Pengantar Redaksi: AKHIR Desember 2004 Kompas menerima artikel fisikawan ITB Dr Hans Jacobus Wospakrik tentang 66 tahun Teori Fisi Atom. Ketika tengah menunggu giliran pemuatan, pada 11 Januari 2005 redaksi menerima kabar duka bahwa fisikawan teori yang berkali-kali berhasil menembus empat jurnal fisika berwibawa tingkat dunia itu meninggal di sebuah rumah sakit di Jakarta setelah menderita leukemia. Berikut adalah karyanya yang kami tampilkan sebagai opus posthumous. Requiem aetemam, Dr Hans. Selamat berjumpa dengan Noddack dan Meitner di jagat akademi yang abadi.
IDA Noddack (1896-1978) berjasa karena pendapatnya yang menantang pandangan mapan yang menihilkan terjadinya fisi inti atom. Lise Meitner (1878-1968) dikagumi karena kegeniusannya melakukan perhitungan luar kepala menggunakan rumus Einstein E=mc2, yang menguatkan pendapat Noddack.
INTI adalah teras atom yang luar biasa mungilnya. Ukuran garis tengahnya sekitar satu per seribu-triliun meter. Karena itu, sia-sia mengamatinya di bawah mikroskop. Mengganti penggunaan mikroskop, para fisikawan menembakinya dengan partikel-partikel berenergi sangat tinggi-seperti elektron, proton, sinar alfa-kemudian mengamati pembelokan partikel penembak dengan detektor. Kesimpulan fisikawan Inggris asal Selandia Baru, Sir Ernest Rutherford (1871-1937), bahwa atom memiliki teras pembentuk inti atom berasal dari pembelokan balik sinar alfa yang ditembakkan pada atom sebagaimana diamati lewat detektor oleh kedua asistennya, Hans Geiger dan Ernest Marsden.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Pengamatan lebih lanjut menunjukkan inti atom memiliki struktur teratur yang dibangun oleh dua jenis partikel mendasar: proton (bermuatan listrik positif) dan neutron (tak bermuatan dan sedikit lebih berat). Secara kolektif keduanya disebut nukleon.
Keterikatan proton dan neutron dalam inti atom disebabkan gaya inti yang kekuatan mengikatnya melebihi tolakan gaya listrik antarproton, namun jangkuannya sangat pendek, hanya sejauh ukuran inti atom. Ikatan pasangan proton-neutron, misalnya, membentuk inti atom hidrogen berat, yang disebut deutron, sedangkan ikatan pasangan empat nukleon (2 proton+2 neutron) membentuk inti atom helium yang sangat stabil yang tak lain adalah partikel alfa.
Jumlah kandungan proton dalam inti atom menyatakan nomor atom Z dari inti berkaitan, sedangkan jumlah proton dan neutron menyatakan nomor massanya, A. Jadi, inti atom helium atau partikel alfa bernomor atom Z=2, sedangkan nomor massanya: A=4. Inti atom yang bernomor atom sama tetapi berbeda nomor massanya disebut isotop. Jadi, deuteron adalah isotopnya inti atom hidrogen.
Kehadiran gaya tolak listrik antara proton dan pendeknya jangkauan gaya inti menyebabkan inti dengan nomor atom dan nomor massa tinggi menjadi tak stabil. Bila mengalami gangguan, strukturnya berubah dengan memancarkan sinar radioaktif: alfa (inti helium), beta (elektron), dan gamma (sinar-X yang lebih kuat). Inilah yang memungkinkan transmutasi inti buatan untuk menghasilkan unsur baru.
Kesulitan menggunakan partikel bermuatan listrik (partikel alfa dan proton) untuk transmutasi inti atom berat, akibat tolakan gaya listrik, mengalihkan perhatian para fisikawan pada partikel neutron yang sama sekali bebas dari pengaruh gaya listrik. Sayang, jumlah neutron yang dipancarkan unsur-unsur radioaktif alam amat sedikit. Partikel alfa dari 1 gram radium hanya mampu menendang keluar sekitar 10 juta buah neutron per detik dari pelat berilium. Walau berkas neutron ini mampu menembus inti atom berat, jumlahnya masih sangat sedikit daripada yang dibutuhkan.
