1

I. Pendahuluan

Fisika dapat dibagi dengan dua bagian utama: (a) fisika makroskopik yang

berhubungan dengan fenomena terlihat dengan mata telanjang dan (b) fisika

makroskopik yang berhubungan dengan studi fisika atom dan fisika inti. Hukum

yang mengatur fisika maroskopik telah di pahami dengan baik jauh sebelum awal.

Pemahaman umum fenomena skala atom, bagaimanapun, telah di kembangkan

sejak 1913, untuk memperluas prediksi yang pasti dapat dibuat tentang banyak

hasil percobaan. Belum benar di bidang fisika inti.

Permulaan fisika inti berlangsung dengan penemuan radioaktif oleh H.

Becquerel pada 1896, tetapi pada 1911, ketika E. Rutherford mengajukan

hipotesis inti-atom, bahwa sebuah studi yang signifikan dimulai. Sejak 1911

banyak ilmuwan menyelidiki banyak aspek inti. Hasilnya, meskipun mendorong,

masih jauh dari sempurna. Aspek inti telah dipelajari begitu banyak dan secara

kompleks terkait bahwa itu adalah tugas berat bahkan daftar mereka dalam urutan.

Sebuah divisi dewan penelitian fisika inti mungkin dibuat kedalam topik berikut.

(i) Mempelajari bentuk, berat dan konstituen nukleus.

(ii) Perumusan hukum yang mengatur jenis-jenis radiasi yang diberikan

oleh nuklei yang berbeda dalam keadaan yang berbeda dan interaksi

radiasi ini dengan materi.

(iii) Mempelajari susunan konstituen didalam nukleus.

(iv) Mempelajari gaya inti yang memegang komponen nukleus bersama.

Pembagian ini adalah buatan. Topik ini saling berhubungan dan tumpang

tindih sampai batas yang tidak mungkin untuk menyelidiki satupun secara

mandiri. Untuk alasan ini kita dapat mempelajari topik ini dalam urutan yang

tampaknya nyaman dan alami untuk di ikuti.

Dalam urutan untuk mengikuti pelajaran eksperimen dan aspek teoritis

fisika inti, ini penting untuk dikenak dengan peralatan deteksi radiasi yang

digunakan di eksperimen yang berbeda dan struktur matematika perlu dipelajari

untuk mengerti dan membangun teori. Disamping pengetahuan matematika dasar,

yang akan sering kita gunakan, ini penting untuk mengerti prinsip dasar dari

mekanika gelombang (atau mekanika kuantum) dan kerelatifannya. Hukum klasik

mekanika harus dimodifikasi dalam urutan untuk mengerti kelakuan partikel di

2

domain mikroskop, yang melibatkan massa kecil dan kecepatan tinggi. Ketika

berurusan dengan massa kecil, gunakan untuk membuat mekanika gelombang,

yang memprediksi kelakuan dari partikel ini dalam hal probabilitas. Masih

penyempuurnaan lain, koreksi relativistik, penting ketika partikel ini memiliki

kecepatan mendekati kecepatan cahaya.

Postulat dasar dan outline mekanika gelombang sampai batas dibutuhkan

di mata kuliah ini diringkas dalam Appendix A, kettika hasil teori khusus

relativitas dinyatakan dalam Appendix B. Ini diharapkan siswa mengenal dengan

topic ini. Detector radiasi umumnya digunakan dalam kerja eksperimen di fisika

inti akan didiskusikan secara detail di Bab 3.

Tujuan bab ini ajan mendiskusikan secara detail keadaan yang

menyebabkan pembentukan mode nukleus proton-neutron.

II. Inti atom

Pada tahun 1808, Dalton mengemukakan teori atomnya yang tidak terbukti

sepenuhnya benar. Namun, batu loncatan dalam penyelidikan ini medan yang

sangat luas dari atom. Sehingga akhir 1897 atom telah dianggap menjadi unit

terpisah, tetapi penemuan elektron oleh J.J Thompson pada waktu itu

menimbulkan spekulasi bahwa atom dapat terdiri dari muatan positif dan muatan

negatif. Karena atom secara keseluruhan adalah netral, itu dapat diasumsikan

untuk mengandung banyak muatan positif sebanyak muatan negatif. Massa

elektron yang ditemukan sangat kecil. Ini jelas, oleh karena itu, proton, partikel

bermuatan positif, merupakan bagian utama dari massa atom. Sesuai dengan

model atom Thomson, elektron dan proton membentuk sepasang netral, seluruh

atom menjadi campuran dari pasangan tersebut. Atom itu terdiri dari proton dan

elektron masih dikonfirmasi lebih lanjut oleh penemuan radioaktif oleh Becquerel

pada 1896. Becquerel mengamati partikel bermuatan positif dan negatif yang

diberikan oleh atom.

