Sifat - Sifat Inti

SIFAT- SIFAT INTI

Seperti sistem yang dibangun oleh hukum Mekanika Kuantum, inti adalah suatu hal yang membingungkan dan penuh misteri, sehingga kita mengalami banyak kesulitan dalam menyusun karakteristiknya dibanding mengamati bendanya. Daftar petunjuk-petunjuk penting untuk mengkarakterisasi semua interaksi timbal-balik 50 nukleon dalam sebuah inti  dapat terdiri dari 50 atau sekitar 10⁶⁴ ketentuan yang harus dilakukan. Oleh Karena itu kita harus memilih pendekatan berbeda dan mencoba merinci semua karakteristik inti. Apakah terdapat sedikit sifat-sifat fisika yang dapat didaftar untuk memberikan deskripsi yang cukup mengenai inti ?

Untuk jangkauan yang luas, Kita dapat menggambarkan inti dengan parameter-parameter dengan nilai yang relatif kecil : jari-jari, massa, Energi ikat, momentum angular, paritas, dipole magnetik dan  momen quadrupole listrik, dan energi-energi dari keadaan yang distimulasi.  Ini merupakan sifat-sifat statis inti yang akan dibahas pada bab ini. Dibab berikutnya kita akan mendiskusikan sifat-sifat dinamis inti, termasuk Probabilitas peluruhan dan reaksi. Untuk mengerti sifat-sifat statis dan dinamis inti, syarat interaksi antara masing-masing nucleon merupakan tantangan yang berat yang dihadapi Fisikawan inti.

a.     Jari – Jari Inti

Seperti jari-jari atom, jari-jari inti bukan sebuah kuantitas yang didefenisikan dengan tepat. Baik atom maupun inti bukan merupakan bola pejal dengan batas yang curam. Potensial Coulumb yang mengikat atom dan  distribusi muatan listrik  yang  tak terbatas, walaupun demikian  keduanya menjadi sangat kecil pada  jarak yang jauh dari inti atom (10^-10 m). yang dibutuhkan adalah defenisi operasional nilai jari-jari atom. Sebagai contoh kita bisa saja mendefenisikan jari-jari atom dari rata-rata jari-jari yang paling besar dari beragam keadaan populasi elektron dalam sebuah atom. Seperti sebuah sifat yang amat sulit untuk diukur, dan sangat banyak defenisi praktis yang digunakan. Seperti ruang antara atom-atom dalam senyawa ion yang terdiri dari atom-atom yang diperhatikan. Ini hanya beberapa kesulitan jika kita mendapatkan jari-jari yang berbeda untuk atom ketika berada dalam sebuah senyawa yang berbeda atau valensi yang berbeda.

Untuk inti, lebih baik dalam beberapa aspek dan lebih buruk dalam beberapa hal. Seperti yang  akan kita bahas,  kerapatan nukleon dan potensial inti yang mempunyai kebergantungan ruang yang sama, relatif konstan di jarak yang dekat yang turun secara tajam menuju nol. Oleh karena itu secara relatif wajar mengkarakterisasi bentuk inti kedalam dua parameter: Rata-rata jari-jari, dimana kerapatannya setengah dari nilai pusatnya, dan “ketebalan kulit” yang kerapatannya turun dari maksimum ke minimum.

a.     Distribusi Muatan Inti

Masalah yang kita hadapi adalah kesulitan menentukan distribusi apa yang digambarkan. Jari-jari yang kita ukur bergantung pada jenis eksperimen yang kita lakukan untuk mengukur bentuk inti. Dalam beberapa eksperimen seperti hamburan electron berenergi tinggi, Muonic sinar X, pengalihan optic dan Isotop sinar X, dan perbedaan energi dari refleksi inti, kita mengukur hubungan Coulomb dari pergantian partikel dengan inti. Eksperimen-eksperimen ini dapat menentukan Distribusi muatan inti  (terutama distribusi proton, tetapi juga melibatkan distribusi neutron, karena struktur internalnya). Dalam percobaan lain seperti hamburan Rutherford, Peluruhan, dan Pion sinar X, kita mengukur interaksi inti yang kuat dari dari partikel-paertikel inti, dan kita menetukan distribusi nucleon, dan biasa disebut Distribusi Materi Inti.

