Dari Manakah Zat Berasal?

Bagi yg pernah sekolah tentu pernah belajar tentang Tabel Periodik Unsur (Periodic Table of Elements) yaitu daftar unsur atau zat dasar yg disusun berdasarkan jumlah proton (dalam inti atom), nama unsur, jumlah elektron, dan massanya. Susunan Tabel Periodik Unsur juga menggolongkan unsur ke dalam kelompoknya masing-masing, seperti logam alkali, logam alkali tanah, metaloid, non-logam, gas mulia, dsb. Biasanya di sekolah diajarkan kiat-kiat khusus untuk menghafalkan urutan unsur dalam kelompok tertentu. Ada yg masih ingat?

Dengan adanya Tabel Periodik Unsur, kita bisa memahami sifat dan keunikan setiap zat yg ada di alam semesta. Manfaatnya seperti taksonomi dalam biologi. Hingga hari ini, manusia dan ilmuwan telah berhasil menemukan 118 unsur. 94 unsur pertama adalah unsur yg tersedia di alam, walaupun sebagian sangat langka, mulai dari unsur Hidrogen (H) hingga Plutonium (Pu). Sisanya adalah unsur yg tercipta dari hasil eksperimen ilmuwan di laboratorium atau reaktor nuklir, mulai dari unsur Amerisium (Am) hingga Oganesson (Og).

periodic-table.png
Tabel Periodik Unsur

Ilmuwan yg pertama kali menerbitkan Tabel Periodik Unsur adalah seorang ahli kimia dari Rusia bernama Dmitri Mendele[y]ev. Gagasan pengelompokan unsur sebenarnya sudah diajukan sebelumnya oleh banyak ilmuwan dari berbagai negara di dunia. Namun tabel buatan Mendeleev yg kemudian dijadikan standar dalam ilmu kimia modern karena polanya bisa memprediksi secara tepat adanya unsur yg belum ditemukan saat itu. Contohnya, Mendeleyev telah memberikan tempat kosong yg kelak diisi oleh Galium (Ga) dan Germanium (Ge).

Lalu, pernahkah anda berpikir, dari mana semua unsur itu berasal? Bagaimana unsur-unsur itu terbentuk sehingga beberapa unsur bisa memiliki sifat yg hampir sama walau pun susunan atomnya berbeda? Bisakah manusia mengubah sebuah unsur menjadi unsur yg lain? Misalnya mengubah besi menjadi emas? Mengapa beberapa unsur tersedia melimpah di alam tetapi unsur yg lain sangat langka? Semua pertanyaan itu telah dipikirkan para ilmuwan sejak dahulu kala.

Petunjuk mulai hadir ketika seorang ilmuwan fisika asal Perancis, yaitu Henri Becquerel, melalui riset ilmiahnya menemukan bukti adanya radioaktivitas. Atas penemuannya, Henri mendapatkan hadiah Nobel pada tahun 1903, bersama dengan Marie Curie dan Pierre Curie. Radioaktivitas adalah bukti bahwa unsur tidaklah abadi. Penemuan tersebut cukup mengguncang pemahaman manusia saat itu karena umumnya mengira unsur bersifat tetap dan abadi. Emas akan selamanya emas. Tapi riset ilmiah membuktikan tidak selalu demikian. Hukum entropi juga berlaku pada unsur.

nuclear_fusion.jpeg
Diagram proses fusi nuklir Hidrogen-1 (deuteirum) dan Hidrogen-2 (tritium) menghasilkan Helium, neutron dan sejumlah energi yg bisa dimanfaatkan lebih lanjut.

Radioaktivitas adalah proses inti atom (nucleus) yg kondisinya tidak stabil sehingga melepaskan energi berupa partikel atau gelombang untuk mencapai kondisi yg lebih stabil. Lepasan energi itu disebut radiasi (alfa, beta, dan gamma). Unsur yg atomnya tidak stabil disebut memiliki sifat radioaktif. Radioaktivitas telah diterapkan di berbagai bidang industri, seperti pembangkit listrik tenaga nuklir, senjata tenaga nuklir (bom nuklir), pengobatan sinar radioaktif (radioterapi) untuk membunuh sel kanker, pemindaian tubuh (nuclear body scan), pengukuran umur materi berbasis karbon (carbon dating), dsb.

