Cacat massa: massa yang hilang

Timbang atom helium-4 dengan sangat teliti, lalu timbang bagian-bagiannya secara terpisah. Kamu akan menemukan bahwa hasilnya tidak sama dengan massa atom tersebut.

Dengan menggunakan massa atom, yang mempertahankan elektron di kedua sisi sehingga saling meniadakan:

• 2 atom hidrogen-1 (2 proton + 2 elektron): 2 × 1,007825 u = 2,015650 u
• 2 neutron: 2 × 1,008665 u = 2,017330 u
• Total: 4,032980 u
• Massa terukur satu atom helium-4: 4,002603 u

Selisihnya, 0,030378 u, adalah cacat massa. Inti yang terbentuk lebih ringan daripada bagian-bagiannya.

Ke mana perginya massa itu? Hubungan Einstein E = mc² menyatakan bahwa massa dan energi adalah dua sisi dari hal yang sama. Jika suatu sistem melepaskan energi, massanya berkurang sebesar E/c². Ketika dua proton dan dua neutron menyatu menjadi inti helium, mereka melepaskan energi (dalam bentuk sinar gamma dan gerak), sehingga inti yang tersisa menjadi lebih ringan sebesar jumlah tersebut.

Faktor konversinya mudah diingat: 1 u massa setara dengan 931,494 MeV energi (ditulis 931,494 MeV/c²). Jadi,

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

Itulah energi ikat helium-4. Tepat sebesar energi yang harus kamu masukkan untuk memisahkan inti menjadi nukleon-nukleon bebas. Jika dibagi dengan 4 nukleon, hasilnya 7,07 MeV per nukleon, angka yang kita sebut B/A. B/A yang lebih tinggi berarti inti yang terikat lebih kuat.

Cek skala. Elektronvolt (eV) adalah energi yang dimiliki satu elektron saat melewati satu volt, sedangkan megaelektronvolt (MeV) adalah satu juta eV. Dalam kimia, pembakaran satu atom karbon dalam oksigen melepaskan sekitar 4 eV. Pembentukan satu inti helium-4 melepaskan 28 juta eV. Energi nuklir per atom jutaan kali lebih besar daripada energi kimia per atom, dan fakta sederhana inilah yang membuat bahan bakar nuklir begitu pekat.

Dalam satuan sehari-hari, 1 gram massa yang sepenuhnya diubah menjadi energi akan menghasilkan sekitar 9 × 10¹³ J, cukup untuk menjalankan sebuah rumah selama kira-kira dua ribu tahun. Dalam kenyataannya, tidak ada proses yang mengubah satu gram materi sepenuhnya, tetapi ini menunjukkan arti faktor c².