PARTIKEL ELEMENTERRyani Andryani 14708251107

Dosen Pengampu Mata Kuliah Fisika

Prof. Dr. Jumadi, M.Pd

APA ITU PARTIKEL ELEMENTER??

Bagian terkecil zat atau energi yang tak mungkin dipecah atau dibagi lagi (arti-definisi-pengertian.info)

ILUSTRASISaat bermain kelereng, sering kali kelereng-kelereng tersebut berbenturan satu sama lain. Akibatnya, kelereng tersebut bisa pecah sebagian. Apabila berbenturan sangat keras dan berulang-ulang yang terjadi adalah bagian kelereng semakin banyak yang pecah menjadi serpihan-serpihan. Jika serpihan-serpihan kelereng tadi ditumbuk atau gerus maka akan diperoleh butiran-butiran halus sebagai serbuk kelereng. Jika kita mampu ”menggerus” serbuk kelereng hingga mencapai ukuran teramat kecil, hingga pada akhirnya ukuran kelereng tersebut tidak bisa lagi diperkecil, maka itulah ”partikel elementer!”

SEJARAH Tahun 1803, John Dalton mengemukakan pendapatnya bahwa setiap elemen di

alam semesta ini tersusun oleh partikel yang bersifat tunggal dan unik, ia kemudian menyebut partikel tersebut dengan istilah atom.

Tahun 1897, J.J.Thomson dan timnya menemukan elektron yang merupakan komponen dari semua jenis atom. Model atomnya kemudian dikenal dengan istilah plum pudding karena elektron digambarkan seperti kismis yang tersebar merata diatas pudding (yang bermuatan positif)

Tahun 1909 Ernest Rutherford dan timnya menemukan fakta baru bahwa muatan positif tidak tersebar merata, melainkan terkonsentrasi pada inti atom yang terletak ditengah-tengah atom dimana elektron mengelilingi inti tersebut.

Tahun 1919 Rutherford membuktikan bahwa inti hidrogen juga ditemukan pada inti atom lain. Hal ini dianggap sebagai penemuan mengenai keberadaan proton.

Tahun 1932 James Chadwick mengemukakan pendapatnya mengenai neutron yang menjelaskan keberadaan isotop dari suatu unsur.

Tahun 1964 dua orang fisikawan secara terpisah yaitu Murray Gell-Mann dan George Zweig mengemukakan pendapatnya mengenai quark.

Tahun 1968 dibuktikan dalam suatu eksperimen yang di lakukan di SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Quark merupakan partikel elementer penyusun proton dan neutron.

Sekarang quark masih dianggap sebagai partikel elementer karena belum ada bukti baik secara eksperimen maupun teori tentang keberadaan partikel yang lebih fundamental dari quark tersebut.

Dina Rahmawati, 2010

STRUKTUR MATERI

Selly Feranie, tt

PARTIKEL PENYUSUN MATERI

ATOM TERDIRI DARI INTI YANG TERSUSUN ATAS PROTON DAN NEUTRONUkuran quark dan lepton yang sangat kecil membuat para ilmuwan percaya bahwa partikel-partikel tersebut benar-benar elementer dan merupakan partikel penyusun dari semua yang ada di alam semesta ini. Atom berukuran Angstrom (1 Angstrom = 10-10m) membentuk molekul-molekul setelah melalui proses kimia. Namun atom bukanlah penyusun utama dari materi karena atom masih terdiri dari inti atom yang bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron-elektron (e) yang bermuatan negatif. Inti atom jauh lebih kecil dari atom, hanya menempati satu persepuluh ribu bagian dari ukuran atom. Inti atom yang bermuatan positif dibangun dari proton (p) dan neutron (n) yang tidak bermuatan (netral), secara kolektif dinamakan sebagai nukleon.