Metode  umum yang kita gunakan untuk menetukan ukuran dan bentuk sebuah objek adalah meneliti radiasi yang dipancarkannya. Untuk melihat objek dan bagian-bagiannya, panjang gelombang radiasi harus lebih kecil daripada dimensi objek tersebut. Jika tidak demikian maka efek dari difrakasi akan membuat gambar kabur sebagian atau keseluruhan. Untuk inti dengan diameter sekitar 10 fm, kita membutuhkan λ ≤ 10 fm, sama halnya dengan p ≤ 10 MeV/c. Berkas electron dengan energi 100 MeV sampai 1 GeV dapat dihasilkan dari pemercepat berenergi tinggi, seperti Pemercepat Linear Stanford, dan dapat dianalisis dengan Spektrometer yang teliti untuk memilih electron-elektron dengan hamburan elastis dari inti target yang dipilih. Gambar 3.1 memperlihatkan sebuah contoh hasil eksperimen . Minimum pertama dari difraksi dapat terlihat jelas; untuk difraksi piringan bundar berdiameter D. Minimum pertama muncul pada θ = sin^-1(1,22 λ/D) dan hasilnya ditaksir jari-jari inti yaitu 2,6 fm untuk ¹⁶O dan 2,3 fm untuk ¹²C. Bagaimapun ini hanya taksiran kasar karena hamburan potensial adalah masalah tiga dimensi, hanyalah pendekatan yang berhubungan dengan difraksi piringan dua dimensi.

Gambar 3.2 menunjukkan hasil pemancaran elastic dari sebuah gelombnag inti ²⁰⁸Pb, Beberapa difraksi minimal dapat dilihat dan ini tidak sampai  nol seperti difraksi minimal cahaya yang mengenai sebuah piringan buram, karena inti tidak mempunyai batas yang jelas.

Fungsi gelombang elektron dalam bentuk e^iki.r, khusus untuk partikel bebas momentum pi  =hki. Pancaran elektron dapat juga dipandang sebagai partikel bebas momentum pi =hki dan fungsi gelombang e^iki.r. Hubungan V(r) mengubah gelombang awal masuk kepancaran gelombang yang berdasarkan persamaan 2.80

F (ki, kt) =    (3.1)

F(q) = e^iki.r V(r) dv   (3.2)

Terpisah dari kontanta normalisasi dengan syarat bahwa F(0) = 1. Disini q = ki – kt yang pada dasarnya perubahan momentum yang dipancarkan oleh elektron. Interaksi V(r) bergantung pada kerapatan muatan inti Ze  , dimana r’ adalah koordinat yang menggambarkan sebuah inti dalam volume inti dan  memberikan distribusi pada muatan inti. Ini ditunjukkan pada gambar 3.3, sebuah elektron berada di r memiliki energy potensial yang disebabkan oleh elemen muatan dQ di r’.

           

             (3.3)

b.      PENYEBARAN MATERI .INTI

Eksperimen yang melibatkan gaya inti  antara dua inti atom selalu  memberikan ukuran jari-jari inti. Penentuan variasi gaya antara inti memungkinkan perhitungan jari-jari inti.  Dalam kasus ini jari-jari merupakan karakteristik dari inti, juga gaya Coulomb; karena itu jari-jari ini mencerminkan distribusi semua nukleon dalam suatu inti, bukan hanya proton.

Metode ketiga untuk menentukan jari-jari masalah nuklir adalah pengukuran energi Mesić π-sinar-X. Metode ini sangat mirip dengan sinar-X muonic  yang dibahas di atas untuk mengukur jari-jari inti. Perbedaan antara dua teknik hasil dari perbedaan antara muons dan π meson: yang muons berinteraksi dengan inti melalui gaya Coulomb, sedangkan meson π berinteraksi dengan inti hingga nuklir dan gaya coulomb. Seperti muons, muatan negatif meson π berjenjang melalui elektron seperti mengorbit dan memancarkan foton dikenal sebagai Mesić π-sinar-X. Ketika fungsi gelombang meson π mulai tumpang tindih dengan inti, tingkat energinya  agak bergeser dari nilai-nilai yang dihitung yang hanya menggunakan interaksi Coulomb. Selain itu, π meson dapat langsung diserap ke dalam inti, terutama dari bagian dalam orbit; sehingga terdapat lebih sedikit sinar X. Nilai dari π meson memberikan cara lain untuk menentukan jari-jari inti.

c.       MASSA DAN KELIMPAHAN INTI

Dalam apendix C adalah suatu tabel nilai-nilai yang terukur dari massa dan kelimpahan atom netral berbagai inti radioaktif stabil. Sekalipun kita harus meneliti kesetimbangan energy di dalam reaksi inti dan kerusakan yang menggunakan massa inti, itu adalah biasa untuk menyusun menjadi mungkin oleh karena itu diperlukan untuk mengoreksi massa dan energi ikat elektron.

