Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 6: Nuklear
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
RINGKASAN
Ringkasan Bab (Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 6: Nuklear)
Bab ini meneroka dunia Fizik Nuklear, memfokuskan kepada dua topik utama: Reputan Radioaktif dan Tenaga Nuklear. Pemahaman konsep-konsep ini adalah penting untuk menghargai aplikasi tenaga nuklear dalam penjanaan elektrik dan bidang lain, serta cabaran keselamatan yang berkaitan.
6.1 Reputan Radioaktif
Reputan radioaktif adalah proses rawak dan spontan di mana nukleus atom yang tidak stabil berubah menjadi nukleus yang lebih stabil dengan memancarkan sinaran radioaktif. Proses ini tidak dipengaruhi oleh faktor luaran seperti suhu atau tekanan. Terdapat tiga jenis sinaran radioaktif utama:
1. Zarah Alfa (α): Nukleus helium (dua proton dan dua neutron). Apabila satu nukleus memancarkan zarah alfa, nombor protonnya berkurang sebanyak 2 dan nombor nukleonnya berkurang sebanyak 4.
2. Zarah Beta (β): Elektron berkelajuan tinggi. Ia terhasil apabila neutron dalam nukleus mereput menjadi proton dan elektron. Nombor proton nukleus anak bertambah sebanyak 1, manakala nombor nukleon tidak berubah.
3. Sinar Gama (γ): Sinaran elektromagnet berfrekuensi tinggi. Pemancaran sinar gama tidak mengubah nombor proton atau nombor nukleon; ia hanya membebaskan tenaga berlebihan daripada nukleus yang teruja untuk menjadikannya lebih stabil.
Konsep separuh hayat (T½) adalah pusat kepada pemahaman kadar reputan. Ia ditakrifkan sebagai masa yang diambil untuk separuh daripada bilangan asal nukleus radioaktif dalam suatu sampel untuk mereput. Unsur yang berbeza mempunyai separuh hayat yang berbeza; separuh hayat yang lebih pendek menunjukkan kadar reputan yang lebih tinggi.
Satu aplikasi penting ialah pentarikhan radioaktif. Sebagai contoh, siri reputan uranium-238, yang mempunyai separuh hayat yang sangat panjang (kira-kira 5,000 juta tahun) dan berakhir sebagai plumbum-206 yang stabil, digunakan oleh ahli geologi untuk menganggarkan usia batu-batuan dan Bumi dengan mengukur nisbah plumbum-206 kepada uranium-238 dalam sampel batu.
6.2 Tenaga Nuklear
Tenaga nuklear (juga dikenali sebagai tenaga atom) ialah tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas nuklear. Dua jenis tindak balas utama yang menghasilkan tenaga ini ialah pembelahan nukleus dan pelakuran nukleus.
1. Pembelahan Nukleus (Nuclear Fission): Proses di mana satu nukleus berat (seperti uranium-235) dipecahkan kepada dua atau lebih nukleus yang lebih ringan apabila dibedil oleh neutron. Proses ini membebaskan sejumlah besar tenaga dan lebih banyak neutron. Neutron yang terhasil boleh menyebabkan pembelahan selanjutnya, mewujudkan tindak balas berantai yang terkawal dalam reaktor nuklear untuk menjana elektrik.
2. Pelakuran Nukleus (Nuclear Fusion): Proses di mana dua nukleus ringan (seperti isotop hidrogen, deuterium dan tritium) bercantum untuk membentuk satu nukleus yang lebih berat (seperti helium). Tindak balas ini, yang berlaku secara semula jadi di teras Matahari, membebaskan lebih banyak tenaga daripada pembelahan tetapi memerlukan suhu dan tekanan yang sangat tinggi untuk berlaku.
Asas kepada pembebasan tenaga ini ialah konsep cacat jisim (mass defect). Dalam tindak balas nuklear, jumlah jisim produk sentiasa kurang daripada jumlah jisim bahan tindak balas. Jisim yang “hilang” ini ditukar kepada tenaga mengikut persamaan terkenal Albert Einstein, E = mc², di mana E ialah tenaga, m ialah cacat jisim, dan c ialah laju cahaya.