Frederic dan Irene Joliot-Curie
Dalam upaya meningkatkan jumlah neutron ini, fisikawan Perancis, pasangan suami-istri: Frederic dan Irene Joliot-Curie, dari Paris, di tahun 1934 memberi sumbangan berarti dengan menggunakan sumber polonium, yang lebih aktif dari radium. Pancaran berkas partikel alfa yang sangat kuat dari sumber polonium ini kemudian mereka tembakkan pada berbagai bahan-seperti boron, alumunium, magnesium-dengan harapan jumlah neutron yang dihasilkan akan meningkat.
Ketika mengarahkan seberkas neutron, hasil tembakan partikel alfa pada selembar lempengan alumunium, ke dalam detektor “kamar-kabut Wilson”, mereka mengamati kehadiran sejumlah jejak yang ditinggalkan partikel-partikel ringan yang sama beratnya dengan elektron, tetapi bermuatan listrik positif. Mereka lalu berkesimpulan partikel berkas ini adalah positron, yang adalah partikel “anti-elektron” yang diramalkan fisikawan teori Inggris, Paul Adrien Maurice Dirac, enam tahun sebelumnya, dengan menggunakan teori kuantum dan relativitas Einstein.
Yang menarik di sini adalah gejala berikut. Apabila sumber partikel alfa diambil (lempengan aluminiumnya tak lagi ditembaki) ternyata neutronnya lenyap sesuai dengan yang diperkirakan. Yang aneh adalah pancaran positronnya tetap saja berlangsung, tetapi dengan laju pancaran yang makin turun: berkurang dengan faktor 2 setiap 2,5 menit. Semula tidak diketahui bahwa terdapat unsur radioaktif lain yang memiliki usia-paruh seperti ini: 2,5 menit. Lagi pula, gejala baru ini sangat berbeda dari keradioaktifan alami yang lazim karena begitu pelat aluminiumnya ditembaki kembali dengan partikel alfa, pemancaran positron kembali berlangsung. Hasil eksperimen ini memberi kesan tumbukan partikel alfa membentuk suatu unsur radioaktif baru dalam alumunium, dengan usia paruh 2,5 menit, yang peluruhannya diikuti dengan pancaran positron.
Dari hasil analisis yang lebih saksama disimpulkan, inti atom alumunium setelah menangkap partikel alfa akan menendang keluar sebuah proton dan bertransmutasi menjadi inti isotop fosfor. Karena isotop fosfor ini tak stabil, ia langsung meluruh dengan memancarkan sebuah positron, yang terjadi apabila sebuah proton berubah menjadi neutron. Dengan demikian, isotop fosfor tak stabil tadi bertransmutasi menjadi inti baru yang nomor atomnya berkurang satu karena ia kehilangan satu muatan positif. Ini adalah inti atom silikon.
Hasil ini memperlihatkan pasangan suami istri, Joliot-Curie, telah berhasil mentransmutasi inti atom buatan yang bersifat radioaktif! Temuan mereka ini dipandang sebagai suatu terobosan penting dalam perkembangan ilmu kimia sehingga panitia Nobel terdorong menganugerahi hadiah Nobel kimia, tahun 1935, kepada mereka.
Temuan sensasional ini menggelitik fisikawan muda Italia, Enrico Fermi (1901-1954), yang pada tahun 1930 mulai bekerja di Universitas Roma. Ia dan rekan-rekannya, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti, dan Emilio Segre, berencana menembaki inti atom berbagai unsur, mulai dari yang teringan, menggunakan neutron yang bersumber dari unsur radon-berilium untuk mempelajari hasil reaksi apa saja yang bakal terjadi. Untuk analisis kimia terhadap hasil reaksinya, mereka melibatkan pula kimiawan Oscar DÆAgostino.
Ketika mereka menembaki unsur-unsur ringan-mulai dari: hidrogen, litium, berilium, boron, dan karbon-hasilnya nihil! Tak ada unsur radioaktif buatan yang terbentuk. Hasil positif pertama barulah tampak dengan unsur nitrogen. Kegagalan mereka dengan unsur-unsur ringan ini ternyata tak seluruhnya berakhir dengan tangan kosong. Hasil sampingan yang mereka dapati adalah bahwa bila neutron ditembakkan pada air atau parafin (karbon), maka kecepatannya menurun! Peristiwa ini sama halnya dengan tumbukan antara sebuah bola biliar dan beberapa bola biliar lain yang diam di atas meja biliar. Dalam setiap tumbukan, energi geraknya dialihkan ke bola biliar tertumbuk yang diam. Akibatnya, setelah mengalami beberapa kali tumbukan, energi gerak bola biliar penumbuk makin berkurang. Dengan demikian, menurun pula kecepatannya. Air dan parafin, karena itu, berperan sebagai moderator (pelambat neutron). Hasil sampingan ini ternyata kelak memainkan peranan penting dalam rekayasa reaktor atom.
