ASRI NOVIANTI: Atomic Nucleus

ATOMIC NUCLEUS

Objective:

To duplicate an experiment that show an atom have a nucleus.

Theory:

Among the ancient Greeks there were two theories as to the nature of matter, or substance. Some, such as Anaxagoras and Aristotle, held that matter was infinite and continuous, and that therefore any substance could theoretically be divided and subdivided to an infinite extent. Others, such as Democritus and Epicurus, taught that matter was grained, that is, consisted of minute particles which could not be divided. Both theories were based on naturally slender experimental evidence.

John Dalton, in the 19th century, believed that gases consisted of particles or ‘corpuscles’. Particles of a compound must therefore be divisible into atomic particles of the atoms combined. Dalton enunciated the law of constant proportions, which states that when two elements unite to form a compound they do so in a constant ratio that is characteristic of that compound.

On around 1900 from his experiments with alpha-particles, Ernest Rutherford and others (1911–13) showed that practically the whole mass of any atom is concentrated in an extremely small central nucleus bearing a positive electrical charge. With Henry Moseley in 1913 he showed that the nucleus contains a number of positive charges dependent on the element, and called the atomic number of the element. Around the nucleus move an equal number of electrons at a relatively great distance. The lightest nucleus, the hydrogen nucleus, contains a single positive charge, and is called a proton.

In 1913, Niels Bohr proposed that the electrons move in orbits around the nucleus-like planets round the Sun, and suggested how atoms might emit or absorb light. These ideas were developed and applied with great success by Bohr and others using quantum theory, to the full elucidation of atomic structure, and the explanation of the properties of matter in bulk, and of the substructure of the nucleus itself.

In 1932, James Chadwick discovered that the bombardment of beryllium by alpha-particles produced neutral particles which he called neutrons. From the atomic weights of atoms, and the known weights of the proton and the electron it became clear that (1) protons and neutrons have essentially equal masses, and (2) that atomic nuclei contain approximately equal numbers of protons and neutrons, the protons carrying the nuclear charge.

Atoms are composed of a massive, central nucleus surrounded by a swarm of fast-moving electrons. The nucleus is made up of protons and, in most cases, neutrons. Almost all of the mass (more than 99%) of an atom is contained in the dense nucleus. The nucleus is the very dense region consisting of nucleons (protons and neutrons) at the center of an atom. Almost all of the mass in an atom is made up from the protons and neutrons in the nucleus, with a very small contribution from the orbiting electrons.

An atomic nucleus is much, much smaller than an atom. The cloud of electrons that "orbit" the nucleus and define the "size" of an atom is roughly 100,000 times as large as that atom's nucleus! For example, a helium atom has a size of about 1 Ångström (0.1 nanometers or 10^-10 meters), while its nucleus is only 1 femtometer (10^-15 meters) in diameter.

The nucleus of an atom consists of protons and neutrons (two types of baryons) bound by the nuclear force (also known as the residual strong force). These baryons are further composed of subatomic fundamental particles known as quarks bound by the strong interaction. Which chemical element an atom represents is determined by the number of protons in the nucleus. Each proton carries a single positive charge, and the total electrical charge of the nucleus is spread fairly uniformly throughout its body, with a fall-off at the edge.

Tools and materials:

4 wood blocks
1 Styrofoam 50x50 cm
Ping pong ball
Double tape
12 marbles

Method:

Arrange 4 metal block to support the Styrofoam.
Place ping pong ball at the center of 4 metal blocks with use double tip.
Make a same model, but add 11 marbles that distributed equally on the room.
Put the Styrofoam on two models. First model represent that proton and neutron are concentrated on nucleus. Second models represent that proton and electron are spread on atom.
Roll one marble at one side of model smoothly.
Repeat the experiment 912 times)
Write the observation data on the table.

Data

Model A

Straight

Muddy

Change the direction

Stay inside

Model B

Straight

Muddy

Change the direction

Stay inside

Analysis

Semua materi yang ada di kehidupan sehari-hari terbentuk dari atom-atom. Atom adalah partikel dasar pembentuk materi. Atom terdiri dari partikel bermuatan negatif yang disebut elektron, yang mengelilingi inti bermuatan positif. Nukleus merupakan pusat atom. Nukleus terdiri dari proton, partikel bermuatan positif, dan netron yang tidak mempunyai muatan (netral). Proton dan netron di dalam nukleus disebut nukleon.

Praktikum ini bertujuan untuk mengobservasi suatu eksperimen yang menyatakan bahwa atom memiliki inti. Observasi dilakukan dengan cara membuat dua buah model, A dan B. Model A merepresentasikan bahwa proton dan netron terkonsentrasi di dalam inti, sedangkan model B merepresentasikan bahwa proton dan netron terhambur di dalam atom.

Kedua model merupakan observasi dari beberapa eksperimen yang telah dilakukan oleh para ilmuwan sebelumnya. Pada model A, bola ping pong diletakkan di tengah (pusat) styrofoam. Bola ping pong merepresentasikan sebagai proton dan netron yang terpusat di dalam inti, sedangkan kelereng yang digelindingkan merepresentasikan suatu partikel bermuatan yang ditembakkan ke dalam atom. Kelereng tersebut ada yang terus, membelok, berubah arah, dan tinggal di dalam atom.