Reaktor nuklear menjana elektrik dengan mengawal tindak balas berantai pembelahan nukleus. Tenaga haba yang dihasilkan digunakan untuk mendidihkan air, menghasilkan stim bertekanan tinggi yang memutarkan turbin. Turbin ini kemudiannya memutarkan penjana untuk menghasilkan tenaga elektrik. Komponen utama reaktor termasuk:
• Rod bahan api (Uranium): Menyediakan bahan untuk pembelahan.
• Moderator (Grafit atau air): Memperlahankan neutron untuk meningkatkan kecekapan pembelahan.
• Rod pengawal (Boron atau kadmium): Menyerap neutron berlebihan untuk mengawal kadar tindak balas.
• Agen penyejuk (Air): Memindahkan haba dari teras reaktor.
• Dinding konkrit tebal: Mencegah kebocoran sinaran radioaktif.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Cacat Jisim (Mass Defect) | Kehilangan jisim yang berlaku semasa tindak balas nuklear, di mana jumlah jisim selepas tindak balas adalah kurang daripada jumlah jisim sebelum tindak balas. Jisim ini ditukar kepada tenaga. |
| E = mc² | Persamaan Albert Einstein yang menghubungkan tenaga (E) yang dibebaskan dengan cacat jisim (m) dan laju cahaya dalam vakum (c). |
| Keaktifan | Reputan per saat, iaitu bilangan zarah radioaktif yang dipancarkan oleh suatu sampel radioaktif dalam satu saat. |
| Moderator | Bahan (seperti grafit atau air) dalam reaktor nuklear yang berfungsi untuk memperlahankan neutron yang bergerak pantas supaya pembelahan nukleus boleh berlaku dengan lebih berkesan. |
| Pelakuran Nukleus (Nuclear Fusion) | Tindak balas nuklear di mana nukleus-nukleus kecil dan ringan bercantum untuk membentuk satu nukleus yang lebih berat, sambil membebaskan tenaga yang banyak. |
| Pembelahan Nukleus (Nuclear Fission) | Tindak balas nuklear di mana satu nukleus yang berat membelah menjadi dua atau lebih nukleus yang lebih ringan, sambil membebaskan tenaga yang banyak. |
| Radioisotop | Isotop dengan nukleus tidak stabil yang boleh memancarkan sinaran radioaktif. |
| Reputan Alfa (α) | Proses reputan di mana nukleus tidak stabil memancarkan zarah alfa (nukleus helium) untuk menjadi lebih stabil. |
| Reputan Beta (β) | Proses reputan di mana sebiji neutron dalam nukleus tidak stabil terurai menjadi satu proton dan satu elektron (zarah beta) yang dipancarkan keluar. |
| Reputan Gama (γ) | Proses reputan di mana suatu nukleus radioaktif dalam keadaan teruja membebaskan tenaga lebihannya dalam bentuk sinar gama untuk menjadi lebih stabil. |
| Reputan Radioaktif | Proses rawak dan spontan di mana nukleus yang tidak stabil menjadi nukleus yang stabil dengan memancarkan sinaran radioaktif. |
| Rod Pengawal | Rod yang diperbuat daripada bahan seperti boron atau kadmium yang berfungsi mengawal kadar tindak balas pembelahan dengan menyerap neutron yang berlebihan dalam teras reaktor. |
| Separuh Hayat (T½) | Masa yang diambil untuk separuh daripada bilangan asal nukleus radioaktif bagi suatu sampel radioaktif untuk mereput. |
| Sinar Gama (γ) | Sinaran elektromagnet yang berfrekuensi tinggi, tidak berjisim dan bersifat neutral. |
| Sinaran Radioaktif | Sinaran yang dipancarkan oleh nukleus tidak stabil, terdiri daripada zarah alfa (α), zarah beta (β), dan sinar gama (γ). |
| Siri Reputan | Satu siri reputan berterusan yang dialami oleh nukleus yang tidak stabil sehingga nukleus yang stabil terbentuk. |
| Tenaga Nuklear | Tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas nuklear seperti reputan radioaktif, pembelahan nukleus, dan pelakuran nukleus. |
| Tindak Balas Berantai | Tindak balas pembelahan nukleus yang berterusan, di mana neutron yang dibebaskan daripada satu pembelahan akan membedil nukleus lain dan menyebabkan lebih banyak pembelahan. |
| Unit Jisim Atom (u.j.a.) | Unit jisim yang digunakan untuk mengukur jisim atom. 1 u.j.a. ditakrifkan sebagai 1/12 daripada jisim satu atom karbon-12. (1 u.j.a ≈ 1.66 × 10⁻²⁷ kg). |
| Zarah Alfa (α) | Nukleus helium yang terdiri daripada dua proton dan dua neutron. |
| Zarah Beta (β) | Elektron yang bergerak pantas yang dipancarkan dari nukleus semasa reputan radioaktif. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
Bahagian ini mengandungi soalan-soalan yang memerlukan analisis dan penaakulan mendalam berdasarkan prinsip-prinsip fizik nuklear yang telah dipelajari.