Setiap unsur yg memiliki inti atom tidak stabil akan meluruh menjadi unsur yg lebih sederhana melalui proses peluruhan radioaktif (radioactive decay). Jika unsur meluruh menjadi unsur yg lebih sederhana, maka seharusnya unsur yg lebih rumit terbuat dari gabungan unsur-unsur yg lebih sederhana. Proses itu disebut reaksi fusi nuklir. Reaksi fusi nuklir adalah penggabungan beberapa atom hingga terbentuk unsur berat, membutuhkan tekanan yg amat sangat besar dan suhu yg amat sangat tinggi. Dan hanya ada satu tempat di alam yg memungkinkan itu terjadi, yaitu di bintang.

Adalah Hans Bethe, seorang ilmuwan fisika nuklir dari Jerman yg pertama kali membuktikan terjadinya penyusunan inti bintang (stellar nucleosynthesis) melalui proses fusi nuklir. Hans Bethe adalah ilmuwan yg sejaman dengan Albert Einstein. Atas penemuan tersebut, Hans menerima hadiah Nobel pada tahun 1967. Bagaimana prosesnya terbentuknya unsur berat di bintang?

Crab_Nebula.jpg
Gugus awan Kepiting (Crap Nebula) hasil ledakan bintang yg menghasilkan sebuah bintang neutran di pusatnya.

Secara sederhana, prosesnya diawali dari terjadinya “ledakan besar” (bigbang), yaitu proses awal terbentuknya alam semesta. Di kondisi paling awal, unsur pertama yg terbentuk di alam adalah Hidrogen. Tekanan dan suhu yg tinggi di bintang Hidrogen membentuk Helium. Kumpulan hidrogen dan helium ini membentuk bintang-bintang paling awal di alam semesta. Tekanan gravitasi di inti bintang hidrogen dan helium membentuk unsur yg lebih berat seperti Lithium, Carbon, Oxygen, dst. Demikian seterusnya bintang terbentuk dan membentuk unsur yg lebih berat, hingga akhirnya terbentuk unsur besi (Ferrum). Tentu proses panjang itu tidak terjadi dalam semalam.

Gravitasi bintang besar tak mampu membentuk unsur yg lebih berat dari besi. Perlu energi yg lebih besar dari reaksi fusi nuklir untuk bisa membuat unsur yg lebih berat dari besi. Dan energi besar itu tersedia saat inti bintang tak mampu lagi menahan beban beratnya sendiri dan meledak, yg disebut supernova. Energi ledakan yg amat sangat besar dan suhu yg amat sangat tinggi mampu membentuk unsur-unsur yg lebih berat dari besi. Saat ledakan terjadi, atom-atom unsur berat yg ada saling bertabrakan kemudian membentuk unsur yg lebih berat lagi, mulai dari Cobalt hingga Uranium.

Supernova tidak hanya membentuk unsur berat tetapi juga sekaligus menyebarkan unsur-unsur yg terbentuk ke seantero jagad dengan kecepatan yg sangat tinggi yg membentuk gugus awan debu (nebula) dan gelombang dalam berbagai frekuensi, yg disebut sisa ledakan bintang (supernova remnant). Materi-materi yg disebarkan oleh supernova kembali tertarik oleh gravitasi, baik gravitasinya sendiri maupun gravitasi benda-benda lain di sekitarnya. Sisa-sisa supernova dengan kandungan berbagai unsur, dari yg ringan hingga yg berat, kembali menyatu dan membentuk sistem tata surya baru. Kurang lebih demikian siklus hidup bintang dan tata surya.

nuclear-science.jpeg
Infografis rangkuman ilmu nuklir.

Pada akhirnya, akan ada sistem tata surya yg terbentuk dengan komposisi yg tepat dan posisi yg unik untuk menciptakan sebuah planet yg mendukung adanya kehidupan. Dari unsur-unsur yg terbentuk dalam bintang dan saat ledakan bintang itulah, kehidupan juga terbentuk. Salah satu, mungkin juga satu-satunya saat ini, adalah kehidupan manusia di Bumi dalam tata surya kita ini, dengan hidrogen, oksigen, karbon, dsb berasal dari bintang. Jadi… ya, kita adalah anak-anak bintang dan supernova.

Semua penjelasan saya di atas tentu sangat menyederhanakan pengetahuan yg sebenarnya jauh lebih rumit. Tentu tidak mungkin saya menjelaskan tabel periodik, radioaktivitas, pembentukan bintang, ledakan bintang, dan pembentukan tata surya secara rinci dan lengkap dalam satu artikel saja. Namun dari artikel ini kita bisa mendapatkan gambaran umum seluruh proses tersebut. Bagi anda yg tertarik mendalami lebih lanjut tentang atom dan nuklir bisa belajar di Departemen Teknik Nuklir di Universitas Gajah Mada, Yogyakarta.

Salam akal sehat! 😊