Modul Fisika: Inti Atom dan Reaksi Inti

01Tujuan Belajar

Setelah mempelajari modul ini, kamu diharapkan mampu:

Menjelaskan komposisi inti (proton, neutron, nukleon) dan memakai notasi ^A_ZX, serta membedakan isotop, isobar, dan isoton.
Menghitung defek massa, energi ikat, dan energi ikat per nukleon, serta mengaitkannya dengan kestabilan inti.
Menjelaskan radioaktivitas alam, jenis radiasi alfa, beta, dan gamma, serta sifat-sifatnya.
Menggunakan hukum peluruhan: N = N₀(½)^t/T, aktivitas, dan konstanta peluruhan.
Menuliskan dan menyetarakan persamaan reaksi inti, lalu menghitung energi reaksi (Q).
Membedakan fisi dan fusi, serta menjelaskan prinsip reaktor nuklir.
Menjelaskan manfaat radioisotop, bahaya radiasi, dan prinsip proteksi (waktu, jarak, perisai).

02Konsep Dasar

2.1 Komposisi inti

Inti atom tersusun dari proton (bermuatan positif) dan neutron (netral). Keduanya disebut nukleon. Elektron mengorbit di luar inti dan bukan bagian inti.

^A_ZX | A = Z + N A nomor massa (jumlah nukleon), Z nomor atom (jumlah proton), N jumlah neutron, X lambang unsur. Pada atom netral, jumlah elektron = Z.

Partikel	Muatan	Massa (sma)	Massa (kg)
Proton	+e = +1,6 × 10^-19 C	1,007276	1,673 × 10^-27
Neutron	0	1,008665	1,675 × 10^-27
Elektron	−e	0,000549	9,11 × 10^-31

1 sma (satuan massa atom, u) = 1,6605 × 10^-27 kg, setara dengan energi 931,5 MeV (1 MeV = 1,602 × 10^-13 J). Jari-jari inti sekitar 10^-15 m (1 femtometer, fm), jauh lebih kecil daripada atom yang sekitar 10^-10 m.

Istilah	Ciri	Contoh
Isotop	Z sama, N dan A berbeda	¹²₆C, ¹³₆C, ¹⁴₆C
Isobar	A sama, Z berbeda	¹⁴₆C dan ¹⁴₇N
Isoton	N sama, Z berbeda	¹³₆C (N = 7) dan ¹⁴₇N (N = 7)

2.2 Gaya inti dan kestabilan

Proton saling tolak karena muatan sejenis, tetapi inti tidak meledak karena ada gaya inti kuat: gaya tarik antar-nukleon yang sangat kuat, berjangkauan sangat pendek (sekitar beberapa fm), dan tidak bergantung pada muatan. Kestabilan inti ditentukan oleh keseimbangan kedua gaya ini.

Inti ringan stabil bila N ≈ Z (misalnya ¹²C, ¹⁶O).
Inti berat memerlukan lebih banyak neutron daripada proton (N/Z hingga sekitar 1,5) untuk meredam tolakan proton. Contoh: ²⁰⁸₈₂Pb punya 126 neutron.
Semua inti dengan Z > 82 tidak stabil (radioaktif).

2.3 Defek massa dan energi ikat

Massa inti selalu lebih kecil daripada jumlah massa nukleon penyusunnya bila dipisah. Selisihnya disebut defek massa, dan "hilang"nya massa itu menjadi energi ikat sesuai persamaan Einstein E = mc².

Δm = Z·m_p + (A − Z)·m_n − m_inti | E_ikat = Δm · 931,5 MeV/sma | E_ikat/A Energi ikat adalah energi minimum untuk memecah inti menjadi nukleon bebas. Makin besar E_ikat/A, makin stabil intinya. Coba di simulasi 3.1. Pada tabel massa atom, pakai massa atom hidrogen (m_H = 1,007825 u) sebagai pengganti m_p agar massa elektron saling meniadakan.

Contoh: helium-4. m_p = 1,0073 u, m_n = 1,0087 u, m_He = 4,0015 u (inti).
Δm = 2(1,0073) + 2(1,0087) − 4,0015 = 4,0320 − 4,0015 = 0,0305 u.
E_ikat = 0,0305 × 931,5 ≈ 28,4 MeV, atau sekitar 7,1 MeV per nukleon.

