti ringan dapat bergabung membentuk sebuah inti yang lebih berat. Dalam reaksi inti ini, massa inti baru lebih kecil daripada massa inti pembentuknya, selisih massa muncul sebagai energi.

Jika dua buah inti deuterium didekatkan maka gaya tolak-menolak coulomb antar proton-proton dalam inti deuterium menghalangi penggabungan inti. Untuk mengatasi gaya tolak-menolak coulomb maka inti deuterium harus digerakkan dalam kelajuan yang sangat tinggi. Kelajuan yang sangat tinggi memerlukan energi keinetik yang sangat tinggi pula, dan energi yang sangat tinggi berarti suhu yang sangat tinggi (sesuai dengan persamaan energi kinetik partikel Ek=3/2k.T). Untuk menggabungkan dua inti deuterium diperlukan suhu dalam orde diatas 1.000.000.000 kelvin. Tentu saja sangat sukar untuk membayangkan keadaan dengan suhu setinggi ini dapat diciptakan. Akan tetapi suhu setinggi ini sungguh hadir pada bagian dalam matahari dan bintang-bintang yang menghasilkan energi melalui reaksi fusi. Dengan demikian reaksi fusi lah yang menhadirkan kehidupan di planet ini. reaksi fusi yang terjadi di matahari melalui beberapa tahapan dengan hasil akhir 4 buah proton. Hasil akhir proses ini disebut dengan rantai proton-proton, adalah empat buah proton yang membentuk sebuah inti helium ditambah dengan dua positron, dua neutrino dan dua sinar gamma.

Reaksi Pembelahan Inti (Fisi)

Kita dapat memisahkan suatu inti berat menjadi dua inti yang lebih ringan, ada energi yang akan dibebaskan, karena energi ikat per-nukleon lebih besar untuk dua inti yang lebih ringan dari pada untuk inti induk yang berat. Proses ini disebut dengan reaksi fisi (pembelahan inti).

Inti berat yang ditumbuk oleh sebuah partikel dapat membelah menjadi dua inti baru yang lebih ringan. Dalam reaksi inti ini, massa total produk lebih kecil dari massa total reaktan. Selisih massa muncul sebagai energi.

Pembelahan inti pertama kali ditemukan pada tahun 1939 oleh orang Jerman yaitu, Otto Hahn, Lise Meitner, Fritz Strassman dan Otto Frisch. Mereka mendapati bahwa suatu inti Uranium membelah menjadi dua inti yang lebih ringan yang massanya tidak jauh berbeda setelah menyerap sebuah netron. Ada 2 jenis gaya yang bekerja dalam suatu inti yaitu gaya nuklir yang memegang nukleon-nukleon tetap bersatu dalam inti dan gaya tolak-menolak coulomb yang dari proton-proton dalam inti yang berusaha mengoyakkan inti. Dalam kebanyakan inti, gaya nuklir jauh lebih besar dari pada gaya tolak-menolak coulomb, tapi untuk inti yang berat ada suatu keseimbangan antara kedua gaya tersebut dan keseimbangan ini mudah diganggu.

Oleh karena pembelahan inti uranium menghasilkan rata-rata 2,5 netron, maka netron-netron ini dapat menyebabkan sederetan pembelahan inti. Tiap netron yang dibebaskan dapat diserap oleh inti uranium untuk menghasilkan pembelahan inti lainnya, yang selanjutnya menghasilkan lebih banyak pembelahan inti uranium. Pembelahan inti yang menyebabkan terjadinya pembelahan inti yang yang lain disebut dengan reaksi berantai. Dengan rata-rata energi yang dibebaskan 208 MeV per satu pembelahan inti, suatu reaksi berantai yang tak terkendali dapat menciptakan energi yang sangat besar dalam waktu yang sangat singkat.

Dengan membatasi jumlah netron yang membelah inti dalam lingkungan inti, kita dapat menciptakan suatu kondisi di mana tiap kejadian pembelahan inti hanya menyumbang sebuah netron yang akan menyebabkan pembelahan satu inti lainnya. Dengan cara ini reaksi berantai dan laju produksi energi dapat dikendalikan. Reaksi berantai yang dapat dikendalikan adalah prinsip dasar reaktor nuklir untuk memproduksi energi listrik komersial.

Energi Ikat Nukleon Dan Nomor Massa Inti

Energi ikat inti timbul akibat selisih massa antara jumlah massa nukleonnya dengan massa inti stabilnya. Jadi untuk memisahkan nukleon-nukleon dalam sebuah inti kita perlu memberikan energi, minimal sebesar energi ikatnya. Jika energi ikat total kita bagi dengan banyaknya nukleon yang dikandung sebuah atom, maka kita peroleh energi ikat per-nukleon. Kita dapat melakukan penghitungan energi ikat per-nukleon untuk berbagai atom. Energi ikat per-nukleon mulai dari nilai kecil (0 untuk proton dan netron dan 1,11 untuk Deuterium), naik ke suatu nilai maksimum untuk (62)Nikel dan kemudian turun kembali ke nilai 7,5 meV untuk inti berat. (IPA Fisika 3 SMA-Marten Kanginan).