      Ketika kita memeriksa lebih dalam ke dalam unsur pokok penyusun materi berarti energi ikat menjadi semakin besar jika dibandingkan dengan sisanya energi sistem yang terikat itu. Pada atom hidrogen, energi ikat 13,6 eV yang mendasari hanya 1,4 x10^-8 dari total energy diam atom. secara sederhana inti, seperti deuterium, energi ikatnya 2,2 Mev adalah 1,2x10^-3 dari massa total energy. Deuteron secara relatif dengan energy ikat lemah dan jumlah nomor inti demikian adalah rendah dibandingkan dengan inti khas di mana pecahan akan lebih besar dari 8x10^-3. Namun pada suatu  tingkatan lebih dalam, tiga elektron raksasa menyusun suatu neclueon. Massa elektron yang dikenal ( tidak ada elektron bebas yang telah ditetapkan secara eksperimen dan elektron tidak mungkin diijinkan untuk ada dalam keadaan bebas), tetapi memungkinkan bahwa mereka mungkin lebih besar dari 100 Gev/C². Jika demikian, energi ikat  suatu nukleon akan menjadi suatu pecahan lebih besar dari 0,99 massa total electron. 3 elektron dari total  energy diam mungkin memiliki 300 Gev berkombinasi untuk menghasilkan suatu nukleon energy diam 1GeV!

Maka tidak mungkin untuk memisahkan suatu pembicaraan massa inti dari energi ikat inti; jika demikian, inti akan mempunyai massa yang diberikan oleh Zm_p +  Zm_n, dan inti materi akan menjadi susah dipelajari . Pada bagian ini, pengukuran massa inti menduduki  tempat yang sangat penting dalam pengembangan fisika inti. Spektrometri massa adalah teknik yang pertama yang tersedia untuk mengadakan percobaan dengan ketepatan tinggi, dan sejak itu, massa suatu inti meningkat dengan penambahan satuan ion positif atau netron, pengukuran massa memungkinkan untuk memetakan  keseluruhan radio isotop. Pada  bagian ini, kita membatasi masalah pada penentuan massa inti yang bersifat percobaan, perlakukan inti sebagai obyek sederhana dengan tidak ada struktur internal. Pada bagian yang berikutnya, kita meneliti massa yang terukur untuk menentukan energi ikat itu. Pada abad ke-19, pengukuran atomis berat rata-rata atom mendorong  pertentangan di dalam table skala periodik atom seperti misordering unsur kobalt dan nikel, unsure kobalt menjadi lebih berat tetapi nikel terdahulu di dalam system periodik berat atom tidak berdasar pada nomor atom. Dengan sama pentingnya, tidak ada pemahaman struktur inti dapat sukses kecuali jika kita dapat menjelaskan variasi itu dalam inti dari satu isotop ke isotop yang lain untuk penyelidikan yang bersifat percobaan. Menentukan massa inti dan kelimpahan relatif adalah contoh yang biasa, yang genap untuk suatu unsur yang murni mungkin adalah campuran dari suatu isotop yang berbeda , kita harus mempunyai suatu cara untuk memisahkan isotop itu satu sama lain dari massa mereka. Pemisahan isotop tidak memerlukan suatu instrumen besar dengan isotop sensitivitas tinggi dengan perantara berat inti yang berbeda massanya sekitar 1%. Untuk mengukur massa dengan ketelitian  hingga orde 10^-6 memerlukan instrumen yang lebih sempurna dan jauh lebih besar, yang dikenal dengan spektroskop massa.

d.      ENERGI IKAT INTI

Massa energi m_Nc² dari sebuah inti tertentu adalah massa energi atom m_Ac² dikurang massa energi total dari elektron Z ditambah total energi ikat elektronik :