Soalan 1: Berdasarkan perbincangan mengenai penjanaan tenaga elektrik di Malaysia, wajarkah sebuah loji reaktor nuklear dibina di negara ini sebagai sumber tenaga alternatif? Justifikasikan jawapan anda dengan mempertimbangkan sekurang-kurangnya tiga aspek seperti kos, keselamatan, kesan kepada ekosistem, dan pengurusan sisa.
Jawapan: Kewajaran pembinaan loji reaktor nuklear di Malaysia adalah isu yang kompleks.
• Menyokong: Tenaga nuklear mampu menjana jumlah tenaga elektrik yang besar dan konsisten daripada jumlah bahan api (uranium) yang sedikit. Ia juga mempunyai jejak karbon sifar, yang membantu mengurangkan kebergantungan kepada bahan api fosil seperti arang batu dan gas asli yang menyumbang kepada pencemaran udara. Dari segi teknologi, ia dapat meningkatkan kepakaran saintifik dan kejuruteraan negara.
• Menentang: Kos pembinaan loji nuklear adalah sangat tinggi. Isu keselamatan adalah kebimbangan utama; sebarang kebocoran sinaran radioaktif boleh membawa bencana kepada kesihatan manusia dan alam sekitar. Selain itu, pengurusan sisa radioaktif yang mempunyai separuh hayat yang sangat panjang merupakan cabaran teknikal dan etika yang besar, kerana ia perlu disimpan dengan selamat untuk ribuan tahun. Lokasi loji juga perlu dipilih dengan teliti untuk mengelakkan risiko bencana alam.
Kesimpulannya, keputusan untuk membina loji reaktor nuklear memerlukan pertimbangan yang teliti antara keperluan tenaga negara dengan risiko keselamatan, kos jangka panjang, dan impak alam sekitar.
Soalan 2: Seorang ahli geologi menemui sampel batuan purba. Teks sumber menyebutkan kaedah pentarikhan menggunakan nisbah uranium-238 kepada plumbum-206. Jelaskan mengapa kaedah ini sesuai untuk menganggarkan usia Bumi dan batuan yang sangat tua, berbanding radioisotop dengan separuh hayat yang lebih pendek.
Jawapan: Kaedah pentarikhan menggunakan siri reputan uranium-238 kepada plumbum-206 adalah sangat sesuai untuk menganggarkan usia Bumi dan batuan purba kerana uranium-238 mempunyai separuh hayat yang sangat panjang, iaitu kira-kira 5,000 juta tahun. Usia Bumi dianggarkan dalam skala bilion tahun. Oleh itu, radioisotop dengan separuh hayat yang panjang seperti uranium-238 masih mempunyai kuantiti yang boleh diukur walaupun selepas tempoh yang sangat lama. Jika radioisotop dengan separuh hayat pendek digunakan (contohnya, beberapa ribu tahun), ia akan mereput hampir sepenuhnya dalam batuan yang berusia jutaan atau bilionan tahun, menjadikannya mustahil untuk mengukur nisbah induk kepada anak dengan tepat. Proses reputan uranium-238 yang perlahan memastikan kedua-dua unsur induk (U-238) dan anak yang stabil (Pb-206) wujud dalam kuantiti yang signifikan, membolehkan nisbahnya ditentukan untuk mengira usia batuan tersebut.