Model atom Thompson tetap tidak berlaku untuk sangat lama. Konflik

muncul pada 1909, ketika H. Geiger dan E. Marsden melakukan percobaan pada

hamburan partikel alfa dengan foil logam tipis. (partikel alfa memiliki massa

3

empat unit massa atom dan unit dua muatan positif.) Disamping model

Thompson. Telah dikalkulasikan bahwa partikel alfa akan tersebar melalui sudut

kecil. Geiger dan Marsden menemukan bahwa partikel alfa yang terbanyak

menembus foil dan mengalami defleksi yang sangat kecil, tetapi dalam salah satu

dari sekitar 10.000 peristiwa, partikel tersebar di arah mundur. Tidak ada cara

yang jelas untuk menjelaskan kejadian langka ini. Partikel alfa, yang memiliki

massa kira-kira 7.300 kali massa elektron, tidak bisa bertabrakan dengan partikel

cahaya dan memantul. Selain itu, karena foil sangat tipis, defleksi besar tidak bisa

menghasilkan dari beberapa tabrakan alfa-elektron.

Yang paling sesuai dan penjelasan memuaskan telah diberikan oleh

Rutherford pada 1911 dan itu menyebabkan konsep inti atom. Dia berasumsi

bahwa sebagian besar massa dan muatan positif atom telah terkonsentrasi dalam

volume yang sangat kecil yang disebut nukleus, dimana sisa ruang dalam atom itu

hampir kosong. Ini menjadi mungkin, jadi, untuk menjelaskan penghamburan

partikel alfa dengan sudut besar. Hasil percobaan hamburan yang sama oleh

Rutherford dan rekannya menunjukkan bahwa jari-jari nukleus adalah 10-13

sampai 10-12

cm dibandingkan dengan 10-8

cm untuk jari-jari atom. Meskipun

teori nukleus ini tidak lengkap dengan cara apapun, itu memiliki konsekuensi

yang jauh dari jangkauannya.

III. Model inti proton-elektron

Sebelum penemuan neutron oleh J. Chadwick pada 1932, secara umum

diasumsikan bahwa nukleus telah tersusun proton dan diperlukan jumlah elektron

untuk memberikan muatan dan massa yang tepat. Atom telah diduga terdiri dari

nukleus, dengan proton A dan elektron A – Z, dengan muatan positif, Z, dan

nukleus telah diasumsikan untuk dikelilingi oleh elekttron Z untuk membentuk

atom netral. Teroi atom ini terlihat lebih menjanjikan daripada lainnya karena

emisi diamati partikel alfa dan partikel beta (perpindahan elektron yang cepat)

yang seharusnya diemisikan dari nukleus.

4

Model atom proton – elektron ini tidak bertahan karena gagal untuk

dijelaskan fakta - fakta percobaan baru yang kemudian datang ke dalam

keberadaan. Beberapanya telah didiskusikan.

A. Momentum sudut inti

Penemuan momentum sudut terkait dengan inti dibuka area baru percobaan.

Karena pengembangan spektroskopi resolusi tinggi, sudah ditemukan garis

spektral yang tampak menjadi singlet sebenarnya sangat kompleks. Resolusi

buruk spektroskopi, contohnya, ditunjukkan transisi 3P→3S dalam sodium

sebagai singlet. Kekuatan menyelesaikan moderat spektroskopis, menunjukkan

sifat doublet transisi ditemukan karena elekrton yang berputar. Ini merupakan

garis D sodium yang terkenal dank arena transisi 3P1/2 1/2→3S1/2. Pelajaran lebih

lanjut tentang garis spektrum dengan spektroskopi resolusi tinggi mengungkapkan

banyak level baru, yang dekat satu sama lain. Level ini memiliki perbedaan energi

~ 10-5

transisi utama. Spektrum tipe ini disebut struktur hyperfine dan dapat

dikaitkandengan (i) adanya isotope dalam elemen (ii) momentum sudut inti.