Defek Massa Dan Energi Ikat Inti

Berdasarkan pengukuran laboratorium, massa sebuah inti atom stabil selalu lebih kecil dari total massa nukleon (proton dan netron). Lalu kemanakah hilangnya selisih massa ini? Telah anda ketahui tentang kesetaraan massa energi dalam sebuah persamaan yang dikemukakan oleh Einstein, selisih massa tersebut telah berubah menjadi energi yang bekerja untuk menjaga kestabilan inti atom tersebut. Untuk selanjutnya selisih massa di sebut dengan defek massa dan energi yang bekerja dalam inti atom disebut dengan energi ikat inti atau gaya nuklir (nuclear force).

Spektrometer Massa

Spektrometer massa adalah sebuah metode pengukuran massa atom. Atom yang akan kita ukur massanya dipanaskan atau diberi energi listrik sehingga menghasilkan ion-ion. Lalu ion -ion tersebut dipercepat dengan sebuah medan magnet. Ketika suatu bahan murni digunakan, kadang kita temukan adanya dua atau lebih tanda yang berdekatan yang muncul dalam film. Sebagai contoh bahan Neon murni meninggalkan dua tanda yang jari-jari lintasannya berhubungan dengan atom-atom bermassa 20 dan 22 amu (atomic mass unit), karena bahan neon tersebut murni dan tidak mengandung unsur lain, maka kita simpulkan bahwa pasti ada dua jenis neon yang berbeda, kedua atom Neon yang berbeda itu disebut dengan isotop. Pada kenyataanya ditemukan bahwa kebanyakan unsur-unsur disusun oleh campuran berbagai isotop dan bahwa perbedaan massa pada isotop-isotop suatu unsur disebabkan oleh jumlah netron yang berbeda. Perbedaan massa dari berbagai isotop disebabkan oleh jumlah netron yang berbeda. Selain dapat memisahkan berbagai isotop dan unsur yang berbeda, spektrometer massa juga dapat memisahkan molekul-molekul yang berbeda.

Deret Radioaktif

Seringkali suatu peluruhan isotop radioaktif menghasilkan isotop lain yang juga radioaktif. Inti anak yang radioaktif ini selanjutnya meluruh menghasilkan isotop ketiga yang juga radioaktif. Proses peluruhan radioaktif terus berlangsung sampai diperoleh isotop yang stabil.

Dalam proses peluruhan radioaktif, nomor massa (A) inti induk akan berubah dengan 4 satuan (proses peluruhan alpha) ataupun nomor massa (A) tidak berubah (proses peluruhan beta). Harga nomor massa (A) dari isotop-isotop anggota suatu peluruhan berantai berbeda dengan kelipatan 4. Dengan demikian kita harapkan ada 4 deret radioaktif yang mungkin dengan nomor massa (A) dapat dinyatakan dengan rumus 4n (deret Thorium), 4n+1 (deret Neptunium), 4n+2 (deret Uranium), 4n+3 (deret Actinium) dengan n adalah bilangan bulat.

Para ahli percaya bahwa semua nuklida yang terdapt di bumi ini dibentuk bersamaan dengan terbentuknya bumi yaitu 5.000.000.000 tahun yang lalu. Deret Neptunium mempunyai waktu paruh jauh lebih kecil dari umur bumi. Sehingga saatini unsur Np237 sudah tidak terdapat lagi di alam. Ke-3 deret radiokatif lainnya mempunyai waktu paruh yang setara dengan umur bumi, karena itu ke-3 deret ini masih hadir saat ini di bumi. (IPA Fisika 3 SMA-Marten Kanginan).

Aktivitas Radiasi

Dalam fisika, aktivitas radiasi dinyatakan dalam satuan curie. Satu curie didefinisikan sebagai banyaknya peluruhan yang dilakukan oleh 1 gram Radium dalam wakti 1 sekon. 1 curie adalah satuan aktivitas yang cukup besar, sehingga dalam praktek kita lebih sering menggunakan istilah millicurie atau microcurie.

Jika masa hidup suatu isotop radioaktif diambil sebagai waktu yang dibutuhkan agar seluruh inti yang hadir meluruh maka jelaslah bahwa masa hidup suatu isotop radioaktif dari unsur apa saja adalah tak berhingga. Maka tidaklah terlalu penting untuk membicarakan tentang masa hidup suatu isotop radioaktif, dan sebagai gantinya kita dapat menghitung waktu paruhnya. Waktu paruh adalah waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti radioaktif yang ada meluruh.