Selly Feranie, tt

Dengan dikembangkannya akselerator partikel, banyak sekali partikel-partikel berenergi tinggi yang merupakan resonansi dari proton dan neutron. Penemuan partikel muon dari radiasi sinar kosmik mempunyai sifat sama dengan elektron tetapi berbeda massanya. Selain itu ada pula neutrino (ν) yang berasal dari radioaktivitas, yaitu neutron meluruh menjadi proton, elektron dan neutrino. Akibatnya proton dan neutron tidak lagi dianggap sebagai partikel terkecil penyusun alam semesta. Gamow kemudian memperkenalkan bahwa proton dan neutron mengandung substruktur yang lebih fundamental yang dinamakan quark. Dan elektron mengandung substruktur yaitu lepton.

Selly Feranie, tt

MODEL STANDAR UNTUK MENJELASKAN PARTIKEL ELEMENTER

Terdiri dari dua jenis partikel dasar yaitu:

Boson Fermion Partikel yang mengirimkan gaya Partikel yang menciptakan materi

Memiliki spin antara 0 atau 1 Memiliki spin 1/2

berdasarkaninteraksi

QuarkLepto

ninteraksi kuat interaksi lemah

Farid Aulia, 2014

Gauge Boson

Higgs Boson

MODEL STANDAR DALAM PARTIKEL ELEMENTER

Dina Rahmawati, 2010

BARYON & HADRON

Baryon = QQQ (tiga quark) Hadron = QQ (pasangan quark-antiquark

meson)

PARTIKEL DAN ANTI PARTIKEL

Anti partikel pertama kali diramalkan oleh Dirac.  Persamaan Dirac adalah persamaan yang berhasil menggabungkan konsep relativitas khusus dengan mekanika kuantum. Dipostulatkan bahwa setiap partikel memiliki anti partikel, memiliki sifat yang sama kecuali muatannya berbeda. Misalnya positron adalah anti partikel dari elektron, memiliki massa, ukuran, mematuhi semua hukum konservasi yang juga dipatuhi elektron, namun muatannya adalah positif.

Kedua partikel kembaran ini bila saling bertumbukan saling memusnahkan. Sebagai gantinya terpancar dua berkas sinar gamma dalam arah berlawanan. Sebaliknya, dua berkas sinar gamma yang saling berbenturan dapat menciptakan elektron dan anti-elektron. Jadi, berlaku persamaan reaksi pemusnahan dan penciptaan:

eeee ,

INTERAKSI DAN PEMBAWA GAYA

Gaya gravitasi adalah gaya atraksi antara dua partikel dan besarnya sebanding dengan massa-massa dari partikel dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua partikel. Sehingga kuatnya gravitasi bergantung pada jarak antara kedua massa tersebut. Gaya ini efektif bekerja pada jarak yang jauh seperti gaya antara planet dan galaksi. Menurut Newton gaya ini diberikan oleh:

Nilai ini memberikan refleksi bahwa gaya gravitasi sangat lemah.

Gaya Gravitasi

Gaya Elektomagneti

kGaya KuatGaya Lemah

238

215

221

1067,0

/1017,4

tan,

GeV

gmcmGeVG

NewtonnalgravitasiotakonsadalahGdenganr

mmGFgra

Energi potensial gravitasional antara dua buah proton diberikan oleh:

Nilai ini sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

Gaya Gravitasi

Gaya Elektomagneti

kGaya KuatGaya Lemah

GeVVyapotensiaenergisehingga

GeVcmrGeVm

adalahkeduanyajarakdanprotonmassaanar

mGV

proton

proton

39

13

2

2

10ln

5101

dim

Gaya elektromagnetik bekerja antara dua buah partikel bermuatan listrik, misalnya sebuah elektron yang bermuatan negatif dan sebuah proton yang bermuatan positif tarik menarik satu dengan yang lain dengan besarnya gaya sebanding dengan muatan listrik dan kuadrat jarak keduannya. Energi potensial elektromagnetik diberikan oleh

Untuk elektron dan foton yang terikat dalam atom hidrogen, gaya tarik menarik ini menghasilkan energi ikat elektron di dalam atom hidrogen yang dirumuskan oleh Bohr

Dimana μ adalah massa tereduksi dari sistem, α adalah kuatnya interaksi elektromagnetik.