Mari kita mempertimbangkan efek isotope (elemen-elemen memiliki

jumlah atomic yang sama, Z, tetapi jumlah massa berbeda, A) jika elemen yang

diberikan tidak memiliki isotope, kemudian rumus untuk jumlah gelombang

transisi dalam hydrogen seperti atom diberikan oleh

(

) (1.1)

Dimana λ adalah panjang gelombang terkait dengan hasil trannsisi dari loncatan

elektron dari level awal, , sampai level akhir, , adalah konstanta Rydberg

diberikan oleh

(1.2)

Dimana adalah konstanta Rydberg jika inti diasumsikan

memiliki massa tak terbatas, m adalah massa elektron, dan M adalah massa inti.

5

Jika elemen yang diberikan memiliki dua isotop atau lebih, kemudian

akan berbeda untuk setiap isotope. Contohnya, mempertimbangkan kasus elemen

memiliki dua isotop stabil seperti lithium: A=6 dan 7 dan Z=3. Ini akan

menghasilkan dua konstanta

(1.3)

Untuk dua isotope. Dari persamaan (1.3) kita dapatkan

(1.4a)

(1.4b)

kecil, dan m sangat kecil dibandingkan dengan atau , oleh karena itu,

juga sangat kecil. Hasil ini dalam dua transisi sesuai dengan panjang

gelombang merupakan nilai lainnya yang sangat kecil. Garis singlet,

karenanya, menjadi doublet yang dekat karena adanya dua isotope. Efek isootop

dalam garis spektral telah diamati dalam banyak elemen-elemen dengan

membantu spektroskopi resolusi tinggi.

Garis spektral struktur hyperline tidak dapat dijelaskan dalam semua kasus oleh

efek isotope. Banyak elemen memiliki isotope tunggal juga menunjukkan struktur

isotope, contoh yang Bismuth. Pertentangan ini telah di selesaikan dengan

mengasumsikan bahwa inti, seperti elektron, memiliki momentum sudut.

Besarnya momentum sudut inti, menurut mekanika gelombang, diberikan oleh

, dimana

(1.5)

h merupakan konstanta Planck, dan I, integer atau setengah integer, merupakan

inti berputar. Nama “inti berputar” untuk I sebenarnya keliru, karena total

momentum sudut inti seharusnya menjadi penjumlahan vector momentum sudut

orbital dan momentum sudut berputar partikel didalam inti. I merupakan nomor

inti kuantum khas, dan nilai maksimum komponen momentum sudut dalam

6

berbagai arah adalah Ih. Perbedaan nuklei serta perbedaan isotop elemen yang

sama dapat memiliki perbedaan nilai untuk I. seperti atom, nuklei juga dapat ada

di dalam keadaan kuantum. Vektor momentum sudut inti juga menunjukkan ruang

kuantisasi, yaitu, ketika inti dengan putaran I diletakkan di luar medan magnet,

dapat mengambil perbedaan orientasi (2I+1). Orientasi-orientasi yang sedemikian

rupa sehingga vektor momentum sudut di proyeksikan pada arah medan magnet

memiliki satu dari nilai berikut (dalam unit h)

I, I-1, I-2, I-3, …, - (I-2), - (I-1), -I (1.6)

Vektor momentum sudut inti I menambah momentum vektor sebesar sudut J dari

elektron dalam atom, untuk memberikan hasil momentum vektor sudut, F;

F=J+I (1.7)

Gambar 1.1 (a) Vektor F

(ingat bahwa semua vektor ditunjukkan pada huruf tebal.) Jika nilai I dan J

diketahui, kemudian kita dapat menemukan semua kemungkinan nilai F yang

dihasilkan dari kombinasi J dan I (Gambar 1a) dan kemudian kita dapat

memprediksi jumlah kemungkinan transisi antara keadaann berbeda. (Seleksi

aturan untuk F adalah sama dengan yang untuk J, yaitu ∆J=0, ±1 di izinkan, 0→0

tidak di izinkan.) Dalam kenyataannya prosedur kebalikan di adopsi. Dengan

menghitung jumlah garis, yang akan sama dengan 2I+1 jika I<J dan sama dengan

2J+1 jika J<1, dan mengetahui nilai J, ini mungkin untuk memprediksi nilai

putaran nuclei, I. disamping metode ini menghitung garis struktur hyperfine,

metode lainnya telah dikembangkan untuk mendapatkan I. hasil dari ketetapan ini

menunjukkan hubungan yang sangat dekat dengan I dan Jumlah massa, A, inti.

