Mengapa Massa Inti Atom Selalu Lebih Kecil Dari Jumlah Massa Nukleonnya?

Partikel Penyusun Inti Atom

Ilustrasi inti atom

Konsep adanya inti atom pertama kali dinyatakan oleh Rutherford berdasarkan hasil percobaan penghamburan partikel alpha untuk menguji model atom yang dikemukakan oleh Thomson. Dari percobaan tersebut Rutherford menyimpulkan bahwa massa seluruh atom terkumpul pada suatu titik yang disebut inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif yang terdapat pada inti atom sama dengan jumlah muatan elektron yang bergerak mengelilingi inti. Partikel yang bermuatan positif dalam inti atom disebut proton. Kemudian ditemukannya neutron oleh James Chadwich yang juga merupakan partikel yang ada dalam inti atom tetapi tidak bermuatan.

Jadi inti atom tersusun oleh dua partikel yaitu proton dan neutron, proton bermuatan positif sedangkan neutron netral yang selanjutnya proton dan neutron ini disebut nukleon atau nuklida. Massa neutron hampir sama dengan proton, hanya saja massa neutron lebih besar sedikit dibandingkan massa proton.

Massa dan muatan dari elektron, proton, dan neutron adalah sebagai berikut.

Massa Elektron = 9.109383 x 10^-31_,Muatan =-1,6 x 10^-19

Massa Proton = 1.672623 x 10^-27 , Muatan =+1,6 x 10^-19

Massa Neutron = 1.674933 10^-27 , Muatan =0

Semua atom dapat diidentifikasi berdasarkan jumlah proton dan neutron yang dikandungnya. Jumlah proton dalam inti setiap atom suatu unsur disebut nomor atom (Z ). Pada suatu atom netral jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga nomor atom juga menandakan jumlah elektron yang ada dalam atom. Nomor massa (A) adalah jumlah total neutron dan proton yang ada dalam inti atom suatu unsur.

A = Z + N

Secara umum sebuah inti atom dinotasikan:

Jumlah neutron dalam suatu atom sama dengan selisih antara nomor massa dan nomor atom, atau A – Z.

Massa atom

Massa suatu atom berhubungan erat dengan jumlah elektron, proton, dan neutron yang dimiliki atom tersebut. Berdasarkan perjanjian internasional, satu atom dari isotop karbon (disebut karbon-12) yang mempunyai enam proton dan enam neutron memiliki massa tepat 12 satuan massa atom (sma). Atom karbon-12 ini dipakai sebagai standar, sehingga satu satuan massa atom didefinisikan sebagai suatu massa yang besarnya tepat sama dengan seperduabelas massa dari satu atom karbon-12. Massa satu atom karbon-12 = 1 sma.

Inti sebuah massa atom hampir mengandung seluruh massanya. Hal ini karena inti merupakan tempat terkonsentrasi seluruh massa atom (sesuai model atom Rutherford).

spekrometer
*sumber: unisciencelab.com

Alat yang dapat digunakan untuk mengukur massa atom disebut spektrometer massa.Pada sebuah spektrometer massa, suatu sampel gas ditembak oleh aliran elektron berenergi tinggi. Tumbukan antara elektron dan atom (atau molekul) gas menghasilkan ion positif dengan terlepasnya satu elektron dari tiap atom atau molekul. Ion-ion tersebut sampai pada sebuah detektor, yang mencatat arus listrik dari tiap jenis ion. Jumlah arus listrik yang dihasilkan sebanding dengan jumlah ion, sehingga dapat ditentukan kelimpahan relatif dari isotop-isotopnya.

Gaya Ikat Inti

Seperti yang telah disebutkan diatas bahwa inti atom terdiri atas proton dan neutron, padahal antara proton dan neutron adalah bermuatan positif dan netral. Menurut hukum Coulomb, hal tersebut akan menimbulkan gaya elektrostatis, yaitu berupa gaya tolak-menolak antar proton. Akan tetapi mengapa proton-proton tersebut dapat menyatu di dalam inti atom.

