Défaut de masse : la masse manquante.

Pèse très soigneusement un atome d’hélium-4, puis pèse ses composants séparément. Tu constateras que leur somme ne correspond pas à la masse de l’atome.

En utilisant les masses atomiques, qui conservent les électrons des deux côtés afin qu’ils se compensent :

• 2 atomes d’hydrogène-1 (2 protons + 2 électrons) : 2 × 1,007825 u = 2,015650 u
• 2 neutrons : 2 × 1,008665 u = 2,017330 u
• Total : 4,032980 u
• Masse mesurée d’un atome d’hélium-4 : 4,002603 u

La différence, 0,030378 u, est le défaut de masse. Le noyau assemblé est plus léger que ses composants.

Où est passée la masse ? La relation d’Einstein E = mc² dit que la masse et l’énergie sont deux aspects d’une même chose. Si un système cède de l’énergie, sa masse diminue de E/c². Lorsque deux protons et deux neutrons s’assemblent pour former un noyau d’hélium, ils libèrent de l’énergie (sous forme de rayons gamma et de mouvement), et le noyau obtenu pèse moins lourd de cette quantité.

Le facteur de conversion est pratique à retenir : 1 u de masse correspond à 931,494 MeV d’énergie (écrit 931,494 MeV/c²). Donc

0,030378 u × 931,494 MeV/u ≈ 28,3 MeV.

C’est l’énergie de liaison de l’hélium-4. C’est exactement l’énergie qu’il faudrait fournir pour séparer le noyau en nucléons libres. Répartie entre 4 nucléons, elle vaut 7,07 MeV par nucléon, la valeur que nous appelons B/A. Une valeur de B/A plus élevée signifie un noyau plus fortement lié.

Vérification des ordres de grandeur. Un électronvolt (eV) est l’énergie acquise par un électron lorsqu’il traverse une différence de potentiel d’un volt, et un mégaélectronvolt (MeV) vaut un million d’électronvolts. En chimie, brûler un atome de carbone dans de l’oxygène libère environ 4 eV. Former un noyau d’hélium-4 libère 28 millions d’eV. L’énergie nucléaire par atome est des millions de fois plus grande que l’énergie chimique par atome, et c’est pour cela que le carburant nucléaire est si concentré.

Dans les unités courantes, 1 gramme de masse entièrement converti en énergie représenterait environ 9 × 10¹³ J, soit assez pour faire fonctionner un foyer pendant environ deux mille ans. Dans la réalité, aucun processus ne convertit complètement un gramme de matière, mais cela montre ce que signifie le facteur c².