Hubungan menyiratkan aturan dibawah ini:

7

Inti dengan jumlah massa ganjil memiliki putaran half-integral, dan dengan

jumlah massa genap memiliki nol atau putaran integral, yaitu,

Untuk ganjil A, I=

Untuk genap A, I = 0, 1, 2, 3, 4, …,

Inti genap-genap (inti dengan jumlah genap proton dan jumlah genap neutron)

memiliki nol putaran. Khususnya, putaran proton adalah ½ , yang mana sama

sepeti elektron.

Hasil percobaan yang diberikan diatas mengarah ke salah satu kegagalan

dari hipotesis proton – elektron. Mempertimbangkan kasus, contohnya, 7N14

yang

memiliki nomor massa A=14 dan nomor atom Z=7. Menurut hipotesis proton –

elektron, 7N14

inti memiliki 14 proton dan 7 elektron untuk total 21 partikel.

Karena elektron dan proton masing-masing memiliki putaran ½ , 7N14

inti harus

memiliki putaran ganjil half-integral, tetapi secara percobaan ditemukan untuk

memiliki putaran integral (I=1). Putaran di asumsikan oleh hipotesis proton –

elektron model inti, karenanya, bertentangan keadaan aturan. Ada banyak isotope

yang menunjukkan pertentangan ini. Beberapa isotope, contohnya, Cd (Z=48) dan

Pb (Z=82) memiliki nomor massa ganjil, dan menurut aturan diatas, inti ini harus

nol atau putaran integral; secara perccobaan mereka menemukan putaran ganjil

half-integral.

B. Momen Magnetik

kita ketahui dari spectra atomic bahwa rotasi elektron dengan momentum sudut 1ħ

hasil dalam momen magnetik 1 Bohr magneton. Momen magnetik unit ini karena

orbital elektron atom, μB, diberikan oleh

(1.8)

Dimana e adalah muatan elektron, adalah massa elektron, dan, c adalah

kecepatan cahaya.

8

Karena semua inti memiliki muatan bersih, dan jika putaran I tidak nol, gerakan

muatan partikel di dalam inti harus menghasilkan momen magnetik tentang inti.

Jika distribusi muatan inti diasumsikan menjadi simetris bola, kemudian hasilnya

menjadi momen dipole. Untuk sementara, kita akan asumsikan bahwa inti

memiliki distribusi muatan simetris bola. Teori yang sama bisa diasumsikan sah

untuk proton seperti yang untuk elektron.

Proton, yang massanya adalah 1836 kali dari elektron, akan memiliki

momen manetik dari urutan,

(1.9)

Dimana adalah massa proton, adalah magneton inti, unit ini digunakan

untuk mengekspresikan momen magnetik inti. Nilai pengukuran sebenarnya

momen magnetik inti jauh lebih kecil daripada momen magnetik elektron. Nilai

yang diamati untuk proton, contohnya, adalah +2.79353 yangmana lebih kecil

daripada magneton Bohr. Jika elektron di dalam inti, kemudian momen

magnetiknya, yang dalam kisaran magneton Bohr, telah diamati dalam percobaan.

Nilai yang diukur momen magnetik inti selalu memiliki urutan yang mana

sangat kecil untuk mengizinkan elektron berada di inti.

Karena nilai adalah kecil, interaksi antara inti dan elektron juga kecil.

Ini merupakan alas an untuk pemisahan sangat kecil dalam struktus hyperfine

garis spektral. Sebenarnya, nilai dapat dikalkulasikan dari pemisahan yang

diamati pada komponen struktur hyperfine.

Momen magnetik inti yang diberikan adalah

√

(1.10a)

Dimana merupakan factor inti g dan, tidak seperti factor atomik Lande g,

secara lengkap tidak dapat diprediksikan karena kurangnya pengetahuan tipe

pasangan partikel didalam nukleus. Perbandingan momen magnetik inti, , dalam

hal magneton inti, ke momentum sudut inti, dalam unit h, disebut perbandingan

gyromagnetik, , dan

9

(1.10b)

Dibawah pengaruh medan magnet eksternal, muatan dalam energi, U,

diberikan oleh

(1.11a)

Dimana H merupakan medan bertindak di tengah nukleus dan merupakan sudut

antara dan H, didefinisikan oleh Gambar 1.1b

(1.11b)

Ketika persamaan (1.10a) dan persamaan (1.11a) didapatkan, kita dapatkan

√

(1.12)

Tetapi

√ (1.13a)

Dimana

(1.13b)

diperkenalkan karena I merupakan ruang terkuantisasi pada medan magnet

luar dan disebut jumlah putaran kuantum magnetik (Gambar 1.1c). Oleh karena

itu

(1.14)

Secara percobaan, kita mengukur nilai rata-rata, atau nilai harap, momen

magnetik, diberikan oleh

⟨ ⟩

(1.15)

10

Gambar 1.1 (b) sudut θ antara μI dan H.