Soalan 3: Di dalam teras reaktor nuklear, tindak balas berantai perlu dikawal untuk mengelakkan pembebasan tenaga yang tidak terkawal. Terangkan apakah yang akan berlaku jika moderator (cth: air atau grafit) di dalam reaktor gagal berfungsi manakala rod pengawal berfungsi seperti biasa.
Jawapan: Moderator berfungsi untuk memperlahankan neutron yang bergerak pantas yang dihasilkan daripada pembelahan nukleus. Neutron yang perlahan lebih berkemungkinan diserap oleh nukleus uranium-235 yang lain untuk mencetuskan pembelahan selanjutnya. Jika moderator gagal berfungsi, neutron-neutron yang terhasil akan terus bergerak pada kelajuan tinggi. Neutron yang pantas ini kurang efisien dalam menyebabkan pembelahan nukleus uranium-235. Akibatnya, kadar tindak balas berantai akan menurun secara mendadak. Walaupun rod pengawal berfungsi, peranan utamanya adalah untuk menyerap neutron berlebihan. Dalam situasi ini, masalahnya bukan neutron berlebihan, tetapi neutron yang tidak cukup perlahan untuk meneruskan tindak balas secara efisien. Ini akan menyebabkan output tenaga reaktor jatuh dengan ketara, dan reaktor mungkin akan terhenti (shut down) kerana tindak balas berantai tidak dapat dikekalkan.
Soalan 4: Pelakuran nukleus, seperti yang berlaku di teras Matahari, membebaskan tenaga yang lebih besar bagi setiap nukleon berbanding pembelahan nukleus. Mengapakah teknologi ini masih belum digunakan secara komersial untuk penjanaan tenaga elektrik di Bumi?
Jawapan: Walaupun pelakuran nukleus merupakan sumber tenaga yang lebih efisien dan bersih, ia belum dapat dikomersialkan kerana memerlukan keadaan fizikal yang ekstrem untuk berlaku. Berdasarkan teks, pelakuran nukleus hidrogen di Matahari berlaku pada suhu kira-kira 15.6 juta kelvin dan tekanan 250 bilion kali ganda tekanan atmosfera Bumi. Mewujudkan dan mengekalkan keadaan suhu dan tekanan yang sangat tinggi ini secara stabil di dalam sebuah reaktor di Bumi adalah satu cabaran teknologi yang amat besar. Para saintis telah berjaya mereka bentuk reaktor pelakuran bersaiz kecil seperti Tokamak di makmal, tetapi untuk meningkatkannya ke skala komersial yang menjana lebih banyak tenaga daripada yang digunakan untuk memulakan dan mengekalkan tindak balas adalah sangat sukar dan mahal. Masalah teknikal dalam mengawal plasma bersuhu ultra-tinggi dan mencari bahan yang mampu menahan keadaan sedemikian adalah antara halangan utama.
Soalan 5: Persamaan Einstein, E = mc², menyatakan bahawa jisim boleh ditukar kepada tenaga. Jika dua tindak balas pembelahan nukleus yang berbeza berlaku, dan kedua-duanya membebaskan tiga neutron, tetapi tindak balas A mempunyai cacat jisim 0.18 u.j.a dan tindak balas B mempunyai cacat jisim 0.19 u.j.a, tindak balas yang manakah akan menghasilkan lebih banyak tenaga? Jelaskan.
Jawapan: Tindak balas B akan menghasilkan lebih banyak tenaga. Menurut persamaan Einstein, E = mc², tenaga yang dibebaskan (E) adalah berkadar terus dengan cacat jisim (m), dengan c² (laju cahaya kuasa dua) sebagai pemalar perkadaran. Ini bermakna semakin besar kehilangan jisim dalam satu tindak balas nuklear, semakin besar jumlah tenaga yang dibebaskan. Oleh kerana tindak balas B mempunyai cacat jisim yang lebih besar (0.19 u.j.a > 0.18 u.j.a), ia akan menukarkan lebih banyak jisim kepada tenaga berbanding tindak balas A. Bilangan neutron yang dibebaskan tidak secara langsung menentukan jumlah tenaga yang terhasil; sebaliknya, cacat jisim adalah penentu utama.