TEORI MESON GAYA NUKLIR
Dalam ikatan kimia terlihat bahwa sebuah molekul saling mengikat dengan pertukaran elektron antara atom komponennya. Apakah mungkin mekanisme yang serupa bekerja dalam inti dengan nukleon komponen saling mengikat dengan pertukaran sejenis partikel antara nukleon itu ? Pada tahun 1932 oleh Heisenberg yang mengusulkan pendekatan bahwa elektron dan positron bolak balik antar nukleon. Sebuah netron memancarkan elektron dan menjadi proton, sedangkan sebuah proton dapat menyerap elektron menjadi sebuah neutron. Pendekatan ini tidak tepat karena ternyata gaya yang dihasilkan dalam pertukaran elektron dan positron terlalu kecil untuk berperan dalam struktur nuklir. Perhitungan berdasarkan data peluruhan beta menunjukkan bahwa gaya yang timbul dari pertukaran elektron dan positron oleh nukleon terlalu kecil dengan faktor 1014 supaya berperan dalam struktur nuklir. Seorang fisikawan Jepang Hideki Yukawa lebih berhasil dengan pengusulannya yang dianjurkan dalam tahun 1935 yang menyatakan bahwa terdapat partikel dengan besar massa antara elektron dan nukleon yang bertanggung jawab atas adanya gaya nuklir.
Sekarang partikel ini disebut pion. Pion dapat bermuatan (π+,π-) atau netral (π0), dan merupakan anggota kelas partikel elementer yang secara kolektif disebut meson; kata pion ialah singkatan dari nama asalnya π meson. Menurut teori meson semua nukleon mengandung inti-inti identik dikitari oleh awan yang mengandung satu atau lebih meson. Meson-meson mungkin netral atau membawa suatu muatan positif atau negatif.
Menurut teori Yukawa, setiap nukleon terus-menerus memancarkan dan menyerap pion. Jika terdapat nukleon lain didekatnya, pion yang dipancarkan dapat menyebrang alih-alih kembali ke nukleon induknya; transfer momentum yang menyertainya setara dengan aksi gaya. Gaya nuklir saling tolak pada jangkauan sangat pendek dan saling tarik pada jarak nukleon-nukleon yang agak jauh, karena jika tidak demikian maka nukleon dalam inti akan menyatu dan salah satu kekuatan teori meson untuk gaya seperti ialah kedua aspek itu tercakup. Tidak terdapat cara sederhana untuk menunjukkan yang pertama secara formal, tetapi analogi yang kasar dapat mengurangi misteri konsep tersebut. Marilah kita bayangkan dua orang anak yang saling menukar bola basket (gambar 2).
Gaya tolak yang timbul karena pertukaran partikel
Gaya tarik yang timbul karena pertukaran partikel
Gambar 2. Gaya tarik dan tolak keduanya dapat
timbul dari pertukaranpartikel
Jika mereka saling melempar bola itu, anak itu bergerak mundur, dan ketika mereka menangkap bola yang dilemparkan kepadanya, momentum mundurnya bertambah. Jadi metode pertukaran bola basket ini menghasilkan efek yang sama sebagai gaya tolak antara anak-anak itu. Jika anak-anak itu saling mengambil bola basket dari tangan anak lainnya, hasilnya ialah gaya tarik timbul di antara mereka.
Suatu persoalan pokok timbul di sini, jika nukleon berkesinambungan memancarkan dan menyerap pion, mengapa neutron dan proton tidak pernah didapatkan mempunyai massa yang lain dari massa biasanya ? Jawabannya terletak pada prinsip ketaktentuan. Hukum fisika hanya mengacu pada kuantitas terukur, dan prinsip ketaktentuan membatasi ketepatan suatu kombinasi pengukuran yang dapat dilakukan. Pemancaran sebuah pion oleh sebuah nukleon yang tidak berubah massa merupakan pelanggaran yang jelas terhadap hukum kekekalan energi dapat terjadi asal saja nukleon itu menyerap kembali pion lain yang dipancarkan oleh nukleon tetangga, sehingga secara prinsip tidak bisa ditentukan apakah sebenarnya terjadi perubahan massa dari prinsip ketaktentuan dalam bentuk.
