Bagaimana Terjadinya Neutrino pada Peluruhan Beta ( Materi pada Pembelajaran Fisika INTI)

Pauli Mengemukakan bahwa sinar beta bukan hanya terdiri dari berkas elektron, tapi juga “ditemani” berkas partikel lain yang bermuatan listrik netral, memiliki spin ½, dan massanya sangat kecil, hampir nol.

Partikel baru ini oleh Pauli diberi nama “neutron kecil”. Dengan kehadirannya Neutron kecil, hukum kekekalan momentum sudut spin terselamatkan. Juga hukum kekekalan energi, yang dengannya diperoleh penjelasan bahwa selisih energi neutron-proton sebesar ΔE terbagi pada si “neutron kecil” dan elektron.

Dengan demikian, apabila energi kinetik elektron tinggi, maka energi kinetik “neutron kecil” bernilai rendah. Demikian pula sebaliknya.

Usul pauli yang bersifat gagasan ini kemudian dirumuskan secara pasti melalui teori peluruhan sinar beta oleh Enrico Fermi pada 1933. Teori ini mampu memberi penjelasan secara numerik mengenai waktu paruh peluruhan sinar beta dari berbagai inti atom berat dan sejumlah data pengamatan yang terkait. Dalam menyusun teorinya, Enrico Fermi, memberi nama partikel hipotesis Pauli ini sebagai neutrino yang merupakan istilah italia untuk “si neutron kecil”, dan diberi lambang partikel ν, dari abjad Yunani nu. Jadi, persamaan peluruhan sinar beta diatas seharusnya adalah: n → p + e^- + ν. (kajian lebih lanjut menunjukkan bahwa neutrino yang terlibat disini ternyata adalah anti-neutrino). 

 

Hukum Gauss

1. Fluks Medan Listrik

Fluks ( Φ ) adalah sebuah sifat dari semua medan Vektor. Fluks diturunkan dari kata latin ” Fluere ”(mengalir). Untuk permukaan tertutup didalam sebuah medan listrik, bahwa ΦE adalah Positif jika garis – garis gaya yanng menuju keluar dan negatif jika garis – garis gaya yang menuju ke dalam.

Permukaan di bagi – bagi menjadi segi empat kuadratis ΔS yang masing – masing cukup kecil sehingga dapat di anggap sebagai bidang datar. Elemen luas dapat dinyatakan sebagai sebuah vektor ΔS, yang besarnya menyatakan luas ΔS ; arah ΔS di ambil normal.

Sebuah definisi setengah kuantitatip mengenai fluks adalah :

ΦE = Є t . ΔS

          Satuan SI yang sesuai untuk ΦE adalah Newton meter² atau Coloumb ( N.m²/c).

                    Definisi fluks listrik yang didapat didalam limit diferensial. Dengan menggantikan penjumlahan terhadap permukaan dengan sebuah integral terhadap permukaan akan menghasilkan :                                                          ΦE = ф E . dS

          Contoh Soal :

         

2. Hukum Coulomb

Pengertian hukum Coulomb adalah Gaya tarik atau gaya tolak dua benda yang bermuatan listrik berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya dan berbanding lurus dengan besar masing-masing muatan.Ditemukan oleh Charles Coulomb (1736 – 1806), dia mempelajarinya dengan menggunakan timbangan puntir hasil penemuannya. Untuk menyempurnakan penemuannya Coulomb menggunkan cara Induksi untuk memperoleh muatan dan mevariasikan besarnya muatan, sebagai contoh dari percobaan Coulomb, mula – mula muatan pada setiap bola sebesar Q0, besarnya muatan tersebut dapat dikurangi menjadi ½ Q0 dengan cara membumikan salah satu bola tersebut agar muatannya terlepas dan kemudian kedua bola dikontakkan kembali.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            F = Kq1 . q2

                         r²

          F = Gaya (N)

          K = Konstanta, 8,99 X 10⁹ N. m²/C²

          Q = Muatan ( C )

          R = Jarak ( m )

                    Gaya yang timbul akibat adanya 2buah titik muatan antara keduanya, yang besarnya sebanding dengan perkalian nilai ke 2 muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya :

1.     Interaksi antara benda – benda bermuatan ( tdk hanya titik muatan ) terjadi melalui gaya tak kontak. Yang bekerja melampaui jarak Separasi.

