Struktur atom

Radioaktivitas sudah berabad-abad usianya, namun tetap digunakan untuk mengobati kanker, menggerakkan jaringan listrik, dan menuntut aturan keselamatan ketat. Referensi ini mencakup AQA GCSE Fisika 8463, topik 4.4 Struktur atom.

Bagaimana ujian memperlakukan topik ini:

• Kertas 1 (4.1–4.4) memuat topik ini. Dukungan lembar persamaan bergantung pada seri ujian. Latih notasi, persamaan setara, grafik, penjelasan, serta perhitungan.
• Radiasi latar belakang, bahaya waktu paruh, kegunaan, dan fisil/fusi adalah fisika saja.
• Rasio penurunan bersih setelah beberapa waktu paruh adalah Tingkat Lanjut.
• Anda harus menuliskan persamaan nuklir yang setara untuk peluruhan alfa tunggal dan beta (setarakan nomor atom dan nomor massa; penamaan anak tidak diperlukan).

Atom sangat kecil: jari-jari sekitar $1\times10^{-10}$ m. Strukturnya:

• Nukleus: bermuatan positif, terdiri dari proton dan neutron; sebagian besar massa atom, tetapi jari-jari kurang dari 1/10 000 dari atom.
• Elektron: bermuatan negatif, tersusun dalam tingkat energi. Menyerap radiasi elektromagnetik memindahkan elektron ke tingkat yang lebih tinggi, lebih jauh dari nukleus; emisi memindahkannya ke tingkat yang lebih rendah, lebih dekat.

Notasi: $\ ^{A}_{Z}X$ di mana $Z$ = nomor atom (proton) dan $A$ = nomor massa (proton + neutron). Pada atom netral, elektron = proton; atom tidak memiliki muatan keseluruhan.

• Isotop: atom dari unsur yang sama (nomor $Z$ sama) dengan jumlah neutron berbeda (nomor $A$ berbeda).
• Neutron dalam inti = $A - Z$.
• Atom yang kehilangan satu atau lebih elektron terluar menjadi ion positif.

Contoh kerja. Karbon-14: $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• Proton = 6; elektron = 6 (netral); neutron = $14 - 6 = 8$.
• Karbon-12 memiliki 6 neutron — unsur yang sama, neutron berbeda: isotop.

Bukti eksperimental baru dapat mengubah atau menggantikan model ilmiah:

1. Sebelum penemuan elektron: atom adalah bola-bola kecil yang tidak dapat dibagi.
2. Elektron ditemukan → model puding kismis: bola muatan positif dengan elektron negatif tertanam di dalamnya.
3. Hamburan alfa (Rutherford): sebagian besar partikel alfa menembus lurus, beberapa memantul balik → massa dan muatan positif harus terkonsentrasi di pusat kecil → model nuklir menggantikan model puding kismis.
4. Bohr menyesuaikannya: elektron mengelilingi pada jarak tertentu; perhitungannya sesuai dengan pengamatan.
5. Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa muatan positif datang dalam satuan bilangan bulat — yaitu proton; eksperimen Chadwick (sekitar 20 tahun kemudian) membuktikan keberadaan neutron.

Jelaskan bukti yang mengubah model: jika model puding benar, partikel alfa seharusnya semua tembus dengan defleksi kecil (B1); beberapa memantul hampir lurus kembali (B1), yang hanya mungkin jika massa dan muatan positif terkonsentrasi dalam nukleus kecil, padat, dan bermuatan positif (B1).

Beberapa inti bersifat tidak stabil. Mereka memancarkan radiasi saat berubah menjadi lebih stabil — sebuah proses acak yang disebut peluruhan radioaktif.

• Aktivitas: laju peluruhan suatu sumber; satuan bekarel (Bq).
• Tingkat hit: jumlah deteksi per detik, setelah memperhitungkan latar belakang jika perlu. Detektor biasanya hanya mencatat sebagian emisi; tingkat hitnya bukan otomatis aktivitas sumber dalam Bq.

Radiasi	Identitas	Kekuatan ionisasi	Pelindung
alfa α	inti helium	kuat	kertas / kulit
beta β	elektron cepat	sedang	mm aluminium
gamma γ	radiasi EM	lemah	timbal tebal menguranginya

Alfa mengandung dua proton dan dua neutron serta merambat hanya beberapa sentimeter di udara. Beta dipancarkan saat neutron berubah menjadi proton; jangkauan di udaranya lebih panjang. Gamma memiliki jangkauan terbesar dari ketiganya dan berkurang, tidak berhenti total, oleh timbal atau beton tebal. Nukleus juga dapat memancarkan neutron; sifat neutron detail tidak diperlukan di sini.

