Fisika nuklir adalah cabang fisika yang mempelajari inti atom (nukleus), konstituennya (proton dan neutron), serta interaksi dan fenomena yang terjadi di dalamnya. Ini adalah bidang yang berbeda dari fisika atom, yang berfokus pada atom secara keseluruhan, termasuk elektronnya. Fisika nuklir adalah dasar dari banyak teknologi penting, mulai dari energi nuklir hingga kedokteran nuklir.

1. Inti Atom (Nukleus)

Inti atom adalah bagian pusat atom yang sangat padat dan bermuatan positif. Ia terdiri dari:

• Proton (p): Partikel bermuatan positif. Jumlah proton dalam inti menentukan jenis unsur kimia (nomor atom, Z).
• Neutron (n): Partikel tidak bermuatan (netral). Jumlah neutron (N) dalam inti atom yang sama bisa bervariasi, menghasilkan isotop.
• Nukleon: Istilah kolektif untuk proton dan neutron, yang merupakan partikel penyusun inti.
• Nomor Massa (A): Jumlah total proton dan neutron dalam inti (A=Z+N).

Meskipun ukurannya sangat kecil (sekitar 10−15 meter), inti atom mengandung hampir seluruh massa atom.

2. Gaya Nuklir Kuat (Strong Nuclear Force)

Mengingat proton bermuatan positif dan saling tolak-menolak secara elektrik (gaya Coulomb), pasti ada gaya yang sangat kuat yang mengikat nukleon-nukleon ini di dalam inti. Gaya inilah yang disebut Gaya Nuklir Kuat.

• Sifat Gaya Nuklir Kuat:
  • Sangat Kuat: Jauh lebih kuat daripada gaya elektromagnetik (tolak-menolak proton) atau gaya gravitasi.
  • Jangkauan Pendek: Hanya efektif pada jarak yang sangat kecil, seukuran inti atom (10−15 meter). Di luar jarak itu, gayanya melemah drastis.
  • Tidak Bergantung Muatan: Bekerja sama kuat antara proton-proton, neutron-neutron, dan proton-neutron. Ini berbeda dengan gaya elektromagnetik yang hanya bekerja pada partikel bermuatan.

Gaya inilah yang menjaga stabilitas inti atom, melawan tolakan listrik antar proton.

3. Energi Ikat Inti (Binding Energy)

Massa suatu inti atom stabil selalu lebih kecil daripada jumlah total massa masing-masing proton dan neutron penyusunnya jika mereka berada terpisah. Perbedaan massa ini disebut defek massa (mass defect).

Menurut persamaan terkenal Einstein, E=mc2, defek massa ini diubah menjadi energi yang mengikat nukleon-nukleon dalam inti. Energi inilah yang disebut Energi Ikat Inti (Binding Energy). Semakin besar energi ikat per nukleon, semakin stabil inti atom tersebut. Inti dengan energi ikat per nukleon tertinggi adalah besi-56 (56Fe), yang menjadikannya inti paling stabil.

4. Radioaktivitas dan Peluruhan Nuklir

Tidak semua inti atom stabil. Inti yang tidak stabil akan meluruh (berubah) menjadi inti lain dengan memancarkan radiasi. Fenomena ini disebut radioaktivitas, dan prosesnya disebut peluruhan radioaktif.