2.     Bahwa arah pada masing – masing muatan selalu terletak sepanjang garis yang menghubungkan ke 2 muatan tersebut.

3.     Gaya yang timbul dapat membuat kedua titik tarik menarik atau saling tolak menolak tergantung nilai dari masing – masing muatan. Muatan sejenis ( bertanda sama ) → tolak menolak. Muatan berbeda → Tarik Menarik.

Contoh Soal :

          Dua muatan titik masing – masing sebesar 0.05 µC dipisahkan pada jarak 10cm. Carilah;

a.     Besarnya gaya yang dilakukan oleh satu muatan pada muatan lain

b.     Jumlah satuan muatan dasar pada masing – masing muatan.

Jawab :

a.     Dari hukum Coloumb, besarnya gaya adalah

F = K.q1.q2

          r²

   = ( 8,99 x 10⁹ N.m²/C² ).(0,05 x 10^-6 C).( 0,05 x 10^-6 C)

                                             ( 0,1 m )²

   = 2,25 x 10^-3 N

b.     Jumlah elektron yang diperlukan untuk menghasilkan muatan sebesar 0,05 µC diperoleh dari :

Q = Ne

N = q / e = 0,05 x 10^-6 C = 3,12 x 10¹¹

                         1,6 X 10^-19 C

3. Hukum Gaus

Hukum gaus adalah fluks listrik yang menembus suatu permukaan tertutup sama dengan jumlah muatan tertutup sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu dibagi dengan permitivitas udara.

Persamaan Hukum Gauss

          Φ net = Є E A cos θ = q / Єo

                    Untuk kuat medan liastrik

          Φ net =  Є E A cos θ = 4π r² E → E = q / 4π r² = K. q/ r²

          1. Beda Potensial dan Potensial Listrik :

•        Gaya elektrostatik bersifat konservatif

•        Secara mekanik, usaha adalah

Usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah muatan listrik dari A ke B adalah

          2. Interaksi listrik statik bersifat konservatif karena

–       Tidak ada disipasi energi ketika partikel bermuatan berpindah dalam medan listrik.

–       Potensial listrik merupakan fungsi keadaan.

Muatan listrik dipindahkan secara radial

          3. Energi Potensial medan listrik statik

Usaha pada gaya konservatif sama dengan negatif dari perubahan energi potensial, ΔPE

         

Persamaan ini hanya berlaku untuk medan listrik serba sama / homogen, dan dari persamaan ini kita akan mengenal konsep potensial listrik.

4. Potensial Listrik

•        Beda potensial listrik antara dua titik

 

•        Potensial listrik merupakan besaran skalar dan disebut juga tegangan.

4. Potensial Listrik Pada sebuah Titik di Sekitar Muatan Listrik

5. Analogi antara medan gravitasi dan medan gravitasi listrik

   Fluks listrik didefinisikan sebagai jumlah/banyaknya garis-garis medan listrik yang menembus tegak lurus suatu bidang.

   Pernyataan hukum Gauss, ”Fluks listrik yang menembus suatu permukaan tertutup sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu dibagi dengan permitivitas udara”

   Potensial listrik adalah perubahan energi potensial per satuan muatan yang terjadi ketika sebuah muatan uji dipindahkan dari suatu titik yang tak berhingga jauhnya ke titik yang ditanyakan.

   Energi potensial listrik adalah usaha yang dibutuhkan sebuah muatan listrik untuk dipindahkan dari sebuah titik.

   Kuat medan listrik dan potensial listrik saling berhubungan.

Struktur BUMI

1. Tinjauan Umum Tentang Bumi

Sebuah bola batu besar yang berputar di angkasa menjadi tempat tinggal kita jagat raya. Bola itu adalah bumi, salah satu sembilan (9) planet yang mengitari matahari. Sejauh diketahui, bumilah satu-satunya tempat yang memungkinkan kehidupan. Bumi memiliki oksigen di atmosfer dan air di laut, dua hal yang sangat penting untuk kehidupan. Dari semua planet, hanya bumi yang letaknya tepat, tak terlalu panas atau dingin. Kurang dari sepetiga permukaan bumi adalah daratan, sisanya lautan. Makhluk hidup bisa bertahan di bumi karena kehidupan disini berjalan seimbang. Tapi banyak orang mulai cemas akan polusi, ledakan penduduk, dan penyalahgunaan sumber daya alam yang bisa menghancurkan keseimbangan itu. Akibatnya, bumi tak aman lagi bagi makhluk hidup.

