Fisika nuklir adalah: pengertian, teori, sejarah

Fisika nuklir adalah cabang fisika yang mempelajari sifat, perilaku, dan interaksi inti atom. Dalam konteks yang lebih luas, fisika nuklir dan partikel didefinisikan sebagai cabang fisika yang mempelajari struktur fundamental materi dan interaksi antara partikel subatomik.

Fisika nuklir sebagian besar dikenal untuk penggunaan energi nuklir di pembangkit listrik tenaga nuklir dan dalam pengembangan senjata nuklir, baik fisi nuklir dan fusi nuklir, tetapi bidang ini telah menyebabkan aplikasi di berbagai bidang, termasuk kedokteran nuklir dan pencitraan. oleh resonansi magnetik, rekayasa implantasi ion dalam bahan dan penanggalan radiokarbon dalam geologi dan arkeologi.

Sejak zaman kuno ada gagasan bahwa jika kita mematahkan sepotong benda apa pun, benda itu akan mencapai titik di mana benda itu tidak lagi dapat dipatahkan. Kemudian muncul gagasan bahwa tidak akan ada atom yang tak terpisahkan. Ketika kita bergerak maju dalam pengetahuan tentang alam, model atom disempurnakan sampai mencapai model saat ini, di mana ia tidak memiliki ruang yang tidak dapat dibagi, tetapi sebuah sistem yang terdiri dari beberapa partikel yang berbeda. Di luar inti memiliki elektron, partikel dengan muatan negatif dan massa sangat kecil dalam hubungannya dengan yang lain. Di pusat inti harus proton dengan muatan positif dan neutron dengan muatan netral. Model ini dibuat oleh Ernest Rutherford dan dikembangkan oleh Niels Bohr.

Berdasarkan kesimpulan awal abad ini, ditemukan bahwa inti dibentuk oleh partikel lain dan lebih kompleks daripada yang dibayangkan.

Jika kita mengklasifikasikan semua gaya  yang ada, akan ada empat kelompok utama:

  • Gaya gravitasi – tarikan antara organisme yang bertanggung jawab atas orbit planet-planet, atau untuk buah yang jatuh.
  • Gaya elektromagnetik – menimbulkan magnet, fenomena listrik, reaksi kimia, dll.
  • Gaya nuklir lemah – menghasilkan peluruhan di mana elektron dipancarkan dari inti.
  • Gaya nuklir yang kuat – bertanggung jawab untuk menjaga partikel inti bersama, bahkan dengan muatan listrik yang sama.

Fisika nuklir mempelajari reaksi yang terjadi pada inti atom. Mereka tidak stabil dan tak terpisahkan seperti dahulu percaya bahwa atom akan. Banyak fenomena terjadi yang memicu berbagai efek.

Pengertian

Fisika nuklir adalah bidang fisika yang mempelajari inti atom beserta konstituen dan interaksinya. Bentuk lain dari bahan nuklir juga dipelajari. Fisika nuklir tidak boleh disamakan dengan fisika atom, yang mempelajari atom secara keseluruhan, termasuk elektronnya.

Penemuan dalam fisika nuklir telah menyebabkan aplikasi di banyak bidang. Ini termasuk tenaga nuklir, senjata nuklir, kedokteran nuklir dan pencitraan resonansi magnetik, isotop industri dan pertanian, penanaman ion dalam rekayasa bahan, dan penanggalan radiokarbon dalam geologi dan arkeologi. Aplikasi tersebut dipelajari di bidang teknik nuklir.

Fisika partikel berkembang dari fisika nuklir dan dua bidang biasanya diajarkan dalam hubungan yang erat. Astrofisika nuklir, aplikasi fisika nuklir untuk astrofisika, sangat penting dalam menjelaskan cara kerja bintang-bintang dan asal-usul unsur-unsur kimia.

Eksperimen pertama

Radioaktivitas ditemukan dalam garam uranium oleh fisikawan Perancis Henri Becquerel pada tahun 1896.

Pada tahun 1898, ilmuwan Marie dan Pierre Curie menemukan dua unsur radioaktif di alam, polonium (84Po) dan radium (88Ra).

Pada tahun 1913 Niels Bohr menerbitkan model atomnya, yang terdiri dari inti pusat yang terdiri dari partikel-partikel yang memusatkan mayoritas massa atom (neutron dan proton), dikelilingi oleh beberapa lapisan partikel bermuatan hampir tanpa massa (elektron). Sementara ukuran atom berubah menjadi urutan angstrom (10-10 m), inti dapat diukur dalam fermis (10-15 m), yaitu inti yang 100.000 kali lebih kecil dari atom.

Ernest Rutherford pada tahun 1918 mendefinisikan keberadaan inti hidrogen. Rutherford menyarankan bahwa inti hidrogen, yang nomor atomnya dikenal sebagai 1, harus menjadi partikel fundamental. Nama proton yang disarankan pada tahun 1886 oleh Goldstein diadopsi untuk partikel baru ini untuk mendefinisikan partikel-partikel tertentu yang muncul dalam tabung katoda.

Selama tahun 1930-an, Irène dan Jean Frédéric Joliot-Curie memperoleh nuklida radioaktif buatan pertama dengan membombardir boron (5B) dan aluminium (13Al) dengan partikel α untuk membentuk isotop radioaktif nitrogen (7N) dan fosfor (15P). Beberapa isotop unsur-unsur ini yang ada di alam stabil. Isotop yang tidak stabil ditemukan dalam proporsi yang sangat rendah.