Pilih sumber untuk kegunaan dengan mencocokkan sifat ini: alfa untuk alarm asap ionisasi (asap mengurangi arus ionisasi); beta untuk kontrol ketebalan (sebagian diserap oleh lembaran); gamma untuk pelacak (menembus tubuh) dan sterilisasi (menembus kemasan dan merusak mikroorganisme). Sumber tertutup mengurangi risiko kontaminasi; hal itu tidak membenarkan mengabaikan prosedur penanganan.

Aktivitas dari grafik. Pada grafik jumlah inti tak terurai terhadap waktu, gambarlah garis singgung pada waktu yang ditentukan. Gradien ke bawahnya adalah laju penurunan jumlah inti; aktivitas adalah besaran positif, dalam Bq. Baca dua titik yang terpisah jauh pada garis singgung, bukan dua titik sembarang pada kurva.

Contoh dikerjakan (tulisan guru). Garis singgung perkiraan melewati $(0\ \text{s},68000)$ dan $(200\ \text{s},12000)$.

Ini adalah estimasi dari garis singgung yang digambar. AQA Juni 2024 8463/1H Q09.5 memerlukan metode yang sama pada grafiknya sendiri pada 300 s; jawaban resminya adalah $7.1\times10^{20}$ Bq. Itu adalah grafik dan data yang berbeda.

Seimbangkan nomor massa (atas) dan nomor atom (bawah) di kedua ruas:

• Peluruhan alfa: inti kehilangan 4 dari atas dan 2 dari bawah.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Peluruhan beta: neutron berubah menjadi proton; nomor massa tidak berubah, nomor atom +1; partikel beta adalah $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• Emisi gamma: tidak mengubah salah satu angka.

Contoh terarah. Polonium-210 meluruh melalui emisi alfa. Tulis persamaan tersebut.

• Alpa menghilangkan 4 dan 2: $A: 210 - 4 = 206$; $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Periksa apakah kedua baris seimbang ✓ (nama anak perempuan tidak diperlukan).

Peluruhan bersifat acak: tidak dapat diprediksi untuk satu inti atom tertentu; hanya perilaku rata-rata dari banyak inti yang dapat diprediksi.

Waktu paruh: waktu untuk (a) jumlah inti isotop dalam sampel menjadi setengah, atau (b) tingkat hit bersih / aktivitas turun menjadi setengah dari level awalnya. Kurangi latar belakang dari pembacaan detektor terlebih dahulu dan tetapkan geometri detektor tetap.

• Dari grafik: baca waktu yang dibutuhkan agar laju hitungan menjadi setengah — ulangi selama beberapa kali penurunan dan ambil nilai rata-ratanya.
• Setelah $n$ waktu paruh, fraksi yang tersisa adalah $1/2^n$ (HT: nyatakan sebagai rasio).

Contoh dikerjakan. Aktivitas sampel turun dari 800 Bq ke 200 Bq dalam 12 tahun.

• Penurunan separuh: $800 \to 400 \to 200$ setara dengan dua kali penurunan separuh.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Permintaan AQA aktual, Juni 2025 8463/1H Q07.4: polonium-210 memiliki waktu paruh 138 hari. Jumlah atom turun dari 256 000 ke 16 000: empat kali pengurangan separuh, sehingga waktunya adalah $4 \times 138 = 552$ hari. Q07.5 membandingkan jumlah atom Po-209 dan Po-210 yang sama: Po-209 yang lebih awet memiliki aktivitas lebih rendah. Kondisi populasi sama sangat penting.

• Kontaminasi: atom radioaktif yang tidak diinginkan di atas atau di dalam objek atau seseorang. Bahaya berlangsung selama atom tersebut ada, meluruh di atau di dalam tubuh.
• Iradiasi: memaparkan objek pada radiasi. Objek yang teriradiasi tidak menjadi radioaktif.