Gaya Gravitasi

Gaya Elektomagneti

kGaya KuatGaya Lemah

2

2

r

eV

22

2

1cE

eVEanmenghasilk

cMeVmhidrogenatom e

14

/5,0 2

Meskipun gaya ini tidak dapat dirasakan dalam kehidupan sehari-hari karena sangat lemah, gaya ini esensial untuk beberapa proses inti. Proses-proses inti (nuklir) mengubah struktur dari inti dan melalui proses tersebut jumlah neutron di dalam sebuah inti berubah dan melepaskan sejumlah energi. Dan energi ini menjadi daya nuklir. Gaya lemah menjelaskan bentuk peluruhan inti, misalnya peluruhan neutron menjadi proton, elektron dan neutrino,

Selama proses peluruhan di atas waktu hidup neutron adalah 71,4 s. Waktu hidup ini kemudian menentukan kuatnya gaya yang dinyatakan oleh konstanta Fermi,

Gaya Gravitasi

Gaya Elektomagneti

k

Gaya Lemah

Gaya Kuat

Gaya lemah berperan dalam koreksi susunan inti atom. Gaya lemah dan gaya elektromagnetik, pertukaran partikel yang dinamakan boson gauge lemah (weak gauge boson) menghasilkan efek terhadap gaya lemah sedangkan pertukaran foton mengkomunikasikan elektromagnetik. Ada tiga boson gauge lemah: W+, W− dan Z0 (kapital W menyatakan gaya lemah sedangkan tanda + dan – adalah muatan boson lemah). Boson gauge yang ketiga Z0 adalah netral dan dinamakan Z0 karena muatannya nol (zero charge).

Gaya Gravitasi

Gaya Elektomagneti

k

Gaya Lemah

Gaya Kuat

Gaya Gravitasi

Gaya kuat adalah gaya yang sangat kuat, bekerja pada proton dan neutron dalam sebuah inti. Karena kuatnya maka mereka tidak pernah dapat dipisahkan.Contoh energi ikat neutron yang terikat dalam sebuah sistem proton sebesar 2 MeV. Jika dibandingkan dengan energi ikat elektromagnetik elektron dalam atom hidrogen, besarnya sekitar 100 ribu kali kuatnya. Gaya ini bekerja pada rentang skala 10-13 cm.

Gaya Elektomagneti

k

Gaya Lemah

Gaya Kuat

PERBANDINGAN INTERAKSI DASAR

Interaksi Partikel pentransmisi

Sumber Jarak

Gravitasi Graviton Massa ∞

Elektromagnetik Foton Muatan listrik ∞

Kuat Gluon Muatan warna < 10-15

Lemah W+ , Z0 Muatan lemah 10-18

KETETAPAN REAKSI INTI

Reaksi inti adalah proses perubahan susunan inti atom akibat tumbukan dengan partikel-partikel atau inti lain yang berenergi tinggi dan terbentuklah inti baru yang berbeda dengan inti semula.

Fusi penggabungan inti (terbentuk inti atom yang lebih berat). Contohnya pada matahariFisi pembelahan inti (terbentuk inti atom-atom yang lebih ringan). Contoh pada reaktor nuklir.

REAKSI INTI misalkan

Pada reaksi inti selalu berlaku1. Hukum kekekalan no atom

Jumlah no atom sebelum reaksi = sesudah reaksi

2. Hukum kekekalan no massa Jumlah no massa sebelum reaksi = sesudah reaksi

3. Hukum kekekalan energiJumlah energi sebelum reaksi = sesudah reaksi

)(energid

hc

gb

fa

e QRYPX

MeVmmmmQ Rypx 931

SOAL

1. Substrutur dari elektron yang interaksinya lemah adalah .........

a. Quarkb. Leptonc. Hadrond. Baryon

Jawab: B

2. Jika diketahui muatan quark u 2/3 e serta quark d dan s -1/3 e, seorang ilmuwan mengajukan hipotesis bahwa neutron tersusun dari 1 buah quark u dan 2 buah quark d, maka hasil uji hipotesis ilmuwan tersebut adalah ......