∆E∆t≥ ћ/2
Suatu kejadian dimana sejumlah energi ∆E tak kekal tidak dilarang, asal saja selang waktu kejadian itu tidak melebihi ћ/2 ∆E. persyaratan ini dapat dipakai untuk memperkirakan massa pion
Marilah kita anggap sebuah pion bergerak di antara nukleon-nukleon dengan kelajuan V ~ c (tentu saja sebenarnya V < c); ini berarti pemancaran pion bermassa mπ menyatakan penyimpanan energi sementara sebesar ∆E ∼ mπc^2 (energi kinetik pion diabaikan; dan bahwa ∆E∆t∼ ћ. Gaya inti memiliki jangkauan maksimum r sekitar 1,7 fm dan waktu ∆t yang diperlukan untuk menempuh jarak sejauh itu, yaitu:
∆t= r/v ∼ r/c
Kita dapatkan :
∆E∆t∼ ћ
(mπc^2) (r/c) ∼ ћ
mπ ∼ ћ/rc
sehingga menghasilkan mπ sebagai berikut :
mπ ∼(1,05 X 〖10〗^(-34 ) J .s)/((1,7 X 〖10〗^(-15) m)X (3 X 〖10〗^8 m⁄(s))) ∼ 2,1 X 〖10〗^(-28) kg
besaran itu kira-kira 230 kali massa-diam elektron me . Beberapa tahun setelah usul Yukawa, partikel yang sifatnya telah diramalkannya betul-betul ditemukan. Massa diam pion bermuatan adalah 273 m_e dan pion neutral ialah 264 m_e, tidak jauh dari perkiraan di atas.
Terdapat dua faktor yang menyebabkan ditemukannya pion bebas agak terlambat. Pertama, harus terdapat energi yang cukup untuk diberikan pada nukleon, sehingga pemancaran sebuah pion memenuhi kekekalan energi. Jadi sekurang-kurangnya energi sebesar m_π c^2 atau sekitar 140 MeV diiperlukan. Untuk menyediakan energi sebesar itu untuk nukleon dalam suatu tumbukan, partikel yang datang harus berenergi kinetik jauh lebih besar dari m_π c^2 supaya momentum dan energinya kekal. Partikel dengan energi kinetik beberapa ratus MeV diperlukan untuk menghasilkan pion bebas, dan partikel seperti itu terdapat dalam alam hanya dalam arus difusi radiasi kosmik yang datang ke bumi. Jadi penemuan pion harus menunggu perkembangan metoda yang cukup peka dan tepat dalam penelitian interaksi sinar-kosmik. Baru-baru ini pemercepat (akselerator) mulai bekerja; alat itu dapat menghasilkan energi partikel yang diperlukan, dan pion yang terjadi dengan pertolongan alat itu dapat dipelajari langsung.
Penyebab kedua tertundanya penemuan eksperimental dari pion ialah ketakmantapan; umur rata-rata pion bermuatan ialah 2,6 x 〖10〗^(-8) s dan pada pion netral ialah 8,4 x 〖10〗^(-17) s. untuk π^0 demikian pendeknya sehingga keberadaannya baru didapatkan secara meyakinkan dalam tahun 1950.