Neutron lambat yang dihasilkan ini ternyata kemudian dapat ditangkap dengan mudah oleh inti atom lain yang dibarengi dengan pemancaran sinar gamma. Dalam waktu yang cukup singkat, hampir semua unsur dalam Daftar Berkala Unsur telah ditembaki Fermi dan rekan- rekannya menggunakan neutron lambat. Seperti yang mereka harapkan, kadang-kadang diperoleh unsur radioaktif buatan.
Ketika mereka tiba pada giliran unsur uranium, yang pada saat itu adalah unsur terakhir dalam Daftar Berkala Unsur, Fermi yang memiliki rasa ingin tahu dan spekulasi yang begitu besar berpraduga bahwa setelah inti uranium menangkap sebuah neutron atau lebih, ia akan bertransmutasi ke unsur lebih berat yang belum ditemukan di alam.
Eksperimen itu mereka lakukan tahun 1934. Dan benar, mereka dapati bahwa uranium-238 (salah satu isotop uranium) yang ditembaki dengan neutron lambat ternyata menjadi lebih radioaktif daripada semula dengan memancarkan sinar beta. Kenyataan ini sungguh aneh, mengingat uranium lazimnya meluruh dengan memancarkan sinar alfa. Mereka lalu mencurigai, barangkali telah terbentuk unsur-unsur radioaktif buatan baru seperti yang mereka duga. Setelah melakukan analisis karakteristik kimia terhadap unsur-unsur hasil reaksi ini, mereka dapati bahwa tak satu pun yang berupa isotop dari unsur bernomor atom rendah yang dikenal, seperti protaktinium (Z=91), torium (90), radium (88), dan timah hitam (82).
Karena peluruhan tak lazim uranium dengan memancarkan sinar beta menaikkan nomor atom unsur anak sebanyak satu, Fermi dan kelompok penelitinya lalu menyimpulkan bahwa mereka telah menghasilkan unsur buatan baru dengan nomor atom yang lebih tinggi daripada uranium.
Dikritik Ida Noddack
Temuan Fermi dkk membangkitkan rasa ingin tahu yang besar di kalangan fisikawan nuklir dewasa itu, yang kemudian mengulangi percobaan Fermi dkk dan mencoba memisahkan secara kimia serta mempelajari ciri khas masing- masing unsur transuranik yang diduga terbentuk itu. Hasil eksperimen mereka tampaknya mendukung dugaan Fermi dkk. Namun, tak satu pun yang berhasil memisahkan unsur transuranik “dugaan” yang mereka hasilkan dari uranium.
Seorang fisikawan wanita Jerman, Ida Noddack (1896- 1978), malah mengkritik kesimpulan terbentuknya unsur-unsur transuranik oleh Fermi dkk. Makalahnya yang diterbitkan September 1934 dalam jurnal Zeitschrift fur Angewandte Chemie menunjukkan bahwa pembuktian Fermi dengan membandingkan unsur radioaktif barunya dengan unsur bernomor atom dari uranium (92) hingga timah hitam (82) tidak cukup membuktikan kehadiran unsur transuranik. Fermi dkk seharusnya membandingkannya pula dengan semua unsur radioaktif lain yang telah diketahui sebab ada kemungkinan inti atom uranium yang ditembaki neutron “terbelah” ke dalam inti atom radioaktif dengan nomor yang lebih kecil daripada 82.
Gagasan Ida Noddack ini ternyata tak mendapat perhatian serius karena tak sejalan dengan pandangan mapan saat itu tentang “kekakuan” inti atom untuk membelah diri. Jadi, tinggallah satu-satunya pertanyaan yang harus dijawab: apakah Fermi dkk telah berhasil menemukan unsur transuranik?
Penelitian secara lebih saksama terhadap kehadiran unsur-unsur transuranik ini kemudian dilakukan oleh ilmuwan fisika-kimia Jerman, Otto Hahn (1879-1968), dan rekannya ilmuwan fisika-kimia wanita Lise Meitner (1878-1968) asal Austria, pada Institut Kaisar Wilhelm di Berlin. Kerja keras mereka akhirnya membuahkan hasil: ditemukannya bukti meyakinkan bahwa isotop radioaktif yang ditemukan Fermi dkk itu memang adalah isotop transuranik bernomor atom 93!