a. neutron bermuatan 1b. neutron bermuatan ½c. neutron bermuatan 0d. neutron bermuatan -1/2

Jawab: C

Jawab : Neutron = udd

= 2/3 e + (-1/3 e) + (-1/3e) = 2/3 e -2/3 e = 0

Neutron adalah partikel elementer yang tidak bermuatan (0)

3. Jika diketahui muatan quark u 2/3 e serta quark d dan s -1/3 e, formasi quark yang menunjukkan bahwa partikel proton memiliki muatan +1 adalah ........

a. uudb. uddc. uuud. uds

Jawab: A

Jawab : Proton = uud

= 2/3 e + 2/3 + (-1/3e) = 4/3 e -1/3 e = 1

Proton adalah partikel elementer yang bermuatan (+1)

4. Setiap partikel memiliki pasangan atau anti partikelnya, anti partikel dari elektron adalah .............a. protonb. positronc. neutrond. neutrino

Jawab: B

5. Interaksi gravitasi dalam partikel elementer dapat diabaikan karena ..........a. partikel elementer tidak memiliki gaya

gravitasib. jarak partikel sangat kecilc. gaya gravitasi sangat kecild. partikel tidak memiliki massa

Jawab: C

6. Fisikawan yang mendapatkan anugrah nobel fisika pada tahun 1969 dengan menemukan quark adalah ........

a. John Daltonb. JJ Thomsonc. Ernest Rutherfordd. Murray Gell-Man

Jawab: D

7. Partikel elementer yang tidak memiliki antipartikel karena netral adalah .......a. foton dan gluonb. foton dan muonc. moun dan taud. tau dan neutrino

Jawab: A

8. Partikel pentransmisi pada interaksi kuat dengan jarak < 10-15 adalah ........

a. Gravitonb. Fotonc. Gluond. W+ dan Z0

Jawab: C

9. Partikel K+ 150 MeV meluruh menjadi 2+

+-. Rentang-rentang pengukuran dalam emulsi fotografis memberikan energi-energi kinetik untuk + sebesar 68,6 MeV dan 80,8 MeV, dan untuk - sebesar 75,5 MeV. Nilai Q untuk reaksi tersebut adalah ........

a. 34,5 MeVb. 53,5 MeVc. 69,7 MeVd. 74,9 MeV

Jawab: D

Jawab Reaksi : K+ ++ ++- sehingga

Q = K++K++K+– K+ = 68,6MeV+80,8MeV+75,5MeV–

150MeV= 74,9 MeV

10. Berdasarkan soal no 9, massa K+ adalah (massa = 139,6 MeV) .......a. 536,8 MeVb. 493,7 MeVc. 358,6 MeVd. 294,1 MeV

Jawab: B

JawabDari Q = (mK+ – (2m+ + m - ))c2 diperoleh

mK+c2 = Q+(2m + + m - ) c2

= 74,9 MeV + (3 (139,6 MeV))= 493,7 MeV

DAFTAR PUSTAKA

Selly Feranie. tt. Fisika Partikel: Tinjauan Kualitatif. Diakses dari http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/197411081999032-SELLY_FERANIE/perangkat%20pembelajaran/Fisika%20Partikel/Bab_2_Partikel_penyusun_materi_dan_gaya.pdf

Dina Rahmawati. (2012). Partikel Elementer. Diakses dari http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1275348660

Arti-definisi-pengertian. (2014). Pengertian Partikel Elementer. Diakeses dari http://arti-definisi-pengertian.info/pengertian-partikel-elementer/

Farid Aulia Tanjung. (2014). Standar Model, Memodelkan Partikel Fisika Secara Matematis. Diakses dari http://www.bglconline.com/2014/09/standard-model-partikel-fisika/.

Hans J. Wospakrik. (2005). Dari Atomos Hingga Quark. Universitas Atma Jaya: Jakarta.

Eedi Wahono. (2013). Big Bank Soal-Bahas Fisika SMA/MA. Wahyumedia: Jakarta.

Ronald G dan William Savin. (2011). Schaum’s Outlines of Theory and Problems of Modern Physics. Erlangga: Jakarta