2. Teori Mengenai Bumi

Dulu orang mengira bumi ini datar. Baru sekitar 2.500 tahun lalu bangsa Yunani menemukan bahwa bumi bulat. Sekitar tahun 260 SM Aristarchus, ilmuan Yunani, mengemukakan bahwa bumilah yang mengelilingi matahari, bukan sebaliknya. Tapi baru pada tahun 1543 gagasan itu didukung oleh Nicolas Copernicus (1473-1543 ), ilmuan Polandia. Hingga kini masih muncul aneka teori mengenai bumi. Salah satunya adalah teori Gaia, yang menyatakan bahwa seluruh bumi bertindak- tanduk sebagai makhluk hidup.

Data Tentang Bumi

1)          Diameter                     : 12.756  km

( khatulistiwa )

2)          Diameter                     : 12.714  km

( kutub )

3)          Keliling                       : 40.075  km

( khatulistiwa )

4)          Luas Daratan              : 29,2      % dari permukaan bumi

5)          Luas Lautan                : 70,8      % daripermukaan bumi

6)          Bobot                          : 6.000    miliar  miliar ton

7)          Lamanya                     : 23         jam     

1 kali  rotasi                : 56         menit   4    detik

8)          Lamanya                     : 365       hari      6    jam

1 kali revolusi             : 9           menit   9    detik

9)          Jarak dari matahari     : 150       juta km

3. Pembentukan Bumi

Menurut ilmuan, bumi berusia sekitar 4,6 miliar tahun. Beberapa contoh batuan bulan dan meteorit (batuan angkasa luar yang jatuh ke bumi ) juga berusia sama. Dari situ disimpulkan bahwa seluruh tata surya terbentuk secara bersamaan. Matahari, bumi, dan planet lain terbentuk dari awan gas dan debu. Adapun proses pembentukan bumi adalah sebagai berikut :

1)     Suatu nebula (awan gas dan debu ) menyusut sekitar 4,6 miliar tahun lalu. Sebagian besar di antaranya menjadi matahari. Sisanya kemudian menyusut lagi dan terpecah menjadi gumpalan partikel es dan batuan. Setelah beberapa waktu, partikel-partikel ini melekat satu sama lain sampai berbentuk planet-planet.

2)     Setelah sekitar 100 juta tahun, bumi menjadi bola batuan raksasa. Planet baru ini menjadi panas karena partikel-partikel batuannya saling berbenturan. Permukaannya lalu meleleh dan bumi muda ini tampak merah membara.

3)     Radioaktivitas dalam batuan meningkatkan panasnya, sehingga seluruh bumi meleleh. Besi cair kemudian turun ke pusat dan membentuk inti bumi dan membentuk inti bumi. Batuan yang lebih ringan mengapung di atas lapisan besi itu. Sekitar 4,5 miliar tahun lalu permukaan bumi mendingin dan membentuk kerak bumi. Gunung-gunung api meletus dan memuntahkan gas dan uap air. Gas itu kemudian membentuk atmosfer, sedang uap air berkondensasi (berubah jadi air ) dan membentuk lautan.

4)     Kira-kira 3,5 miliar tahun lalu, muncullah makluk-makhluk hidup pertama berbentuk sel mikroskopis. Sebagian diantaranya menghasilkan oksigen yang membentuk atmosfer sekitar 2,3 miliar tahun lalu. Sementara itu, benua-benua terpisah dan bergeser perlahan sampai ke posisi yang sekarang. Kini benua-benua itu masih terus bergeser. Proses ini disebut apungan benua. 

4. Bumi Berdasarkan Susunan Kimianya

Berdasarkan susunan kimianya, bumi dapat dibagi menjadi empat bagian, yakni

ü  bagian padat (lithosfer) yang terdiri dari tanah dan batuan

ü  bagian cair (hidrosfer) yang terdiri dari berbagai bentuk ekosistem perairan seperti laut, danau dan sungai

ü  bagian udara (atmosfer) yang menyelimuti seluruh permukaan bumi

ü  serta bagian yang ditempati oleh berbagai jenis organisme (biosfer).