Gambar 1.1 (c) Ruang kuantisasi I, √ ( kearah J.)

Urutan magnitude dapat dikalkulasikan dari persamaan (1.11a), mengetahui H

dan U. struktur hyperfine disebabkan interaksi dengan medan magnet ,

dibuat di tengah nukleus oleh elektron orbital. Nilai medan , beragam dari 105

sampai 107 gauss untuk atom yang berbeda. Untuk tujuan kami, kita dapat

mengambil nilai ini menjadi sebanyak 106 gauss. Pemisahan, ∆λ, biasanya

sebanyak 1/100.000 panjang gelombang pada daerah tampak. Jika panjang

gelombang daerah tampak 6000 yang sesuai pada energy kuantum 2 ev atau

erg seperti ditunjukkan dibawah ini.

atau

karena pemisahan sekitar 10-5

jumlah ini, oleh karena itu

11

Menggunakan hubungan , dimana , satu mendapat

.

Nilai kira-kira dua kali lipat magneton inti, , dan ~ 1/1000 nilai

magneton Bohr, . Ini cukup jelas bahwa momen magnetik nukleus adalah

urutan magneton inti dan bukan dari magneton Bohr, yang menunjukkan adanya

elektron didalam nukleus. Jika keberadaan elektron didalam nukleus, mereka akan

dikontribusikan kedalam momen magnetik, tetapi jelas ini nampaknya tidak

menjadi kasus.

C. Gelombang Mekanik

Dari segi pandang titik gelombang mekanik, panjang gelombang elektron

dihasilkan oleh relasi de Broglie

(1.16)

Dimana p, me, v merupakan momentum, massa dan kecepatan elektron.

Agar elektron didalam nukleus, panjang gelombang dihubungkan dengan elektron

harus kurang dari, atau paling sama dengan, diameter nukleus. Kita akan

memperlihatkan bahwa ini akan membutuhkan elektron memiliki energi yang

sangat tinggi, yang tidak bisa diamati secara percobaan.

Sesuai dengan prinsip ketidakpastian

∆x ∆p ≥ h (1.17)

Dimana ∆x dan ∆p adalah ketidakpastian pada posisi dan momentum

elektron, berturut-turut. Karena radius untuk tipe nukleus berat nomor massa

sekitar 200 berkisar cm, ketidakpastian dalam posisi elektron akan

cm. dari persamaan (1.17), pertidaksamaan dalam

momentum elektron adalah

Beberapa perkiraan energi E elektron dapat diperoleh dengan

menggunakan relasi

(1.18)

12

Dimana moc2 merupakan massa energi sisa elektron. Berasumsi bahwa

momentum p tidak lebih baik dari (setiap nilai yang lebih besar dari p akan

memberikan nilai masih lebih besar dari E). mensubstitusi pada

persamaan (1.18)

Hal kedua dapat diabaikan dibandingkan dengan yang pertama dan kita

dapatkan

Dari sini

Energi kinetik elektron didalam nukleus, karenanya, berkisar 100 Mev.

(Nilai sebenarnya dapat lebih besar jika .) nilai energy ini lebih besar

daripada percobaan yang diamati untuk elektron yang diemisikan dalam peluruhan

inti, yang biasanya energi kinetik berkisar 2-3 Mev. Ini merupakan pembuktian

lain terhadap elektron didalam nukleus.

Sebaliknya, ini mudah untuk menunjukkan, dengan mengikuti prosedur

yang sama, proton, dengan massa lebih besar darubada elektron dapat ada didalam

nukleus. Karena sisa massa energi proton adalah 938 Mev, ini dapat ditunjukkan

bahwa proton diemisikan beberapa nuklei yang tidak stabil harus memiliki energi

kinetik sebesar 2-3 Mev, yang ddalam perjanjian lengkap dengan nilai-nilai

percobaan yang diamati.