Kurva E_ikat/A terhadap A naik cepat untuk inti ringan, mencapai puncak sekitar besi-56 dan nikel-62 (≈ 8,8 MeV per nukleon), lalu turun pelan untuk inti berat. Inilah alasan dua cara melepas energi:

Fusi inti ringan (di sisi kiri puncak) menghasilkan inti yang lebih terikat, sehingga melepas energi.
Fisi inti berat (di sisi kanan puncak) menghasilkan inti menengah yang lebih terikat, sehingga melepas energi.

2.4 Radioaktivitas

Radioaktivitas adalah pemancaran radiasi spontan dari inti tidak stabil agar menjadi lebih stabil. Ditemukan Henri Becquerel (1896) pada garam uranium; Marie dan Pierre Curie menemukan polonium dan radium.

Radiasi	Hakikat	Muatan	Daya tembus	Daya ionisasi
Alfa (α)	Inti helium ⁴₂He	+2e	Terkecil: terhenti oleh kertas atau kulit	Terbesar
Beta (β⁻)	Elektron ⁰_-1e dari inti	−e	Sedang: terhenti oleh aluminium beberapa mm	Sedang
Gamma (γ)	Gelombang elektromagnetik berenergi sangat tinggi	0	Terbesar: perlu timbal atau beton tebal	Terkecil

Dalam medan magnet atau listrik, alfa dan beta dibelokkan ke arah berlawanan (karena muatannya berlawanan), sedangkan gamma tidak dibelokkan. Beta⁺ (positron) dan penangkapan elektron adalah jenis peluruhan lain yang muncul pada inti kekurangan neutron.

Peluruhan	Perubahan inti	Contoh
Alfa	A turun 4, Z turun 2	²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He
Beta minus	A tetap, Z naik 1 (neutron → proton + e⁻ + antineutrino)	¹⁴₆C → ¹⁴₇N + e⁻ + ν̄
Beta plus	A tetap, Z turun 1 (proton → neutron + e⁺ + neutrino)	¹⁸₉F → ¹⁸₈O + e⁺ + ν
Gamma	A dan Z tetap; inti tereksitasi turun ke tingkat energi lebih rendah	⁶⁰Co* → ⁶⁰Co + γ

2.5 Hukum peluruhan

Peluruhan bersifat acak untuk setiap inti, tetapi untuk jumlah inti yang sangat banyak, pola keseluruhannya pasti: peluruhan eksponensial.

N = N₀ (½)^t/T = N₀ e^−λt | λ = ln 2 / T ≈ 0,693 / T | A = λN T waktu paruh (waktu hingga separuh inti meluruh), λ konstanta peluruhan, A aktivitas dalam becquerel (1 Bq = 1 peluruhan per sekon). Aktivitas A = A₀(½)^t/T juga mengikuti pola yang sama. Coba di simulasi 3.2.

Radioisotop	Waktu paruh	Pemanfaatan
Karbon-14	5.730 tahun	Penanggalan usia fosil dan arkeologi
Kobalt-60	5,27 tahun	Sterilisasi, radioterapi
Iodium-131	8,02 hari	Terapi dan diagnosis kelenjar tiroid
Teknesium-99m	6,0 jam	Pencitraan medis (paling banyak dipakai)
Fluor-18	110 menit	Pemindaian PET
Uranium-238	4,5 miliar tahun	Bahan bakar, penentuan umur batuan

Cara cepatSetiap satu waktu paruh, sisa dikalikan ½: setelah 1T → ½, 2T → ¼, 3T → ⅛, 4T → 1/16. Bila t bukan kelipatan T, pakai rumus eksponensial.

2.6 Reaksi inti

Reaksi inti terjadi bila inti berubah akibat tumbukan dengan partikel lain atau akibat peluruhan. Persamaannya harus memenuhi hukum kekekalan:

Nomor massa A (jumlah A pereaksi = jumlah A hasil)
Nomor atom Z (muatan total tetap)
Energi dan momentum (termasuk energi diam massa)

Q = (Σm_pereaksi − Σm_hasil) · 931,5 MeV Q > 0: eksotermik (melepas energi). Q < 0: endotermik (butuh energi masuk, harus ada energi kinetik minimal). Coba di simulasi 3.3.

Contoh klasik: Rutherford (1919) menembak nitrogen dengan alfa: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Pengecekan: A: 14 + 4 = 18 = 17 + 1; Z: 7 + 2 = 9 = 8 + 1. Chadwick (1932) menemukan neutron dari ⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n.