(3.3)

dimana B_i adalah energi ikat dari elektron i. Energi ikat elektronik berkisar antara 10-100 keV pada atom padat sementara massa energi atom adalah A x 1000 MeV; karena itu ketelitian sekitar 1 bagian dalam 10⁶ kita dapat mengabaikan bagian akhir dari persamaan 3.23. (Seperti halnya ketelitian 10^-6 tidak mempengaruhi pengukuran dalam fisika inti karena kita biasanya bekerja dengan perbedaan dalam massa energi, seperti dalam menentukan kerusakan atau energi reaksi; efek dari energi ikat elektron cenderung diabaikan dalam perbedaan ini)

energi ikat B dari inti adalah selisih massa energi antara sebuah inti  dan unsur proton Z dan neutron N :

                              B = {Zm_P + Nm_n – [m(^AX) - Zm_C]}c²          (3.4)

Dimana kita harus menghilangkan tulisan A dari m_A dari sekarang, kecuali kita menafsirkan sebaliknya, kita akan selalu berurusan dengan massa atom.

Mengelompokkan proton Z dan massa elektron ke dalam atom hidrogen netral Z, kita dapat menulis ulang persamaan 3.24 menjadi

B = [Zm(¹H) + Nm_n – m(^AX)]c²               (3.5)

e.       MOMENTUM ANGGULAR INTI DAN KESEIMBANGAN

                  Untuk menghindari kesalahan,  kita  akan selalu menggunakan  I untuk  menyimbolkan putaran inti. Dan j digunakan untuk mewakili momentum sudut total  pada inti tunggal. Dalam sebuah  kotak partikel valensi tunggal, I=j. Dalam kasus lain ,ini mungkin dianggap  dua partikel valensi, dalam hal ini I = j₁ + j₂  dan mungkin akan ada perbedaan nilai resultan. Kadang –kadang pada partikel ganjil , inti berperan sebagai momentum sudut, dimana I = j_partikel + j_core.

      Satu pengecualian jika kemungkinan ada komponen  z pada momentum sudut  total dengan inti tunggal, setiap j harus setengah integral ( ½,3/2,5/2,…) dan komponen z juga harus setengah integral ( 1/2h,3/2h,5/2h,…). Jika  kita  mempunyai sejumlah inti, akan ada komponen  yang jumlahnya setengah integral,dengan z  adalah komponen total  I  dapat mengambil nilai integral dengan I bersifat integer.jika bilangan inti adalah ganjil,komponen z setengah integral begitupun I, kita harus mengikuti aturan beerikut :

                                          inti A – ganjil :                 I = setengah integral

                                          inti A – genap:                 I = integral

      Persamaan yang dipakai untuk putaran inti, kita dapat mengambil + ( genap) or – ( ganjil). Jika kita mengetahui fungsi dari gelombang inti, kita dapat menentukan persamaan inti dengan mengalikan partikel dari setiap inti A. dengan hasil akhir    yang  + atau - . = ₁₂…._A. Akan tetapi, persamaan ini tidak dapat digunakan untuk setiap inti. Seperti halnya I, kita memasang persamaan   sebagai suatu “ kelebihan” putaran inti, sebagai contoh o⁺,2^-,1/2^-,5/2⁺,dimana tidak ada hubungan antara  I dan  ; untuk semua I ,memiliki =    + atau  = -.

f.       MOMEN ELEKTROMAGNETIK  INTI

Benyak yang kita ketahui tentang struktur inti berasal dari interaksi inti yang kuat dari inti dengan sekelilingnya, tapi banyak interaksi elektromagnetik yang lemah. Itu berarti interaksi inti yang kuat membangun penyaluran dan gerakan nucleon dalam inti dan kita menyelidiki tentang penyaluran dengan interaksi elektromagnetik. Dalam kegiatannya, kita dapat menggunakan daerah elektromagnetik yang kuran akibatnya pada gerak nucleon menjadi gaya yang kuat dari lingkungan inti; demikian kita mengukur tidak serius mengubah objek dan kita mencoba untuk mengukur lagi.

