Tentang neutron

Neutron dan proton adalah partikel-partikel subatomik pembentuk inti atom. Neutron maupun proton masih tersusun atas partikel-partikel lain. Cabang fisika yang mempelajari struktur proton dan neutron ini dikenal sebagi fisika partikel.

   
Tahun 1920-an, James Chadwick melakukan serangkaian eksperimen dalam upayanya untuk menemukan neutron yang eksistensinya telah diprediksi oleh Ernest Rutherford. Tahun 1930 Walter Bothe dan Herbert Becker mengamati bahwa jika Berilium dibombardir dengan partikel alfa akan dihasilkan radiasi yang memiliki daya tembus yang cukup besar. Frederic Joliot dan Curie (1932) kemudian menemukan bahwa radiasi tersebut mampu melontarkan proton berkecepatan tinggi dari material yang mengandung Hidrogen seperti parafin atau air. Joliot dan Curie menduga bahwa radiasi tersebut merupakan sinar gamma dengan frekuensi yang sangat besar dan proses terlontarnya proton dari material analog dengan efek Compton. Namun teori Joliot-Curie ini dibantah oleh Chadwick. Melalui serangkaian eksperimen yang ekstensif, Chadwick pada tahun 1932 mengemukakan bahwa radiasi yang diamati Bothe-Becker serta Joliot-Curie adalah neutron. Penemuan Chadwick ini  menghantarkannya memperoleh hadiah Nobel fisika tahun 1935. Peralatan yang digunakan Chadwick untuk eksperimen pencarian neutron ditunjukan pada gambar 1.

Gambar 1. Peralatan eksperimen neutron Chadwick [2]

Empat tahun setelah ditemukannya, terbukti bahwa neutron dapat didifraksikan (Bragg diffracted) oleh kristal-kristal zat padat. Setelah diciptakannya reaktor fisi nuklir pertama tahun 1942 oleh Enrico Fermi dkk., penggunaan neutron untuk mempelajari sifat-sifat zat mampat (condensed matter) lebih aktif dilakukan. Clifford. G. Shull dan Bertram Brockhouse merupakan dua dari sekian banyak ilmuwan yang mempelopori penggunaan neutron untuk penelitian sifat-sifat bahan. Keduanya berbagi hadiah Nobel fisika tahun 1994. “Catatan” mengenai alasan mengapa mereka memperoleh hadiah Nobel adalah, untuk Shull: “for the development of the neutron diffraction technique”, atau secara sederhana dapat dikatakan bahwa Shull telah membantu menjawab pertanyaan “where the atoms are”. Sedangkan untuk Brockhouse: “for the development of neutron spectroscopy”, atau dikatakan bahwa Brockhouse telah membantu menjawab pertanyaan “what the atoms do”.

Untuk keperluan aplikasi neutron pada ilmu bahan (materials sciences), tidak diperlukan pengetahuan mengenai struktur neutron. Namun, cukup fahami saja karakteristik neutron bila berinteraksi dengan materi lain seperti elektron, inti atom, potensial listrik, dan medan magnet.

Neutron memiliki sifat-sifat yang menjadikannya sebagai "probe" yang ideal untuk menginvestigasi karakteristik bahan/material. Sifat-sifat tersebut adalah:

1.   Netral (muatan listrik q = 0). Konsensekuensinya: neutron memiliki daya tembus yang besar, tidak merusak materi yang dikenainya, dan dapat digunakan pada sampel-sampel dengan kondisi lingkungan yang “keras” (severe environments)

2.   Neutron memiliki panjang gelombang (teorema dualisme partikel-gelombang de Broglie). Panjang gelombang neutron (termal) berorde sama dengan jarak antar atom. Konsenkuensinya: neutron dapat digunakan untuk menentukan struktur kristal dan jarak antar bidang-bidang atom

3.   Karena netral, maka neutron hanya berinterkasi dengan inti atom dan tidak terhalang oleh elektron-elektron atom. Dengan kata lain neutron dapat "melihat" inti atom. Konsekuensinya: neutron sensitif terhadap atom-atom ringan, mampu membedakan isotop-isotop suatu atom, dan dapat membedakan struktur molekul kompleks (menggunakan teknik variasi kontras)

4.   Energi neutron termal berorde relatif sama dengan energi-energi eksitasi elementer pada zat padat. Konsekuensinya: neutron dapat digunakan untuk mempelajari dinamika atom/kisi - lattice dynamics (phonon) maupun dinamika molekul - molecular dynamics

5.    Neutron memiliki momen magnetik. Konsekuensinya: neutron dapat digunakan untuk mempelajari struktur magnetik mikroskopik dan fluktuasi magnetik

6.    Neutron memiliki spin. Konsekuensinya: berkas neutron dapat dipolarisir sehingga dapat digunakan untuk mempelajari struktur magnetik kompleks maupun dinamika magnetik (magnon)

Neutron tidak dapat ditemukan dalam keadaan bebas di alam dalam waktu lama karena waktu paruhnya yang sangat singkat. Neutron dihasilkan antara lain melalui reaksi spontan dari unsur-unsur radioisotop seperti Radium-Berilium (Ra-Be), Plutonium-Berilium (Pu-Be), dll.. Untuk keperluan eksperimen hamburan neutron, dua sumber neutron yang saat ini digunakan adalah:

1.    Reaktor nuklir. Pada reaktor nuklir, neutron dihasilkan secara kontinyu melalui reaksi fisi spontan dari Uranium-235, seperti diilustrasikan pada gambar 1. Indonesia memiliki tiga reaktor nuklir untuk keperluan riset (research reactor). Salah satu reaktor tersebut adalah Reaktor Serbaguna G. A. Siwabeesy - RSGAS di Batan Serpong. Silahkan ikuti link ini http://www.batan.go.id/prsg/ untuk mengetahui informasi lebih lengkap mengenai RSGAS tersebut. Adapun informasi mengenai peralatan-peralatan yang memanfaatkan neutron yang dihasilkan oleh RSGAS untuk karakterisasi material dapat dilihat di  

      http://www.batan.go.id/ptbin/bsn.html

Gambar 2. Reaksi fisi [3]

2.   Sumber spallasi. Pada proses spallasi, seperti diilustrasikan pada gambar 2, neutron dihasilkan dengan cara membombardir unsur-unsur berat seperti Uranium (U), Tungsten (W), Tantalum (Ta), Timbal (Pb), atau Merkuri (Hg) dengan proton-proton berenergi tinggi. Proses spalasi menghasilkan neutron dalam bentuk pulsa-pulsa diskrit. Sampai saat ini Indonesia belum memiliki sumber spalasi neutron untuk keperluan eksperimen-eksperimen hamburan neutron.

        

Gambar 3. Proses spallasi [4]

Referensi:
1. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1994/ 
2. http://http://www.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld3_E/3Part1_E/3P13_E/DiscoverNeutron_E.htm

3. http://www.wikipedia.org

4. http://neutron-www.kek.jp/kens2/kens_e/intro/intro02.html
5. G. Shirane, M. Shapiro, and J. M. Tranquada, "Neutron Scattering with a Triple-Axis Spectrometer", Cambridge University Press, Cambridge 2002.
6. B. T. M. Willis and C. J. Carlile, "Experimental Neutron Scattering", Oxford University Press, New York 2009