2.7 Fisi dan fusi

	Fisi (pembelahan)	Fusi (penggabungan)
Proses	Inti berat dibelah menjadi inti menengah	Inti ringan digabung menjadi inti lebih berat
Contoh	¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3 ¹₀n + energi	²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + energi
Energi tiap reaksi	sekitar 200 MeV	sekitar 17,6 MeV (D–T)
Energi per nukleon	sekitar 0,85 MeV	sekitar 3,5 MeV
Syarat	Neutron termal memicu inti U-235; reaksi berantai	Suhu puluhan hingga ratusan juta °C agar inti mengatasi tolakan Coulomb
Wujud di alam atau teknologi	PLTN, bom atom	Matahari dan bintang; reaktor fusi (masih riset), bom hidrogen
Limbah	Limbah radioaktif berumur panjang	Lebih sedikit limbah berumur panjang

Pada fisi, tiap pembelahan melepas 2–3 neutron yang dapat memicu pembelahan inti lain, sehingga terjadi reaksi berantai. Reaksi berantai terkendali dipakai di reaktor; tak terkendali pada senjata nuklir. Matahari memperoleh energi dari fusi hidrogen menjadi helium (rantai proton–proton).

2.8 Reaktor nuklir (PLTN)

Komponen	Fungsi
Bahan bakar	Uranium-235 yang diperkaya (sekitar 3–5% untuk reaktor daya) dalam batang bahan bakar
Moderator	Memperlambat neutron cepat menjadi neutron termal agar mudah memicu fisi (air, air berat, grafit)
Batang kendali	Menyerap neutron untuk mengatur atau menghentikan reaksi berantai (kadmium, boron, hafnium)
Pendingin	Membawa kalor dari teras reaktor ke generator uap
Perisai dan wadah penahan	Menahan radiasi dan mencegah zat radioaktif lepas (beton tebal, baja)

Alur energi PLTN: energi inti → kalor → uap bertekanan → turbin → generator → listrik. Secara prinsip sama dengan PLTU, hanya sumber kalornya fisi, bukan pembakaran.

2.9 Dosis dan proteksi radiasi

Aktivitas diukur dalam becquerel (Bq); dosis serap dalam gray (Gy, J/kg); dosis ekuivalen dalam sievert (Sv) yang memperhitungkan jenis radiasi dan jaringan.
Latar belakang alam rata-rata sekitar 2–3 mSv per tahun (radon, sinar kosmik, tanah, makanan). Rujukan umum menyebut batas dosis untuk masyarakat sekitar 1 mSv per tahun di luar latar alam dan medis.

Tiga prinsip proteksi:

Waktu: makin singkat berada di dekat sumber, makin kecil dosisnya (D = laju dosis × waktu).
Jarak: intensitas dari sumber titik berkurang dengan kuadrat jarak: I ∝ 1/r².
Perisai: bahan penyerap, makin tebal makin kecil. Untuk gamma, intensitas I = I₀(½)^x/HVL; HVL (half-value layer) adalah tebal yang menurunkan intensitas separuh.

Efek biologis: radiasi mengionisasi atom di dalam sel dan dapat merusak DNA. Dosis tinggi dalam waktu singkat menyebabkan sindrom radiasi akut; dosis rendah berulang meningkatkan risiko kanker dalam jangka panjang. Pekerja radiasi memakai dosimeter (film badge, TLD) untuk memantau dosisnya.

03Simulasi Interaktif

3.1 Defek massa dan energi ikat

Pilih inti dan lihat defek massa serta energi ikatnya. Titik pada grafik menunjukkan E_ikat/A tiap inti: perhatikan puncaknya di dekat besi-56. Perhitungan memakai massa atom (m_H = 1,007825 u, m_n = 1,008665 u).

Inti

Proton, neutron, nukleon

Defek massa Δm

Energi ikat total

Energi ikat per nukleon

3.2 Peluruhan radioaktif dan waktu paruh

Pilih radioisotop dan geser waktu dalam satuan waktu paruh. Seratus titik mewakili inti awal; titik biru yang tersisa belum meluruh. Aktivitas dihitung untuk N₀ = 1,0×10¹² inti.

Radioisotop Waktu berlalu

Waktu t

Sisa inti (N/N₀)

Konstanta peluruhan λ

Aktivitas A = λN

3.3 Reaksi inti dan energi Q

Pilih reaksi. Simulasi memeriksa kekekalan nomor massa dan nomor atom, lalu menghitung energi Q dari selisih massa (massa atom dalam sma).