Banyak penyaluran dari muatan dan arus listrik menghasilkan medan listrik dan medan magnet yang berubah terhadap jarak dengan cara yang khas. Distribusi medan  dan arus sebuah momen elektromagnetik multipole bergantung pada karakteristik ruang  -1/r² medan listrik timbul dari muatan jala-jala dimana kita sebut sebagai yang kenol atau momen monopole; 1/r³ medan listrik muncul dari yang pertama atau momen dipole1/r⁴ munculnya medan listrik yang kedua atau momen quadrapole, dan selanjutnya. Moment multikutub magnetik berlaku sama dengan kebalikan moment tunggal. Seperti yang kita ketahui kutub tunggal magnetik lainnya tidak ada atau jarang, da medan magnet tunggal ini (α1/r²) tidak terkontribusi. Teori elektromagnet memberikan cara untuk mengkalkulasikan variasi elektrik dan moment dwi kutub magnet, dan dengan solusi yang sama dapat member pedoman inti yang menggunakan mekanika kuantum. Dengan mengacak momen multikutub dalam bentuk operasi dan perhitungannya mendekati nilai dari variasi nilai inti. Pendekatan nilai ini kemudian dapat secara langsung dibandingkan dengan nilai eksperimen yang kita ukur d la. Hal yang paling sederhana adalah memberikan arus pada medan kutub rangkap. Muatan pada suatu kutub lebih cepat menghilang dibandingkan medan magnet dua kutub (dengan gerakan inti yang tetap), dan struktur inti akan didapatkan. Maka biasanya untuk mengetahui sifat terkecil dari sebuah momentum multi kutub diperlukan sifat elektromagnetik inti.

g.      KEADAAN INTI TEREKSITASI

Ketika kita belajar sekitar atom dengan belajar keadaan teralan mereka, kita pelajari tiap bagian struktur nuklir dari keadaan teralan nuklir. ( dan seperti keadaan teralan yang atomis, keadaan teralan yang nuklir adalah tidak stabil dan cepat rata dengan tanah). Dalam atom, kita membuat keadaan teralan dengan menggerakkan elektron tunggal ke garis edar energi yang lebih tinggi, dan kita dapat melakukan hal yang sama untuk nucleon tunggal, dengan begitu keadaan teralan dapat mengungkapkan tentang sesuatu garis edar dari nucleon tunggal. kita telah beberapa kali  di bab ini menunjukkan struktur komplementer partikel tunggal dan yang kolektif dari nucleus, dalam hal ini kita juga dapat menghasilkan keadaan teralan dengan menambahkan energi yang besar dari nucleon yang dipasangkan. energi ini dapat memberikan bentuk dari rotasi kolektif atau getaran dari keseluruhan inti, atau itu bisa menyebabkan retakan salah satu dari pasangan, dan dapat menambahkan dua nucleon valensi.

                                             Gambar 3.1

Suatu bagian yang dapat menembus spektroskopi nuklir  digunakan untuk mengamati keadaan teralan yang mungkin terjadi dan sekaligus untuk mengukur. teknik yang bersifat percobaan yang tersedia meliputi bermacam-macam studi reaksi nuklir dan pelapukan radioaktif. kita akan mempertimbangkan secara detil di bagian yang berikut. di antara muatan, kita perlu mengukur keadaan teralan masing-masing bagian, seperti: energi dari eksitasi, spin, momen dwikutub magnetik, dan momen caturkutub elektrik. dengan lebih dari 1000 nuklida tunggal, masing-masing nuklida tersebut mungkin mempunyai beratus-ratus keadaan teralan, kegiatan mengukur, menyusun tabel, dan menginterpretasikan data yang hampir berlimpah.

Gambar 3.1 menunjukkan rencana sederhana nuklir. beberapa dari keadaan teralan dikenali ketika memulai dari eksitasi dari nucleon valensi atau inti, identifikasi seperti (itu) yang terjadi hanya setelah muatan yang didaftarkan di atas telah terukur dan telah dibandingkan dari kalkulasi yang didasarkan pada salah satu partikel  tunggal atau eksitasi inti yang kolektif, dan baik dengan menggunakan eksperimen. di bab yang berikut, kita akan menyelidiki teknik yang bersifat percobaan yang digunakan untuk menyadap model nuklir dan informasi ini juga digunakan untuk menginterpretasikannya. hanya melalui eksperimen sulit dan tepat, dan melalui kalkulasi yang menyertakan keahlian komputer, kita dapat memperoleh struktur nuklir yang terperinci.