• Penyebab Ketidakstabilan Inti:
  • Rasio proton dan neutron yang tidak seimbang.
  • Ukuran inti yang terlalu besar (misalnya, inti yang sangat berat).
• Jenis-Jenis Peluruhan Nuklir Utama:
  • Peluruhan Alfa (α): Inti memancarkan partikel alfa (inti helium-4, 24​He, terdiri dari 2 proton dan 2 neutron). Nomor atom (Z) berkurang 2, dan nomor massa (A) berkurang 4.
    • Contoh: 92238​U→90234​Th+24​He
  • Peluruhan Beta (β): Ada dua jenis:
    • Peluruhan Beta Minus (β−): Neutron di dalam inti berubah menjadi proton, melepaskan elektron (partikel beta minus) dan antineutrino. Nomor atom (Z) bertambah 1, nomor massa (A) tetap.
      • Contoh: 614​C→714​N+e−+νˉe​
    • Peluruhan Beta Plus (β+): Proton di dalam inti berubah menjadi neutron, melepaskan positron (partikel beta plus) dan neutrino. Nomor atom (Z) berkurang 1, nomor massa (A) tetap.
      • Contoh: 1122​Na→1022​Ne+e++νe​
  • Peluruhan Gamma (γ): Inti yang berada dalam keadaan tereksitasi melepaskan kelebihan energinya dalam bentuk radiasi elektromagnetik berenergi tinggi (foton gamma) tanpa mengubah nomor atom atau nomor massa. Ini sering terjadi setelah peluruhan alfa atau beta.
• Waktu Paruh (Half-Life): Waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti radioaktif dalam sampel meluruh. Ini adalah karakteristik unik untuk setiap isotop radioaktif.

5. Reaksi Nuklir: Fisi dan Fusi

Reaksi nuklir melibatkan perubahan pada inti atom, menghasilkan pelepasan energi yang jauh lebih besar dibandingkan reaksi kimia.

• Fisi Nuklir (Nuclear Fission):
  • Deskripsi: Proses pembelahan inti atom berat (misalnya Uranium-235 atau Plutonium-239) menjadi dua atau lebih inti yang lebih kecil, disertai pelepasan sejumlah besar energi dan neutron baru.
  • Reaksi Berantai: Neutron yang dilepaskan dapat menumbuk inti lain, memicu lebih banyak reaksi fisi, menciptakan reaksi berantai.
  • Aplikasi: Digunakan dalam pembangkit listrik tenaga nuklir (reaksi berantai terkendali) dan senjata nuklir (reaksi berantai tidak terkendali).
• Fusi Nuklir (Nuclear Fusion):
  • Deskripsi: Proses penggabungan dua atau lebih inti atom ringan (misalnya isotop hidrogen: deuterium dan tritium) untuk membentuk inti yang lebih berat, disertai pelepasan energi yang sangat besar.
  • Aplikasi: Merupakan proses yang menggerakkan Matahari dan bintang-bintang. Di Bumi, penelitian sedang dilakukan untuk mengembangkan reaktor fusi sebagai sumber energi bersih karena menghasilkan limbah radioaktif yang jauh lebih sedikit daripada fisi. Namun, ini membutuhkan suhu dan tekanan yang sangat ekstrem.

6. Aplikasi Fisika Nuklir

Pengetahuan tentang fisika nuklir memiliki berbagai aplikasi praktis:

• Energi: Pembangkit listrik tenaga nuklir (fisi).
• Kedokteran:
  • Kedokteran Nuklir: Penggunaan isotop radioaktif (radiofarmaka) untuk diagnosis (misal, PET scan, SPECT scan) dan terapi (misal, terapi yodium radioaktif untuk kanker tiroid).
  • Radioterapi: Penggunaan radiasi pengion untuk menghancurkan sel kanker.
• Industri: Sterilisasi alat medis, pengawetan makanan, pengujian non-destruktif (misal, pemeriksaan retakan pada material), penentuan umur material (radioisotop dating).
• Penelitian: Fisika partikel, astrofisika (memahami bagaimana bintang menghasilkan energi dan elemen), arkeologi (penanggalan karbon).
• Keamanan: Detektor radiasi, keamanan nuklir, senjata nuklir.

Memahami dasar-dasar fisika nuklir membuka pintu untuk mengapresiasi kompleksitas alam semesta di tingkat fundamental dan dampak transformatifnya pada teknologi modern.

Apakah ada topik spesifik dalam fisika nuklir yang ingin Anda pelajari lebih lanjut?