Reaksi

Σ A pereaksi / hasil

Σ Z pereaksi / hasil

Massa pereaksi

Massa hasil

Defek massa Δm

Energi Q

Q per nukleon pereaksi

Energi per reaksi (joule)

3.4 Proteksi radiasi: waktu, jarak, perisai

Sumber gamma titik memberi laju dosis tertentu pada jarak 1 m. Atur jarak, tebal perisai (nilai HVL kira-kira untuk gamma Co-60), dan lama berada di dekat sumber. Dosis akhir dibandingkan dengan 1.000 µSv (1 mSv).

Laju dosis pada 1 m Jarak dari sumber Bahan perisai Tebal perisai Lama berada di dekat sumber

Dosis dibanding 1.000 µSv

Setelah faktor jarak (1/r²)

Faktor perisai (½)^x/HVL

Laju dosis akhir

Dosis total

04Aplikasi dan Implementasi

4.1 Kedokteran nuklir

Diagnosis: Tc-99m disuntikkan sebagai pelacak; kamera gamma memetakan organ (tulang, jantung, tiroid). PET memakai F-18 (pemancar positron): pasangan sinar gamma 511 keV dari anihilasi positron dan elektron dideteksi untuk membuat gambar metabolisme.
Terapi: I-131 menghancurkan sel tiroid berlebih; radioterapi memakai Co-60 atau akselerator untuk merusak DNA sel kanker sambil melindungi jaringan sehat.
Pilihan radioisotop medis berwaktu paruh pendek (jam sampai hari) agar cepat hilang dari tubuh pasien.

4.2 Penanggalan radiokarbon (C-14)

Tumbuhan dan hewan hidup terus menyerap C-14 dari atmosfer sehingga rasio C-14/C-12 di tubuhnya tetap. Setelah mati, serapan berhenti dan C-14 meluruh dengan T = 5.730 tahun. Dengan mengukur aktivitas sisa, umur sampel dapat dihitung:

t = T · log_½(N/N₀) = T · ln(N₀/N) / ln 2 Cocok untuk sampel organik hingga sekitar 50.000 tahun. Untuk sampel yang sangat tua digunakan isotop berumur panjang seperti U-238 atau K-40.

4.3 Industri, pertanian, dan lingkungan

Radiografi gamma: memeriksa retakan pada las pipa dan struktur tanpa merusaknya.
Pengukur ketebalan dan level: sumber radiasi dan detektor mengukur ketebalan kertas atau plastik, serta isi tabung tertutup, dengan memantau pelemahan radiasi.
Sterilisasi: iradiasi gamma pada alat medis dan pengawetan makanan, tanpa membuat bahan menjadi radioaktif.
Pertanian: pemuliaan tanaman dengan mutasi radiasi (varietas padi unggul), pelacak pupuk (P-32), pengendalian hama dengan sterilisasi serangga jantan.
Pelacak aliran (radiotracer): mencari kebocoran pipa bawah tanah dan menelusuri aliran sedimen atau air tanah.
Detektor asap rumah: mengandung Am-241 (pemancar alfa) dalam jumlah sangat kecil yang mengionisasi udara; asap mengganggu arus ion dan memicu alarm.

4.4 Pembangkit listrik dan masa depan energi

1 kg U-235 yang terfisi sempurna melepas sekitar 8 × 10¹³ J, setara dengan pembakaran jutaan kilogram batu bara. PLTN tidak mengeluarkan CO₂ saat beroperasi, tetapi menghasilkan limbah radioaktif yang harus dikelola puluhan sampai ribuan tahun dan menuntut keselamatan ketat (kegagalan pendinginan seperti Chernobyl 1986 dan Fukushima 2011 menjadi pelajaran). Reaktor fusi (misalnya proyek ITER dan tokamak) bertujuan meniru Matahari: tantangannya menahan plasma ratusan juta °C dengan medan magnet.

4.5 Keselamatan di rumah dan lingkungan

Radiasi tidak sama dengan kontaminasi: sumber tertutup (seperti pesawat sinar-X) tidak mengotori ruangan.
Gas radon dari tanah dan bahan bangunan dapat menumpuk di ruang tertutup; ventilasi yang baik mengurangi risikonya.
Tanda trefoil (tiga bilah) menandai area radiasi; patuhi batas akses dan jangan memungut sumber tak dikenal.

05Fenomena Sehari-hari

☀️ Matahari bersinar miliaran tahun

Di inti Matahari, hidrogen berfusi menjadi helium. Tiap detik sekitar 4 juta ton massa berubah menjadi energi (E = mc²).

🍌 Pisang sedikit radioaktif

Kalium alami mengandung K-40 (T ≈ 1,25 miliar tahun). Dosis dari satu pisang amat kecil dan tidak berbahaya, hanya contoh radioaktivitas alam.

🏺 Umur mumi dan fosil

Arkeolog mengukur sisa C-14 untuk menentukan umur kayu, tulang, atau kain kuno.

🏥 Pindai PET atau rontgen

Rontgen memakai sinar-X dari tabung listrik, sedangkan PET memakai radioisotop yang disuntikkan. Keduanya memanfaatkan radiasi pengion dengan dosis yang dikendalikan.

🔔 Alarm asap di plafon

Sumber alfa Am-241 sangat kecil di dalamnya; kertas pun menghentikan alfa, sehingga aman selama alat tidak dibongkar.

✈️ Dosis tambahan saat terbang

Di ketinggian jelajah, atmosfer lebih tipis sehingga sinar kosmik lebih kuat. Satu penerbangan antarbenua menambah dosis kecil.

06Miskonsepsi yang Sering Muncul

"Elektron ada di dalam inti." Inti hanya berisi proton dan neutron. Elektron beta berasal dari perubahan neutron menjadi proton, bukan elektron yang sudah ada di inti.
"Defek massa berarti massa lenyap." Massa berubah menjadi energi ikat; energi total tetap kekal (massa-energi).
"Setelah dua waktu paruh, semua inti habis." Setelah 2T tersisa ¼ (25%), bukan nol.
"Waktu paruh bergantung pada jumlah atau suhu." Waktu paruh adalah tetapan khas tiap radioisotop, tidak terpengaruh oleh suhu, tekanan, atau jumlah sampel.
"Radiasi membuat benda yang dikenainya radioaktif." Sinar-X, gamma, dan alfa/beta pada umumnya tidak membuat benda menjadi radioaktif (kecuali aktivasi neutron pada kondisi khusus).
"Fisi dan fusi sama saja." Fisi membelah inti berat; fusi menggabungkan inti ringan, dan fusi melepas lebih banyak energi per nukleon.
"Energi ikat per nukleon terbesar dimiliki uranium." Puncaknya di besi-56 (≈ 8,8 MeV). Uranium sekitar 7,6 MeV.
"PLTN bisa meledak seperti bom atom." Bahan bakar reaktor daya hanya diperkaya 3–5%, jauh di bawah yang diperlukan untuk bom, dan teras dirancang tidak membentuk massa superkritis cepat. Risiko nyata ada pada kegagalan pendinginan dan kebocoran radioaktif.
"Semua radiasi berbahaya sama." Jenis, energi, dosis, dan jalur masuk menentukan: alfa berbahaya bila tertelan atau terhirup, tetapi tidak menembus kulit.

07Ringkasan

Topik	Rumus atau fakta
Komposisi	A = Z + N; atom netral punya Z elektron
Satuan	1 u = 931,5 MeV; 1 MeV = 1,602 × 10^-13 J
Defek massa	Δm = Z·m_p + (A − Z)·m_n − m_inti
Energi ikat	E = Δm × 931,5 MeV; stabil bila E/A besar (puncak di Fe-56)
Peluruhan	N = N₀(½)^t/T; λ = 0,693/T; A = λN
Alfa / beta / gamma	ΔA = −4, ΔZ = −2 / ΔA = 0, ΔZ = +1 / tak ada perubahan A dan Z
Reaksi inti	Σ A dan Σ Z kekal; Q = (Σm_awal − Σm_akhir) × 931,5 MeV
Fisi U-235	sekitar 200 MeV; reaksi berantai; 2–3 neutron baru
Fusi D–T	sekitar 17,6 MeV; butuh suhu sangat tinggi
Proteksi	Waktu singkat, jarak jauh (1/r²), perisai (½)^x/HVL

Strategi mengerjakan soal(1) Soal notasi: hitung neutron N = A − Z. (2) Soal reaksi: setarakan dulu A dan Z di kiri dan kanan sebelum menghitung energi. (3) Soal energi: hitung selisih massa dalam u, lalu kalikan 931,5. (4) Soal peluruhan: ubah t menjadi kelipatan T (t/T), lalu kalikan ½ sebanyak itu. (5) Soal perisai: hitung berapa HVL (x/HVL) dan jarak (1/r²).

08Kuis Latihan dan Pembahasan

Ada 12 soal. Pilih jawabanmu, lalu pembahasan langsung muncul. Gunakan 1 sma = 931,5 MeV bila diperlukan.