Kerja sama mereka ini hanya bertahan empat tahun karena Meitner keturunan Yahudi yang Juli 1938 meninggalkan Berlin mengungsi ke Stockholm, Swedia, guna menyelamatkan diri dari kejaran tentara Nazi yang saat itu sedang gencar menekan dan menangkap orang-orang Yahudi. Dua tahun sebelum kepergian Meitner, mereka ditemani pula oleh seorang ilmuwan fisika-kimia muda Fritz Srassmann (1902-1980) yang juga keturunan Yahudi, tetapi rupanya ia bernasib baik karena tak diganggu tentara Nazi.
Penelitian mereka bertiga terhadap unsur-unsur transuranik kemudian dilanjutkan Hahn dan Strassman dengan hasil yang makin membingungkan! Desember 1938 Hahn dan Strassman menemukan sesuatu yang aneh! Ketika mereka melakukan analisis kimia yang lebih saksama terhadap inti atom hasil penembakan neutron lambat pada isotop uranium-238, mereka dapati bahwa salah satu dari hasil reaksinya memiliki sifat kimia mirip unsur barium yang bernomor atom 56, sangat jauh dari nomor atom uranium: 92?
Temuan ini benar-benar membingungkan sebab sangat bertentangan dengan pendapat mapan saat itu: seharusnya unsur-unsur hasil reaksi ini memiliki nomor atom lebih kecil, tetapi dekat-dekat ke unsur uranium (paling jauh 88) atau yang lebih besar (93, 94, dan seterusnya).
Karena merasa kurang puas, mereka mengulangi eksperimen dengan lebih teliti. Kembali mereka dapati hasil yang sama. Di samping itu, didapati pula unsur baru lain, lanthanium, yang bernomor massa 138, hampir sama dengan barium (137) tetapi bernomor atom satu lebih tinggi daripada barium (57). Walaupun teryakinkan oleh sifat kimia kedua unsur hasil reaksi ini, mereka tak dapat memberi penjelasan fisika memuaskan. Mengapa barium yang ringan dengan nomor massa 137 dapat terbentuk dari uranium-238, yang nomor massanya hampir dua kali lebih berat?
Rupanya gagasan Noddack tentang kemungkinan “terbelahnya” inti uranium sama sekali tak berbekas dalam benak mereka dalam upaya mencari jawaban ini.
Teori Frisch-Meitner ditelurkan saat berselancar ski
Temuan Hahn dan Strassman ini kemudian dikomunikasikan Hahn lewat surat kepada Meitner di Stockholm. Ketika Otto Robert Frisch (1904- 1979), yang adalah keponakan Meitner, mengunjunginya saat liburan Natal 1938, ia menyampaikan berita yang diperolehnya dari Hahn kepada Frisch. Otto Frisch, fisikawan Austria, saat itu peneliti pada Institut Niels Bohr di Kopenhagen, Denmark. Awalnya Frisch tak begitu tertarik pada berita hasil percobaan Hahn-Strassman yang disampaikan tantenya itu. Karena seperti para fisikawan lain, Frisch dan juga tantenya menduga inti uranium sangatlah “kaku” sehingga sulit baginya terbelah ke dalam inti-inti atom ringan.
Namun, keteguhan Meitner akan kebenaran hasil percobaan Hahn dan Strassman akhirnya membuka ingatan Frisch kepada teori “model tetes cairan” inti atom berat usulan Niels Bohr dan Fritz Kalckar (pada tahun 1936) yang didengarnya dalam sebuah seminar di Institut Niels Bohr. Menurut model ini, inti atom berat mirip setetes cairan yang sama sekali “tak kaku”; kestabilannya tercapai karena ada perimbangan antara gaya tolak listrik antarproton yang berjangkau jauh dan gaya inti pengikat nukleon yang berjangkau pendek.
Ketika sebuah neutron atau partikel lain diserap sebuah inti atom berat, partikel yang ia “telan” itu mengubah bentuknya menjadi lonjong, seraya memberikannya tambahan energi ketakstabilan, yang kemudian dilepaskannya kembali dalam bentuk pancaran partikel neutron, radiasi sinar radioaktif, atau proses lain yang berpeluang terjadi.