Walaupun teori meson gaya nuklir masih jauh dari keterangan lengkap mengenai sifat nuklir seperti teori kuantum dari atom dapat menerangkan sifat atomik, tetapi teori itu telah berhasil menerangkan beberapa hasil pengamatan yang cukup membingungkan orang. Misalnya melalui analogi dengan momen magnetik elektron. Kita bisa mengharapkan momen magnetik proton ialah eћ/2m_p dan neutron yang tak bermuatan momen magnetiknya 0. Kenyataannya momen magnetik proton ialah 2,8 (eћ/2m_p) dan netron ialah -1,9 (eћ/2m_p). Kelihatannya cukup nalar untuk menerangkan penemuan ini dengan menyatakan pion bermuatan terus-menerus dipancarkan dan diserap oleh nukleon sehingga selalu berada disekitar nukleon itu. Karena pion yang dipancarkan proton ialah π^0 dan π^+, momen magnetiknya akan lebih besar dibandingkan dengan tanpa pion, seperti hasil pengamatan; dan karena pion yang dipancarkan netron ialah π^0 dan π^-, momen magnetiknya harus bertanda berlawanan dengan proton, sesuai dengan pengamatan.
Meson yang lebih berat dari pion juga ditemukan, massanya ternyata seribu kali lebih besar dari massa elektron. Kontribusi meson pada gaya nuklir menurut persamaan 11.4 terbatas pada jarak yang lebih pendek dari pada karakteristik pion.
Beberapa tahun sebelum hasil Yukawa, telah diusulkan terdapanya pertukaran partikel sebagai mekanisme untuk interaksi yang berbeda yang merupakan penyebab dari gaya elektromagnetik. Dalam kasus ini partikelnya ialah foton, dan karena foton tak bermassa, jangkauan gayanya tidak terbatas seperti dalam persamaan 11.14. namun, lebih besar jarak antara kedua muatan, lebih kecil energi foton yang dipertukarkan di antara muatan itu (jadi, lebih kecil momentum foton lebih lemah gaya yang ditimbulkannya) supaya prinsip ketaktentuan tidak terlanggar. Karena hal inilah gaya listrik mengecil tterhadap jarak. Karena foton yang dipertukarkan antara muatan listrik dalam interaksi itu tidak bisa dideteksi, foton itu disebut foton virtual; seperti dalam kasus pion, foton virtual dapat menjadi foton real jika terdapat energi cukup untuk membebaskannya dari kendala kekekalan energi. Idea foton sebagai pembawa gaya elektromagnetik sangat menarik dalam anyak hal, satu-satunya yang jelas ialah untuk menerangkan mengapa gaya sepert itu diteransmisikan (dijalankan) denga n kelajuan cahaya, bukan serentak. Seperti kemudain dikembangkan dalam elektrodinamika kuantum dan kesimpulannya ternyata tepat cocok dengan data dari gejala seperti fotolistrik dan efek Compton, produksi pasangan dan pemusnahan, bremsstrahlung, dan pemancaran foton oleh atom tereksitasi.
Untuk menunjukkan bahwa jangkauan dari gaya nuklir tertarik dengan massa zarah yang dipertukarkan yang terjadi diantara kedua proton. Asumsikan bahwa secara normal meson π0 terkandung secara virtual (maya) dalam satu dari kedua proton. Massa objek ini adalah Mp, massa proton. Sekarang anggaplah bahwa dari waktu ke waktu proses tersebut mengalami disosiasi dalam sebuah meson π0 nyata (real) dan sebuah proton. Massa dari objek ini menjadi Mp + mπ . Sesuai dengan ungkapan prinsip ketidakpastian Heisenberg, maka jangka waktu disosiasi diperkenalkan jika tidak memakan waktu lebih besar dari t:
T .. ℏ/∆E …………………………………………(3.1)
Bertolak dari gambar 3.2 diperoleh :
∆E = (Mp + mπ)c2 – MpC2
∆E = mπC2 ………………………………………………………….(3.2)
Jarak terjauh yang dapat ditempuh meson dalam selang waktu tersebut adalah :
rmax ……..ct …………………………………………………………..(3,3)
dengan C adalah kecepatan cahaya. Dengan demikian :
rmax …..ℏ/m