Keempat komponen tersebut berinteraksi secara aktif satu sama lain, misalnya dalam siklus biogeokimia dari berbagai unsur kimia yang ada di bumi, proses transfer panas dan perpindahan materi padat. 

.

E.     Lapisan Bumi Secara Struktur

Secara struktur , lapisan bumi dibagi menjadi tiga ( 3 ) bagian, yaitu sebagai berikut :

1)     Kerak bumi (crush)

Merupakan kulit bumi bagian luar (permukaan bumi).  Tebal lapisan kerak bumi mencapai 70 km dan merupakan lapisan batuan yang terdiri dari batu-batuan basa dan masam.  Lapisan ini menjadi tempat tinggal bagi seluruh mahluk hidup.  Suhu di bagian bawah kerak bumi mencapai 1.100 oC.  Lapisan kerak bumi dan bagian di bawahnya hingga kedalaman 100 km dinamakan lithosfer.

Lithosfer berasal dari bahasa yunani yaitu lithos artinya batuan, dan sphera artinya lapisan. Lithosfer merupakan lapisan kerak bumi yang paling luar dan terdiri atas batuan dengan ketebalan rata-rata 1200 km.  Lithosfer adalah lapisan kulit bumi paling luar yang berupa batuan padat. Lithosfer merupakan lempeng yang bergerak sehingga dapat menimbulkan persegeran benua. Penyusun utama lapisan lithosfer adalah batuan yang terdiri dari campuran antar mineral sejenis atau tidak sejenis yang saling terikat secara gembur atau padat.

Klasifikasi dasar dari batuan berdasarkan asal usul terbentuknya, terdiri dari tiga macam batuan, yaitu;

1)     Igneous Rock (Batuan Beku)

 Terkristalisasi dari bekuan magma.

2)     Sedimentary (Batuan Sediment)

Endapan dari hasil pengikisan batuan permukaan.

3)     Metamorphic (Batuan Ubahan)

Hasil dari alterasi batuan dan mineral lain.

Litosfer merupakan lapisan tubuh bumi bagian luar, yang bersifat keras ( crust ). Menurut Holmes, kerak bumi dibagi menjadi 3 :

1.     Bagian atas : Memiliki ketebalan 15km, massa jenis sekitar 2,7 dengan tipe magma granit. Bagian atas disebut sial karen sebagian besar terdiri dari zat – zat silisum dan aluminium.

2.     Bgian tengah : memiliki ketebalan 25km, massa jenis 3,5 dengan tipe magma basalt. Bagian ini disebut Sima, karena sebagian besar terdiri dari zat – zat silisium dan magnesium.

3.     Bagian bawah : memiliki ketebalan 20 km, massa jenis 3,5 dengan tip magma peridotit dan eklogit.

Induk batuan pembentuk litosfer adalah magma, yaitu batuan cair pijar yang bersuhu sangat tinggi dan terdapat di bawah kerak bumi.  Magma akan mengalami beberapa proses perubahan sampai menjadi batuan beku, batuan sedimen dan batuan metamorf.

Lithosfer memegang peranan penting dalam kehidupan tumbuhan.  Tanah terbentuk apabila batu-batuan di permukaan litosfer mengalami degradasi, erosi maupun proses fisika lainnya menjadi batuan kecil sampai pasir.  Selanjutnya bagian ini bercampur dengan hasil pemasukan komponen organis mahluk hidup yang kemudian membentuk tanah yang dapat digunakan sebagai tempat hidup organisme.

Tanah merupakan sumber berbagai jenis mineral bagi mahluk hidup.  Dalam wujud aslinya, mineral-mineral ini berupa batu-batuan yang treletak berlapis di permukaan bumi.  Melalui proses erosi mineral-mineral yang menjadi usmber makanan mahluk hidup ini seringkali terbawa oleh aliran sungai ke laut dan terdeposit di dasar laut.

Lithosphere terdiri dari komponen primer seperti;

1)     Minerals, segala bentuk komponen kimia yang memiliki sifat-sifat fisika dan kimia. Seperti silika (SIO₂) atau kalsium karbonat (CaCO₃).

2)     Batuan, secara alami terbentuk, materi mineral terkonsolidasi dan terkompaksi.Batuan bisa terdiri dari hanya satu macam mineral saja (Contohnya; Salt) atau terdiri dari berbagai mineral (Contohnya; sandstone).