Frisch tersentak dan muncul pemikiran baru: Uranium setelah menangkap neutron lambat berbentuk melonjong dan, seperti tetes cairan, terbuka kemungkinan baginya terbelah jadi dua, seperti dua tetes cairan yang lebih kecil ukurannya. Melalui perhitungan ringkas, Frisch dan tantenya yakin bahwa untuk inti atom seberat uranium, keseimbangan ini sangat “labil” sehingga tumbukan neutron akan cukup meruntuhkan keseimbangannya dan sebagai akibatnya, inti atom uranium akan terbelah menjadi dua bagian.
Menarik dikemukakan bahwa gagasan teori ini ditelurkan saat mereka sedang berselancar ski. Meitner, dengan daya ingat yang kuat terhadap energi ikat berbagai inti atom, berhasil menghitung di luar kepala menggunakan rumus Einstein E=mc2 bahwa energi gerak setiap belahan inti atom yang terlepas dalam arah berlawanan itu sekitar 40 kali lebih tinggi dari energi partikel alfa.
Setelah kembali di Kopenhagen, Frisch segera menyampaikan kepada Niels Bohr berita hasil percobaan Hahn dan Strassman serta penjelasan teorinya yang ia usulkan bersama tantenya dengan menggunakan teori Bohr mengenai model tetes cairan untuk inti atom berat. Bohr yang sedang bersiap berlayar ke Amerika Serikat tersentak. Sambil menampar dahinya, ia berkomentar, “Oh, sungguh bodoh kita. Seharusnya kita sudah dapat melihat itu sebelumnya!”
Frisch mengulangi kembali percobaan Hahn-Strassman. Pada detektor rancangannya, ia amati dua inti atom terlempar dalam arah berlawanan dengan energi gerak tinggi sesuai dengan yang diramalkan teori mereka. Hasil kajian teori ini dikirimkan ke jurnal ilmiah Inggris, Nature, pada 16 Januari 1939. Menarik untuk dikemukakan bahwa penulisan artikel bersama tantenya ini mereka susun lewat percakapan telepon sambungan langsung jarak jauh Kopenhagen-Stockholm yang tentu saja sangat-sangat mahal!
Dalam makalah ini, Frisch mengusulkan nama fision untuk reaksi pembelahan inti atom uranium ini. Nama ini ia peroleh dari rekan ahli biologinya di Institut Bohr, yang menunjukkan prosesnya mirip dengan cara sel-sel organik membelah diri yang dinamai: proses fisi (fision).
Setelah jelas bahwa inti atom uranium dapat membelah diri ke inti atom yang lebih ringan oleh penembakan dengan neutron, dugaan bahwa hanyalah unsur-unsur yang lebih berat daripada uranium yang telah terbentuk: runtuh. Ini mendukung gagasan Noddack tentang kemungkinan terbelahnya inti uranium ke unsur-unsur yang lebih ringan oleh tembakan neutron.
Berita tentang temuan Hahn dan Strassman mengenai fisi inti atom uranium dan penjelasan teorinya, sebagaimana dikemukan oleh Frisch dan Meitner, kemudian disampaikan oleh Bohr dan koleganya, Rosenfeld, ke kalangan fisikawan AS, ketika mereka tiba di New York, AS, pada 16 Januari 1939. Setelah jurnal Die Naturwissenschaften yang memuat hasil temuan Hahn-Strassman tiba di AS, beberapa fisikawan di berbagai laboratorium AS segera merancang alat pengamatannya yang ternyata berhasil mengonfirmasikan reaksi fisi inti ini.
Ternyata inti belahan fisi ini tak hanya terdiri dari barium dan krypton. Joliot-Curie dan P Savitch di Perancis, Hahn dan rekannya di Jerman, dan fisikawan lain di AS menemukan bahwa terdapat pula beberapa unsur dengan nomor atom di pertengahan Susunan Berkala Unsur sebagai belahan fisi lain.
Yang sungguh menakjubkan adalah semua pekerjaan ini dituntaskan hanya dalam waktu tiga bulan setelah teori fisi inti atom Frisch- Meitner dipublikasikan (Januari 1939), yang menegakkan kembali gagasan Ida Noddack empat tahun sebelumnya (September 1934)!
Hans Jacobus Wospakrik
KOMPAS edisi Jumat 28 Januari 2005 Halaman: 66
