Defek jisim: jisim yang hilang

Timbang satu atom helium-4 dengan sangat teliti, kemudian timbang bahagian-bahagiannya secara berasingan. Kamu akan dapati jumlahnya tidak sepadan.

Menggunakan jisim atom, yang mengekalkan elektron pada kedua-dua belah supaya saling menghapuskan:

• 2 atom hidrogen-1 (2 proton + 2 elektron): 2 × 1.007825 u = 2.015650 u
• 2 neutron: 2 × 1.008665 u = 2.017330 u
• Jumlah: 4.032980 u
• Jisim yang diukur bagi satu atom helium-4: 4.002603 u

Perbezaannya, 0.030378 u, ialah defek jisim. Nukleus yang terbentuk lebih ringan daripada bahagian-bahagiannya.

Ke manakah perginya jisim itu? Hubungan Einstein E = mc² menyatakan bahawa jisim dan tenaga ialah dua muka bagi satu perkara. Jika sesuatu sistem melepaskan tenaga, jisimnya berkurang sebanyak E/c². Apabila dua proton dan dua neutron bergabung menjadi nukleus helium, mereka melepaskan tenaga (sebagai sinar gamma dan gerakan), lalu nukleus yang tertinggal menjadi lebih ringan sebanyak jumlah itu.

Faktor penukaran ini berguna untuk diingati: 1 u jisim bersamaan dengan 931.494 MeV tenaga (ditulis sebagai 931.494 MeV/c²). Jadi

0.030378 u × 931.494 MeV/u ≈ 28.3 MeV.

Itulah tenaga ikatan helium-4. Tenaga itu tepat sama dengan tenaga yang perlu kamu masukkan untuk memisahkan nukleus menjadi nukleon bebas. Dibahagikan dengan 4 nukleon, nilainya ialah 7.07 MeV per nukleon, nombor yang kita panggil B/A. Nilai B/A yang lebih tinggi bermaksud nukleus itu terikat dengan lebih kuat.

Semakan skala. Elektronvolt (eV) ialah tenaga bagi satu elektron apabila melalui satu volt, manakala megaelektronvolt (MeV) ialah sejuta elektronvolt. Dalam kimia, pembakaran satu atom karbon dalam oksigen membebaskan kira-kira 4 eV. Pembentukan satu nukleus helium-4 membebaskan 28 juta eV. Tenaga nuklear bagi setiap atom adalah berjuta-juta kali lebih besar daripada tenaga kimia bagi setiap atom, dan fakta ini sahaja menjelaskan mengapa bahan api nuklear sangat padat.

Dalam unit harian, 1 gram jisim yang ditukar sepenuhnya kepada tenaga akan menghasilkan kira-kira 9 × 10¹³ J, cukup untuk mengendalikan sebuah rumah selama kira-kira dua ribu tahun. Dalam kehidupan sebenar, tiada proses yang menukar satu gram jirim sepenuhnya, tetapi perkara ini menunjukkan maksud faktor c².