Kontaminasi dapat terus mengirradiasi jaringan sementara atom radioaktif masih ada. Paparan dari sumber eksternal berakhir ketika sumber tersebut dihilangkan atau dilindungi secara efektif. Bandingkan aktivitas sumber, jenis radiasi, jarak, durasi paparan, dan apakah materi berada di dalam tubuh; kontaminasi tidak selalu memberikan dosis lebih besar. Alfa eksternal memiliki penetrasi rendah dan dihentikan oleh kulit, tetapi secara internal ionisasinya yang kuat dapat merusak jaringan hidup di sekitarnya.

Tindakan pencegahan: pegang sumber dengan tongs, simpan pada jarak tertentu, batasi waktu di dekatnya, arahkan menjauhi orang, simpan dalam kotak berlapis timbal. Temuan mengenai efek radiasi telah dipublikasikan dan melalui tinjauan sejawat sehingga dapat diverifikasi.

Radiasi latar ada di sekitar kita setiap saat:

• alamiah: batuan (gas radon), sinar kosmik dari luar angkasa, makanan, dan isotop yang terdapat secara alami dalam tubuh;
• buatan manusia: sisa peluruhan dari pengujian senjata, kecelakaan nuklir, penggunaan medis.

Dosis bergantung pada pekerjaan dan lokasi (ketinggian tinggi, industri tertentu). Satuan dosis: sieverts (1000 mSv = 1 Sv; hafalan tidak diperlukan).

Pengukuran sampel harus mengurangkan laju hitungan latar belakang terlebih dahulu.

Waktu paruh dan bahaya: untuk jumlah inti tak stabil yang sama, waktu paruh yang lebih pendek berarti aktivitas yang lebih besar. Jumlah dan kondisi paparan juga berpengaruh. Sumber berumur panjang mungkin memerlukan penyimpanan aman selama bertahun-tahun. Pelacak medis harus tetap aktif cukup lama untuk pemeriksaan, lalu meluruh dengan cepat untuk mengurangi dosis lanjutan. Sumber alarm asap harus tetap bermanfaat selama bertahun-tahun.

Penggunaan medis (setiap = eksplorasi atau penghancuran):

• Eksplorasi: pelacak pemancar gamma (misalnya teknesisium-99m) disuntikkan agar organ terlihat pada pemindaian; gamma keluar dari tubuh; waktu paruh yang sesuai dan singkat membatasi dosis setelah pemindaian.
• Penghancuran: sinar gamma terfokus atau sumber tertanam membunuh sel kanker (terapi radiasi); beta untuk kondisi kulit.

Evaluasi risiko: bandingkan dosis dan konsekuensi prosedur dengan risiko penyakit — dengan angka dari soal.

Fisi: pembelahan inti besar, tidak stabil (uranium-235, plutonium-239).

• Fisi spontan jarang terjadi: inti biasanya menyerap neutron terlebih dahulu.
• Inti membelah menjadi dua inti lebih kecil berukuran hampir sama, melepaskan dua atau tiga neutron dan sinar gamma; energi dilepaskan dan semua produk membawa energi kinetik.
• Neutron yang dilepaskan dapat memicu fisi lebih lanjut — reaksi berantai. Reaktor mengontrolnya (batang kendali menyerap neutron); ledakan senjata adalah reaksi berantai tak terkendali.
• Anda harus menggambar atau menafsirkan diagram: neutron masuk → dua fragmen + neutron keluar → cabang reaksi berantai.

Fusi: dua inti ringan bergabung membentuk inti yang lebih berat; sebagian massa berubah menjadi energi radiasi. Untuk bergabung, inti bermuatan positif harus mendekati satu sama lain meskipun ada tolakan listrik. Jangan mendeskripsikan fusi sebagai ikatan kimia atau klaim bahwa setiap sistem fusi bebas limbah.

• Temukan proton, neutron, dan elektron dari $A,Z$; identifikasi isotop dan ion.
• Jelaskan bagaimana bukti eksperimen mengubah model atom.
• Bandingkan sifat α/β/γ dan pilih sumber yang sesuai untuk suatu penggunaan.
• Selesaikan persamaan alfa/beta tunggal dan periksa kedua baris.
• Temukan waktu paruh dan penurunan bersih (HT); temukan aktivitas dari kemiringan tangen.
• Kurangi latar belakang; bedakan hitungan detektor dari aktivitas sumber.
• Bandingkan bahaya iradiasi/kontaminasi dan tindakan pencegahannya.
• (fisika saja) Jelaskan latar belakang, penggunaan medis, pemilihan waktu paruh, dan fisi/fusi.