D. Kesimpulan

Semua tiga argument mengarah pada kesimpulan bahwa model-proton

elektron tidak benar model untuk nukleus. Elektron harus ada hanya diluar

nukleus. Akhir pukulan untuk hipotesis proton-elektron datang dengan penemuan

neutron oleh Chadwick. Ini penting pada titik ini untuk ke detail dari penemuan

neutron, karena hal itu mengarah pada pembentukkan model proton-elektron

nukleus.

13

IV. Penemuan Neutron

Penemuan neutron adalah hasil percobaan yang dilakukan oleh peneliti dalam

beberapa Negara yang berbeda. Beberapa petunjuk adanya neutron itu oleh

Rutherford pada 1920. Menurut Rutherford, neutron terdiri dari proton dan

elektron dalam kombinasi dekat. Serangkaian percobaan mengarah pada

penemuan akhir neutron oleh Chadwick pada 1932, telah dijelaskan secara singkat

disini.

Ini telah ditunjukkan oleh W. Bothe dan H. Becker pada 1930 bahwa

beberapa elemen ringan seperti beryllium dan boron, ketiomagnetik, karena ini

dapat ka dibombardir oleh partikel alfa dari sumber alam radioaktif seperti

polonium, memancarkan radiasi daya penetrasi besar. Itu lebih diamati bahwa

radiasi (a) dapat menembus lembaran tebal material dan (b) tidak banyak

menimbulkan ionisasi. Radiasi dipengaruhi baik oleh medan listrik atau magnet.

Tambahan, itu tidak meninggalkan jejak dalam ruang tertutup. Radiasi yang tidak

diketahui ini dianggap elektromagnetik, karena itu menampilkan semua sifat-sifat

radiasi elektromagnetik, dan dianggap terdiri dari foton energi tinggi. Ketika

partikel alfa, untuk contoh, yang memiliki energi kinetik sama dengan 5.3 Mv,

berinteraksi dengan beryllium, reaksi berikut seharusnya berlangsung:

4Be9 + (2He

4 + Kα)→(6C

13)*→6C

13 + hv

Dimana * menunjukkan keadaan heboh nukleus. Partikel alfa dan 4Be9

dikombinasi bersamaan dalam bentuk (6C13

)* yang meluruh pada 6C

13

memberikan energi foton hv. Energi foton dapat diperkirakan dari massa berbeda.

Penurunan dalam sisa-massa, karenanya, adalah

= M (4Be9) + M (2He

4) – M (6C

13)

= (9.01505 + 4.00387 – 13.00748) amu

= 0.01144 931.4 Mev

= 10.7 Mev

14

Tambahan untuj 10.7 Mev ini, energi kinetik partikel alfa yang mana 5.3

Mev, juga tersedia. Energi total 16 Mev dihasilkan pada reaksi dengan beryllium.

Energy mundur karbon nukleus 6C13

sekitar 2 Mev. Foton akan memiliki energi

maksimum 14 Mev. Tidak ada sinar gamma yang diberikan oleh elemen

radioaktif alami memiliki energi lebih tinggi.

Gambar 1.2 Susunan percobaan untuk mengamati ionisasi dikarenakan oleh proton yang

tersingkir paraffin oleh neutron.

Selama periode 1930 – 33 beberapa peneliti menentukan koefisien

absorpsi perbedaan bahan untuk radiasi yang tidak diketahui. Di Prancis, I. Curie

dan F. Joliot melaporkan bahwa jika bahan hydrogenous, seperti paraffin, telah

diletakkan di jalan radiasi ini, mengetuk keluar proton dikarenakan ionisasi

tingkat tinggo falam ruang ionisasi. Susunan percobaan mereka ditunjukkan

dalam Gambar 1.2.

Ketika percobaan yang sama dilakukan dengan ruang tertutup, proton

mengetuk keluar dari paraffin menghasilkan trek hingga panjang ~ 40 cm.

percobaan ini telah dicoba dengan bahan lain juga, khususnya dengan bahan

nitrogenous. Maksimum energi lompat untuk nukleus proton dan nitrogen

ditemukan sekitar 5.7 Mev dan 1.4 Mev. Apapun sifat dari radiasi yang tidak

diketahui, itu harus dijelaskan pada energi lompat.