Eksperimen ini merupakan bentuk sederhana pengujian teori Rutherford. Rutherford melakukan penelitian bermuatan listrik bermuatan listrik positif ke lempeng emas yang sangat tipis. Dari hasil pengamatan diketahui bahwa partikel itu sebagian ada yang menembus, ada yang membelok, dan ada yang memantul. Oleh karena itu, Rutherford menarik kesimpulan bahwa hal ini menunjukkan atom bukanlah sebuah bola pejal, tetapi memiliki rongga. Ruang antar antarpartikel atom inilah yang menyebabkan sebagian partikel bermuatan listrik yang ditembakkan dapat menembus lempeng emas.

Adanya partikel yang membelok disebabkan karena partikel ini mengalami penolakan dari sesuatu yang bermuatan listrik sejenis. Rutherford kemudian menyebut partikel bermuatan positif tersebut sebagai proton. Partikel yang memantul kembali disebabkan partikel bermuatan positif itu menabrak sesuatu yang relatif lebih besar yang disebut inti atom.

Model kedua merepresentasikan bahwa proton dan elektron tersebar di dalam atom. Elektron dan proton yang tersebar dilambangkan oleh 11 kelereng di atas styrofoam. Model ini sama dengan model atom yang dikemukakan oleh J.J Thomson. Thomson menyatakan bahwa atom mempunyai muatan listrik yang menyebar merata di seluruh bagian atom. Elektron-elektron menyebar diantara muatan-muatan positif atom, seperti butiran kismis pada kue.

Pada model ini kelereng yang digelindingkan juga mengalami hal yang sama seperti pada model A. Ada kelereng yang lurus, membelok, berubah arah, dan tinggal di dalam atom. Berdasarkan percobaan yang dilakukan praktikan, kelereng sebagian besar membelok dan tinggal di dalam atom.

Kelereng yang digelindingkan merupakan representasi dari sinar radioaktif ayng menembus suatu atom. Ada beberapa macam sinar radioaktif, antara lain sinar x, sinar α, sinar β, dan sinar γ. Sinar x adalah radiasi sinar elektromagnetik.

Sinar alfa merupakan radiasi partikel yang bermuatan positif. Partikel sinar alfa sama dengan inti helium -4, bermuatan +2e dan bermassa 4 sma. Partikel alfa adalah partikel terberat yang dihasilkan oleh zat radioaktif. Sinar alfa dipancarkan dari inti dengan kecepatan sekitar 1/10 kecepatan cahaya. Karena memiliki massa yang besar, daya tembus sinar alfa paling lemah diantara diantara sinar-sinar radioaktif. Di udara hanya dapat menembus beberapa cm saja dan tidak dapat menembus kulit. Sinar alfa dapat dihentikan oleh selembar kertas biasa. Sinar alfa segera kehilangan energinya ketika bertabrakan dengan molekul media yang dilaluinya.

Sinar beta merupakan radiasi partikel bermuatan negatif. Sinar beta merupakan berkas elektron yang berasal dari inti atom. Partikel beta yang bemuatan-l e dan bermassa 1/836 sma. Partikel beta dianggap tidak bermassa karena sangat kecil sehingga dinyatakan dengan notasi

. Energi sinar beta sangat bervariasi, mempunyai daya tembus lebih besar dari sinar alfa tetapi daya pengionnya lebih lemah. Sinar beta paling energetik dapat menempuh sampai 300 cm dalam udara kering dan dapat menembus kulit. Sinar gamma adalah radiasi elektromagnetik berenergi tinggi, tidak bermuatan dan tidak bermassa. Sinar gamma dinyatakan dengan notasi

. Sinar gamma mempunyai daya tembus.

Kelereng yang menggelinding lurus merepresentasikan sinar gamma, kelereng yang membelok merepresentasikan sinar beta, sedangkan kelereng yang berubah arah dan tinggal di tempat merepresentasikan sinar alfa.

Conclusion

Atom terdiri dari partikel bermuatan negatif yang disebut elektron, yang mengelilingi inti bermuatan positif. Nukleus merupakan pusat atom. Nukleus terdiri dari proton, partikel bermuatan positif, dan netron yang tidak mempunyai muatan (netral). Proton dan netron di dalam nukleus disebut nukleon.

Model dalam praktikum ini merupakan observasi dari beberapa eksperimen yang telah dilakukan oleh para ilmuwan sebelumnya. Pada model A, bola ping pong diletakkan pusat atom (styrofoam). Bola ping pong merepresentasikan sebagai proton dan netron yang terpusat di dalam inti, sedangkan kelereng yang digelindingkan merepresentasikan suatu partikel bermuatan yang ditembakkan ke dalam atom. Setelah digelindingkan, kelereng tersebut ada yang lurus, membelok, berubah arah, dan tinggal di dalam atom. Hal itu disebabkan oleh adanya ruang kosong dalam atom (kelereng bergerak lurus) dan adanya pengaruh inti atom (kelereng membelok dan berubah arah).

Pada model B, kelereng yang digelindingkan mengalami hal yang sama seperti pada model A. Ada kelereng yang lurus, membelok, berubah arah, dan tinggal di dalam atom. Namun, kelereng sebagian besar membelok dan tinggal di dalam atom. Kelereng yang menggelinding lurus merepresaentasikan pancaran sinar gama (γ), kelereng yang membelok merepresentasikan pancaran sinar beta (β), sedangkan kelereng yang berubah arah dan tinggal di tempat merepresentasikan sinar alfa (α).