Contoh Soal Pembahasan Reaksi Fisi
Pendahuluan
Reaksi fisi nuklir adalah salah satu fenomena yang paling menarik dan penting dalam dunia fisika nuklir. Reaksi ini melibatkan pembelahan inti atom berat menjadi inti yang lebih ringan, beserta pelepasan sejumlah besar energi. Mekanisme inilah yang menjadi dasar dari teknologi pembangkit listrik tenaga nuklir dan bom atom. Memahami reaksi fisi, baik dari kacamata teoretis maupun praktis, merupakan hal yang esensial bagi mahasiswa fisika maupun individu yang tertarik pada sains nuklir. Artikel ini mengupas beberapa contoh soal reaksi fisi dan pembahasannya agar kita bisa memahami lebih dalam tentang konsep ini.
Konsep Dasar Reaksi Fisi
Reaksi fisi secara sederhana bisa diartikan sebagai proses di mana inti atom berat (seperti uranium-235 atau plutonium-239) menyerap sebuah neutron dan terbelah menjadi dua atau lebih inti yang lebih ringan, sejumlah neutron, dan energi yang besar. Energi yang dilepaskan dalam reaksi fisi berasal dari perbedaan massa, di mana sedikit massa hilang dan diubah menjadi energi sesuai hukum E=mc² yang digagas oleh Albert Einstein.
Proses Fisi Nuklir
Reaksi fisi biasanya dimulai saat inti atom berat menyerap neutron lepas. Hal ini menciptakan isotop yang sangat tidak stabil, yang begitu tidak stabilnya sehingga hampir seketika memisah menjadi inti-inti yang lebih ringan, serta beberapa neutron dan energi yang signifikan. Berikut adalah contoh reaksi fisi uranium-235:
\[
{}^{235}_{92}U + {}^1_0n \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3{}^1_0n + \text{energi}
\]
Contoh Soal Reaksi Fisi
Berikut adalah beberapa contoh soal mengenai reaksi fisi yang sering ditemukan dalam pembelajaran fisika nuklir beserta pembahasan penyelesaiannya.
Contoh Soal 1
Soal : Sebuah inti uranium-235 menangkap sebuah neutron dan mengalami fisi menjadi barium-141, krypton-92, tiga neutron, dan energi. Hitunglah energi yang dilepaskan dalam reaksi ini, jika diketahui massa dari partikel-partikelnya sebagai berikut:
– Massa ${}^{235}_{92}U = 235.0439299 \ \text{u}$
– Massa neutron $^1_0n = 1.0086649 \ \text{u}$
– Massa ${}^{141}_{56}Ba = 140.9144060 \ \text{u}$
– Massa ${}^{92}_{36}Kr = 91.9261730 \ \text{u}$
_Note: 1 u = 931.5 MeV/c²._
Pembahasan :
1. Jumlah Massa Sebelum Reaksi:
– Massa sebelum reaksi adalah massa dari uranium-235 dan satu neutron:
\[
M_{\text{sebelum}} = 235.0439299 \, \text{u} + 1.0086649 \, \text{u} = 236.0525948 \, \text{u}
\]
2. Jumlah Massa Setelah Reaksi:
– Massa setelah reaksi adalah massa dari barium, krypton, dan tiga neutron:
\[
M_{\text{setelah}} = 140.9144060 \, \text{u} + 91.9261730 \, \text{u} + 3 \times 1.0086649 \, \text{u} = 235.8476727 \, \text{u}
\]
3. Perubahan Massa:
– Perubahan massa, atau hilangnya massa, adalah selisih antara massa sebelum dan sesudah reaksi:
\[
\Delta m = M_{\text{sebelum}} – M_{\text{setelah}} = 236.0525948 \, \text{u} – 235.8476727 \, \text{u} = 0.2049221 \, \text{u}
\]
4. Energi yang Dilepaskan:
– Energi yang dilepaskan, sesuai persamaan Einstein \(E=mc^2\), dapat dihitung dari perubahan massa:
\[
E = \Delta m \times 931.5 \, \text{MeV/u} = 0.2049221 \, \text{u} \times 931.5 \, \text{MeV/u} \approx 190.804 \, \text{MeV}
\]
Energi yang dilepaskan dalam reaksi fisi uranium-235 ini adalah sekitar 190.804 MeV.
Contoh Soal 2
Soal : Sebuah reaktor nuklir rata-rata melepaskan energi sebesar 200 MeV per reaksi fisi. Jika reaktor tersebut menghasilkan daya sebesar 1 GW (1 gigawatt = $10^9$ W), berapakah jumlah reaksi fisi yang terjadi per detik?
Pembahasan :
1. Energi yang Dilepaskan per Reaksi:
– Setiap reaksi menghasilkan 200 MeV yang setara dengan:
\[
1 \, \text{MeV} = 1.60218 \times 10^{-13} \, \text{J}, \quad \text{jadi, } 200 \, \text{MeV} = 200 \times 1.60218 \times 10^{-13} \, \text{J} = 3.20436 \times 10^{-11} \, \text{J}
\]
2. Daya Reaktor:
– Daya yang dihasilkan adalah 1 GW, atau $10^9$ W, yang sama dengan $10^9$ J/s.
3. Perhitungan Jumlah Reaksi:
– Jumlah reaksi per detik dapat dihitung dengan membagi daya total dengan energi per reaksi:
\[
\text{Jumlah reaksi per detik} = \frac{10^9 \, \text{J/s}}{3.20436 \times 10^{-11} \, \text{J/reaksi}} = 3.12 \times 10^{19} \, \text{reaksi/detik}
\]
Oleh karena itu, sekitar \(3.12 \times 10^{19}\) reaksi fisi terjadi setiap detik untuk menghasilkan daya sebesar 1 GW.
Penutup
Melalui pemahaman dan penghitungannya, reaksi fisi tidak hanya menjadi elemen penting dalam pembelajaran fisika, tetapi juga aplikasinya di dunia nyata yang sangat signifikan. Teknologi energi nuklir bergantung pada reaksi fisi, dan setiap kemajuan dalam teknologi ini dapat membawa manfaat sekaligus risiko yang besar. Dengan memahami konsep dasar dan penerapannya melalui soal-soal di atas, kita dapat lebih memahami dampak dari reaksi fisi dalam kehidupan sehari-hari dan potensi yang dapat digali lebih lanjut.