Jika energi yang tidak diketahui diasumsikan menjadi foton energy tinggi,

kemudian tumbukan dapat diperlakukan sebagai tumbukkan Compton antara

foton dan nukleus. Jika foton masuk memiliki energi hv, energi hv’ foton

dihamburkan daru massa nukleus m adalah

15

(1.19)

Dimana adalah sudut antara foton yang dihamburkan dan arah awal foton. Oleh

karena itu, energi recoil nukleus massa m akan diberikan oleh

(

) (1.20)

Maksimum energi recoil ditentukan dengan membiarkan jadi

, dan

(1.21)

Jika ini adalah hakikat dari proses yang terjadi, karena kita tahu energi recoil

nukleus proton dan nitrogen, ini mungkib untuk menghitung energi datang foton

(radiasi yang tidak diketahui). Dari persamaan (1.21) , foton datang harus

memiliki energi berkisar 55 Mev dalam rangka untuk menghitung energi recoil

foton 5.7 Mev. Untuk energi recoil nitrogen 1.4 Mev, foton datang harus memiliki

energi dari urutan 90 Mev. Energi tersedia dari radiasi yang tidak diketahui hanya

sekitar 12 Mev. Kesulitan muncul ketika kita menghitung energi foton perlu untuk

menghasilkan recoil yang diamati nuklei yang lebih berat. Karenanya proses

Compton tidak dijelaskan dalam fenomena, dan radiasi datang tampaknya tidak

terdiri dari foton. Penjelasan yang jelas telah diberikan oleh J. Chadwick pada

1932.

Hipotesis Neutron

Menurut Chadwick, “ terbukti kita baik melepaskan penerapan konservasi energi

dan momentum dalam tumbukan atau mengadopsi hipotesis lain tentang sifat dari

radiasi. Jika kita anggap bahwa radiasi bukan radiasi kuantum, tetapi terdiri dari

partikel massa sangat hampir sama dengan proton itu, semua kesulitan

dihubungkan dengan hilangnya tumbukan, … untuk menjelaskan daya penetrasi

yang besar radiasi kita harus mengasumsikan lebih lanjut bahwa partikel tidak

memiliki muatan bersih. Kita dapat menganggap itu terdiri dari proton dan

16

elektron dengan kombinasi yang sangat dekat, ‘neutron’ telah didiskusikan oleh

Rutherford di kuliah Bakeriannya pada 1920”.

Itu dapat ditunjukkan dengan mengkombinasi data energi recoil pn itroton

dan .nitrogen, bahwa massa neutron kira-kira sama dengan proton. Ini dapat

diselesaikan dengan mengingat tumbukkan berlawanan antara massa partikel m1

dan kecepatan u dengan massa partikel m2 saat tenang. Biarkan kecepatan dari

kedua setelah tumbukan akan u1 dan u2. Karena tumbukan berlawanan, kita dapat

menulis persamaan untuk konservasi energi dan momentum seperti

(1.22)

(1.23)

Mengeliminasi dari dua persamaan, kita dapatkan

(1.24)

Menggunakan persamaan (1.24) untuk kasus hydrogen dan nitrogen, kita

mendapatkan kecepatan maksimum up dan uN untuk dua seperti

(1.25)

(1.26)

Dimana m merupakan massa neutron dan massa-massa proton dan nitrogen

diambil menjadi 1 amu dan 14 amu, secara berurutan. Membagi persamaan (1.25)

oleh persamaan (1.26), kita memiliki

(1.27)

Yang di berikan

m = 1.15 amu (1.28)

nilai yang disubstitusikan untuk dan telah ditentukan dari percobaan. Massa

neutron ditentukan oleh metode ini memiliki kesalahan sebesar 10 persen.

17

Perkiraan yang lebih baik dari massa neutron yang diperoleh dengan

menggunakan reaksi

5B11

+ 2He4 → 7N

14 + 0n

1

Massa neutron diperoleh dengan metode ini antara 1.005 dan 1008 amu. Baru-

baru ini ditentukan nilai massa neutron adalah (1.008982 ± 0.000003) amu(10)

pada skala O16

.

Ini mungkin untuk menahan energi konservatif dan momentum di bawah

asumsi bahwa radiasi yang tidak diketahui adalah massa neutron sama dengan

proton. Karenanya, reaksi antara partikel alfa dan 4Be9 dapat ditulis sebagai

4Be9 + 2He

4 → 6C

12 + 0n

1

Kemudian penurunan massanya adalah

= M(6C12

) + M(0n1) – M(4Be

9) – M(2He

4)

= 0.00616 amu = 5.7 Mev

Nilai ini, digabungkan dengan 5.3 Mev energi kinetik partikel alfa,

memberikan total 11 Mev sebagai energi yang tersedia. Ini cukup untuk

menghitung untuk semua energi recoil perbedaan energi, seperti yang dijelaskan

pada paragraph dibawah ini.