Pada 1932 James Chadwick melakukan serangkaian percobaan dengan radioaktivitas khusus yang ia definisikan dalam hal sel-sel, atau partikel yang membentuk radiasi itu. Radiasi baru ini tidak memiliki muatan listrik dan memiliki massa yang hampir identik dengan proton. Awalnya itu didalilkan bahwa itu akan menjadi hasil dari penyatuan proton dan elektron yang membentuk semacam dipol listrik. Eksperimen selanjutnya membuang ide ini dengan menyimpulkan bahwa itu adalah partikel baru dari nukleus yang disebut neutron.

Ilmuwan Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassmann menemukan fisi nuklir pada tahun 1938. Ketika uranium diiradiasi dengan neutron, beberapa nukleus membelah menjadi dua nuklei dengan nomor atom. Fisi melepaskan sejumlah besar energi dan digunakan dalam reaktor fisi dan senjata.

Fisi atom

Reaksi fisi yang dikendalikan nuklir menghasilkan air panas yang menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik. Dalam kedokteran, sinar-X memungkinkan untuk melihat tulang dan bagian lain dari tubuh manusia, perawatan kanker menggunakan efek nuklir sebagai senjata untuk melawan tumor (radiologi), elemen radioaktif (partikel yang memancarkan atau radiasi) digunakan untuk studi tentang otak dan bagian tubuh lainnya. Fisika nuklir juga dapat digunakan untuk menghasilkan senjata paling merusak dalam sejarah: bom nuklir.

Teori utama

Einstein memasukkan keberadaan atom dalam teorinya. Sampai saat itu atom tampak seperti asumsi teoretis tanpa bahan bukti. Fisikawan Jerman merumuskan teori bahwa materi dan energi adalah setara. Dia berkata:

E = m. c²

Dimana:

  • E = energi
  • m = massa
  • c = kecepatan cahaya

Dengan menggunakan rumus, Anda dapat menghitung jumlah energi yang ada dalam benda bermassa m.

Karena massa dan energi adalah setara, Prinsip kekekalan massa direduksi menjadi Prinsip kekekalan Energi yang menurutnya dalam sistem energi tertutup itu tidak dibuat atau dihancurkan, ia hanya dikonversi.

Untuk pembangkit listrik tenaga nuklir

Pecahnya inti atom yang menghasilkan inti baru dan menghasilkan pelepasan energi yang besar, karena massa total unsur-unsur baru lebih kecil dari inti asli. Massa yang tersisa diberikan dalam bentuk energi. Ini disebut fisi nuklir. Ini adalah operasi dasar Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir, dengan fisi dikendalikan untuk menghasilkan listrik, dan juga merupakan awal dari bom atom pertama.

Ketika atom-atom hidrogen bergabung membentuk atom helium, ada kehilangan massa yang sangat besar yang diubah menjadi energi. Ini adalah fusi nuklir, suatu proses yang menghasilkan cahaya dan panas dari matahari, yang digunakan dalam senjata paling kuat yang pernah dibuat oleh manusia: bom hidrogen. Ini hanya terjadi di tempat-tempat suhu dan tekanan tinggi. Para peneliti sedang mempelajari cara-cara untuk menggunakan fusi untuk menghasilkan listrik.

Dengan mempelajari partikel-partikel yang membentuk materi, fisika nuklir mendekati bidang lain: fisika partikel. Mereka sedang menyelidiki ini dan berperilaku seperti partikel-partikel yang membentuk alam semesta yang menunjukkan dengan sangat jelas bahwa atom, inti atau proton atau neutron tidak terbagi.

Fisika nuklir modern

Inti yang berat dapat mengandung ratusan nukleon. Ini berarti bahwa dengan beberapa perkiraan itu dapat diperlakukan sebagai sistem klasik, bukan yang mekanis kuantum. Dalam model tetes-cairan yang dihasilkan,  inti memiliki energi yang muncul sebagian dari tegangan permukaan dan sebagian dari tolakan listrik proton. Model tetes-cair mampu mereproduksi banyak fitur inti, termasuk tren umum energi ikat sehubungan dengan jumlah massa, serta fenomena fisi nuklir.

Akan tetapi, yang ditumpangkan pada gambar klasik ini adalah efek mekanis-kuantum, yang dapat digambarkan menggunakan model tempurung nuklir, yang dikembangkan sebagian besar oleh Maria Goeppert Mayer dan J. Hans D. Jensen. Nuklei dengan jumlah “ajaib” tertentu dari neutron dan proton sangat stabil, karena cangkangnya terisi.

Model lain yang lebih rumit untuk inti juga telah diusulkan, seperti model boson yang berinteraksi, di mana pasangan neutron dan proton berinteraksi sebagai boson, secara analog dengan pasangan elektron Cooper.

Metode Ab initio mencoba memecahkan masalah banyak-tubuh nuklir dari bawah ke atas, mulai dari nukleon dan interaksinya.

Banyak penelitian saat ini dalam fisika nuklir berkaitan dengan studi nuklei dalam kondisi ekstrim seperti putaran tinggi dan energi eksitasi. Nuclei juga dapat memiliki bentuk ekstrim (mirip dengan bola Rugby atau bahkan pir) atau rasio neutron-ke-proton yang ekstrem. Eksperimen dapat membuat inti tersebut menggunakan reaksi fusi atau transfer nukleon yang diinduksi secara artifisial, menggunakan berkas ion dari akselerator. Balok dengan energi yang lebih tinggi dapat digunakan untuk membuat inti pada suhu yang sangat tinggi, dan ada tanda-tanda bahwa percobaan ini telah menghasilkan transisi fase dari materi nuklir normal ke keadaan baru, plasma quark-gluon, di mana quark berbaur dengan satu yang lain, alih-alih dipisahkan dalam kembar tiga karena mereka berada dalam neutron dan proton.



Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *