306: Fisika SMA: Penemuan Neutron adalah Percobaan yang Rumit karena Tidak Memiliki Muatan Listrik

Setelah diketahui bahwa inti atom tersusun atas proton dan material netral maka tantangan selanjutnya adalah apakah materila netral di dalam inti atom?

Mengukur sifat material netral dalam ukuran atomik adalah eksperimen yang sangat sulit. Material netral tidak dipengaruhi oleh medan magnet maupun medan listrik. Padahal selama ini yang digunakan untuk mengukur partikel bermuatan seperti elektron dan inti atom hidrogen (proton) adalah medan listrik dan medan magnet. Berdasarkan laju dan pembelokkan yang terjadi maka kita dapat menghitung massa maupun muatan partikel tersebut. Banyak alat yang sudah dibuat para peneliti saat itu untuk mengukur partikel bermuatan. Tetapi tidak ada alat yang dapat digunakan untuk mengukur partikel netral.

Ide Chadwick

Karena metode listrik maupun magnet tidak dapat digunakan untuk mengukur material netral dalam ukuran atom maka Chadwick menggunakan konsep fisika klasik, yaitu tumbukan elastik antar partikel. Mari kita kembali singgung tumbukan elastik dua partikel. Pada tumbukan ini berlaku hukum kekekalan momentum dan energi kinetik. Untuk tumbukan segaris maka kecepatan setelah tumbukan memenuhi persamaan

\( u_1 = {{m_1 – m_2} \over {m_1 + m_2}} v_1 + {{2 m_2} \over {m_1 + m_2}} v_2 \)

\( u_2 = {{2 m_1} \over {m_1 + m_2}} v_1 + {{m_1- m_2} \over {m_1 + m_2}} v_2 \)

dengan

\( m_1 \) adalah massa partikel pertama

\( m_2 \) adalah massa partikel kedua

\( v_1 \) adalah kecepatan awal partikel pertama

\( v_2 \) adalah kecepatan awal partikel kedua

\( u_1 \) adalah kecepatan akhir partikel pertama

\( u_2 \) adalah kecepatan akhir partikel kedua

Jika mula-mula partikel kedua diam maka

\( u_1 = {{m_1 – m_2} \over {m_1 + m_2}} v_1 \)

\( u_2 = {{2 m_1} \over {m_1 + m_2}} v_1 \)

Jika massa dua partikel sama \( m_1 = m_2\) maka

\( u_1 = 0 \)

\( u_2 = v_1 \)

Jadi terjadi transfer secara total momentum dan energi dari partikel pertama ke partikel kedua. Ini hanya terjadi jika massa dua partikel sama. Lihat Gambar 306.1 sebagai ilustrasi.

Gambar 306.1 Tumbukan elastis dua partikel yang memiliki massa sama

Percobaan Chadwick diilustrasikan pada Gambar 306.2. Chadwick menggunakan sinar alpha yang dihasilkan oleh atom Polonium (Po) untuk nenembak atom berilium (Be). Hasilnya adalah atom berilium memancarkan sinar misterius yang tidak memiliki muatan listrik. Ketika dikenakan medan listrik maupun medan magnet, berkas sinar tersebut tidak membelok.

Semula para ahli menduga bahwa sinar miusterius tersebut adalah sinar gamma karena sinar gamma juga netral. Tetapi setelah diukur daya tembusnya, sinar yang keluar dari atom berilium memiliki daya tembus yang lebih tinggi dari sinar gamma yang dikenal saat itu. Jadi, anggapan bahwa sinar misterius itu adalah sinar gamma dapat ditepis.

Gambar 306.2 Skema percobaan Chadwick (sumber gambar: wikipedia)

Sinar misterius yang dihasilkan atom belrium ditembakkan ke lilin parafin. Parafin adalah bahan hidrokarbon yang mengandung banyak sekali atom hidrogen. Inti atom hidrogen adalah proton. Harapannya adalah akan dihasilkan proton dari parafin.

Semua diduga bahwa proton yang dihasilkan memiliki energi yang tidak tinggi. Tetapi yang mengagetkan adalah proton yang dihasilkan memiliki energi yang sangat besar. Dan sinar misterius itu setelah menumbuk parafin seolah hilang? Ada apa ini?

  1. Sinar misterius itu hilang artinya sinar tersebut diam di dalam parafin. Ini berarti kecepatan sinar misterius setelah menumbuk proton menjadi nol.
  2. Energi proton yang dihasilkan parafin sangat tinggi. Ini berarti hampir semua energi sinar misterius diambil oleh proton.

Bagaimana menjelaskan dua fenomena di atas? Penjelasan yang paling mudah adalah menggunakan konsep tumbukan elastis sempurna yang kita bahas di atas. Sinar misterius adalah partikel yang memiliki massa sama dengan massa proton. Tumbukan elastik partikel yang memiliki kecepatan tertentu pada partikel bermassa sama tetapi diam menyebakan partilel pertama berhenti dan partikel kedua bergerak dengan kecepatan yang sama (lihat Gambar 306.1).

Kesimpulan Chadrick adalah sinar misterius terserbut adalah partikel yang memiliki massa sama dengan massa proton tetapi tidak bermutaan listrik.

Ketika  sinar misterius itu ditembakkan ke sejumlah material lain, Chadwick makin yakin bahwa sinar misterius tersebut adalah partikel memiliki massa sama dengan massa proton. Partikel tersebut akhirnya diberi nama neutron.

Atas temuan ini, James Chadwixck mendapat hadish Nobel Fisika tahun 1935. Engukuran yang lebih teliti menunjukkan massa neutron adalah \( 1,67492749804 \times 10^{−27} \) kg

Setelah penemuan Chadwik, akhirnya susunan inti atom dipahami jelas. Inti atom disusun oleh proton yang bermuatan listrik positif dan neutron yang netral. Atom disusun oleh tiga jenis partikel: proton, neutron, dan elektron.

Sumber gambar fitur: wikipedia

Jika merasa bermanfaat, silakan share dan like:

Leave a Reply