Ini dapat menunjukkan bahwa jika tumbukan tidak berlawanan, energi

kinetic K2 di pindahkan ke m2 oleh partikel massa m1 dan energi kinetik K yang

diberikan oleh

(1.29)

Dimana

dan adalah sudut membuat dengan arah awal . Untuk

energi maksimum recoil,

(1.30)

18

Untuk proton , dan untuk nitrogen . Jadi, Kp = K dan KN =

.

Dalam rangka untuk memiliki Kp = 5.7 Mev, dan KN =1.4 Mev, K harus

dari urutannya hanya 5.7 Mev. Jumlah energi ini tersedia lebih jelas. Keberadaan

neutron (memiliki massa sekitar sama dengan proton dan tidak bermuatan) tegas

didirikan.

V. Model Proton – Neutron Nukleus

Kita telah menunjukkan bahwa model proton-elektron tidak dapat dijelaskan fakta

percobaan banyak diamati. Kesulitan utama muncul karena diasumsikan adanya

elektron didalam nukleus. Karena penemuan neutron, tidak ada penjelasan

bergantian untuk menghitung untuk muatan Z nukleus nomor massa A, kecuali

dengan termasuk A – Z elektron didalam nukleus untuk menetralkan muatan

proton A – Z. hasil dalam muatan positif bersih Z. Namun, penemuan neutron

mengubah seluruh gambar. Pada 1932, Heisenberg menyarankan bahwa partikel

baru, neutron, adalah konstituen dasar semua materi. Menurutnya, semua nuklei

terdiri dari proton dan neutron, dengan tidak ada elektron didalam nukleus. Seperti

yang ditunjukkan sebelumnya, massa neutron hampir sama dengan proton, dan

muatannya nol. Dengan demikian, massa nukleus harus sama dengan jumlah

massa proton atau neutron didalam nukleus, dan muatan harus sama dengan

muatan total proton. Nama umum nucleon diberikan untuk proton atau neutron.

Jadi, jika ada nucleon A didalam nukleus, kemudian akan ada proton Z dan

neutron A –Z. model nukleus ini dalam perjanjian lengkap dengan percobaan.

Sebelum masuk ke penjelasan rinci, kita akan memberikan daftar beberapa sifat-

sifat neutron, proton dan elektron.

19

Ini menemukan bahwa neutron, seperti proton dan elektron memiliki

putaran ½ . Meskipun neutron tidak memiliki muatan bersih, memiliki momen

magnetic negatif, yang menyiratkan bahwa putaran dan vektor momen magnetik

berlawanan secara langsung.

Model proton neutron nukleus mengatasi semua kesulitan yang tidak dapat

dijelaskan oleh model proton-elektron, diisebutkan dalam subbab 3. Pertama,

karena hanya ada partikel A didalam nukleus, setiap partikel memiliki putaran ½ ,

prediksi teori putaran inti setuju dengan hasil percobaan, yaitu, nuklei dengan

nomor massa ganjil memiliki putaran half-integral dan dengan numor massa

genap nol atau putaran integral. Contohnya, dalam kasus 7N14

, menurut pada

model proton-neutron akan ada 14 nukleon yaitu 7 proton dan 7 neutron, jadi

harus noll atau putaran integral yang disetujui dengan nilai percobaan yang

diamati I=1 untuk 7N14

. Kedua, menurut model proton-neutron, tidak ada elektron

di dalam nukleus dan karenanya kita tidak mengecualikan momen magnetik

nukleus menjadi dari urutan magneton inti. Ini sesuai dengan nilai percobaan .

Akhirnya karena massa neuton kira-kira sama dengan massa proton, ini mungkin

untuk neutron untuk berada didalam nukleus., menurut untuk prinsip

ketidakpastian.

Satu paling penting pertanyaan tetap tidak terjawab. Proton dengan muatan

positif, menolaj masing-masing, dan kemudian mereka mencoba untuk

mengganggu nukleus. Ini diasumsikan bahwa beberapa tipe gaya inti memegang

20

proton ini, seperti neutron, bersama-sama. Pengetahuan dari gaya ini tetap jauh

dari sempurna. Apa yang dikenal dengan gaya inti dapat di jelaskan beberapa

sifat-sifat nukleus. Diskusi gaya inti muncul pada bab 12.