3)      Fluida, komponen paling banyak adalah air (lebih dari 90%), gas dan   hydrocarbon.

Ketebalan lithosphere bervariasi, dari sekitar 65 km sampai 100 km, dan terdiri dari batuan silika/silisium-magnesium (SIMA) dan silika/silisium-aluminium (SIAL). Lithosphere mempunyai nilai Specific Gravity (SG) 2.7 sampai 3.

                           I.     Lapisan sial (silisium alumunium )

yaitu lapisan kulit bumi yang tersusun atas logam silisium dan alumunium, senyawanya dalam bentuk SiO₂ dan Al₂O_3. Pada lapisan sial (silisium dan alumunium) ini antara lain terdapat batuan sedimen, granit andesit jenis-jenis batuan metamor, dan batuan lain yang terdapat di daratan benua. Lapisan sial dinamakan juga lapisan kerak, bersifat padat dan batu bertebaran rata-rata 35 km.  Kerak bumi ini terbagi menjadi dua bagian yaitu :

a)     Kerak benua, merupakan benda padat yang terdiri dari batuan granit di bagian atasnya dan batuan beku basalt di bagian bawahnya. Kerak ini yang merupakan benua.

b)     Kerak samudera, merupakan benda padat yang terdiri dari endapan di laut pada bagian atas, kemudian di bawahnya batuan batuan vulkanik dan yang paling bawah tersusun dari batuan beku gabro dan peridolit. Kerak ini menempati dasar samudra 

                         II.     Lapisan sima (silisium magnesium)

yaitu lapisan kulit bumi yang tersusun oleh logam logam silisium dan magnesium dalam bentuk senyawa Si O₂ dan MgO lapisan ini mempunyai berat jenis yang lebih besar dari pada lapisan sial karena mengandung besi dan magnesium yaitu mineral ferro magnesium dan batuan basalt. Lapisan ini merupakan bahan yang bersipat elastis dan mepunyai ketebalan rata rata 65 km

2)     Selimut atau selubung (mantle)

Garis pembatas yang disebut ketidaksinambungan Mohorovicic atau Moho menandai pemisahan antara kerak dan selubung.

Dibawah lithosphere penelitian semakin sulit dilakukan. Lapisan ini dikenal juga sebagai lapisan Pyrosphere terdiri dari besi dan mineral SIMA. Tekanan dari lapisan diatasnya membuat lapisan ini selalu dalam kondisi solid, tapi tetap bisa melelehkan batuan. Lapisan mantle paling luar sekitar 200 km dinamai dengan asthenosphere. Pada lapisan ini tekanan dan suhu berada pada kondisi berimbang sehingga lapisan ini bersifat plastis. Asthenosphere merupakan sumber dari aktivitas vulkanik dan seismik (gempa).

Mantle merupakan lapisan yang terletak di bawah lapisan kerak bumi .  Tebal selimut bumi mencapai 2.900 km dan merupakan lapisan batuan padat. Dipercaya bahwa komposisi selubung mirip dengan dengan mineral yang disebut peridiotit ( batuan silikat [SiO2] berwarna hijau muda sampai hijau tua dengan persentase magnesium dan besi yang tinggi ). Suhu di bagian bawah selimut bumi mencapai 3.000 oC. 

3)     Inti bumi (core)

Yang terdiri dari material cair, dengan penyusun utama logam  besi (90%), nikel (8%), dan lain-lain yang terdapat  pada kedalaman 2900 – 5200 km.  Lapisan ini dibedakan menjadi lapisan inti luar dan lapisan inti dalam. 

a)     Lapisan inti luar

·       tebalnya sekitar 2.000 km

·       terdiri atas   besi cair yang suhunya mencapai 2.200 oC ( bersifat liquit atau cair ).

·       Menurut teori ( Teori Dinamo ), perputaran bumi pada porosnya (rotasi) menyebabkan terjadinya arus sirkulasi pada bagian cair inti bumi. Sirkulasi ini merupakan sumber dari medan magnet yang menyelimuti bumi

·       Batas antara mantel dan inti luar disebut Diskontinuitas Gutenberg.

b)     Inti dalam

·       terdiri dari nikel dan besi yang suhunya mencapai 4.500 oC ( bersifat solid atau padat )

·       inti dalam merupakan pusat bumi berbentuk bola dengan diameter sekitar 2.700 km, berwujud padat.