Sebenarnya dalam inti atom terdapat interaksi gaya gravitasi dan gaya elektrostatis, akan tetapi gaya gravitasi dapat diabaikan terhadap gaya elektrostatis. Jadi pasti ada gaya lain yang menyebabkan proton-proton dalam inti atom dapat menyatu. Gaya yang menyebabkan nulkeon bisa bersatu di dalam inti disebut gaya ikat inti. Gaya gravitasi menyebabkan gaya tarik-menarik antarmassa nukleon, yaitu proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron, sedangkan gaya elektrostatis menyebabkan gaya tolak-menolak antara muatan proton dan proton. Gaya ikat inti lebih besar dibandingkan gaya gravitasi dan gaya elektrostatis. Gaya ikat inti bekerja antara proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron. Gaya ikat inti bekerja pada jarak yang sangat dekat sampai dengan jarak pada diameter inti atom (10^-15 m).

Energi Ikat Inti Atom

Hubungan antara massa inti atom dengan energi ikat inti dapat dijelaskan dengan teori relativitas khusus yang dikemukakan oleh Albert Einstein yang menyatakan hubungan antara massa dan energi yang dinyatakan dalam persamaan E = mc². Di mana E adalah energi yang timbul apabila sejumlah m (massa) benda berubah menjadi energi dan c adalah cepat rambat cahaya.

Dari hasil pengukuran massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon pada inti atom tersebut, penyusutan/ pengurangan massa ini disebut defek massa. Besarnya penyusutan massa inti akan berubah menjadi energi ikat inti yang menyebabkan nukleon dapat bersatu dalam inti atom. Besarnya energi ikat inti dapat diketahui jika besarnya defek massa inti diketahui.

Besarnya defek massa dinyatakan dengan selisih jumlah massa seluruh nukleon (massa proton dan neutron) dengan massa inti yang terbentuk yang dapat dinyatakan dalam persamaan :

karena massa elektron mendekati nol maka:

dengan:

∆m = defek massa

m_p = massa proton (sma)

m_n = massa neutron (sma)

m_e= massa elektron (sma)

Z = jumlah proton dalam inti atom

(A – Z) = jumlah neutron pada inti atom

m _Z^AX = massa inti atom

Menurut hasil pengukuran yang teliti jika massa 1 sma berubah menjadi energi setara dengan energi sebesar 931,5 MeV (Mega elektron volt) atau 1 sma = 931,5 MeV. Berikut perhitungannya:

E = mc²

E = (1,660539 x 10^-27kg)(2,99792 x 10⁸ m/s)²

E = 14,9241346574359296 x 10^-11kgm²/s²

E = 14,9241346574359296 x 10^-11J

Karena 1 eV = 1,602176 x 10^-19 J, maka

E = 14,9241346574359296 x 10^-11J / 1,602176 x 10^-19 J x 1 eV

E = 931,5 MeV

sehingga besarnya energi ikat inti dapat dinyatakan :

Rumus hubungan energi ikat inti atom dan defek massa

dengan :

∆m = defek massa

∆E = energi ikat inti

Energi ikat inti tidak selalu dapat menggambarkan tingkat kestabilan inti atom. Jika inti memiliki jumlah nukleon yang banyak energi ikatnya juga besar. Namum belum tentu inti tersebut stabil. Pada umumnya inti atom yang mempunyai jumlah neutron lebih banyak mempunyai tingkat kestabilan inti yang lebih rendah. Ada besaran yang mempunyai korelasi/hubungan dengan tingkat kestabilan inti yang disebut tingkat energi ikat per nukleon yaitu energi ikat inti dibagi dengan jumlah nukleon pada inti tersebut.

Semakin besar energi ikat rata-rata pern nukleon, kestabilannya akan semakin tinggi karena diperlukan energi yang besar untuk membongkarnya. Gambar berikut memperlihatkan grafik energi ikat per nukleon terhadap banyaknya nukleon dalam berbagai inti atom.

*physics for scientists and engineers

Ukuran dan Bentuk Inti Atom

Eksperimen hamburan Rutherford membuktikan bahwa inti mempunyai ukuran dan bentuk. Volume inti berbagai atom mempunyai nilai yang berbanding lurus dengan banyaknya nukleon yang dikandungnya. Hal ini berarti kerapatan nukleonnya hampir sama dalam bagian dalam inti. Inti atom tidak mempunyai permukaan yang jelas. Meskipun demikian, sebuah inti atom tetap mempunyai jari-jari rata-rata. Jari-jari inti bergantung pada massa, jumlah proton, dan neutron. Jari-jari inti dirumuskan secara empiris sebagai suatu pendekatan, yaitu:

dengan:

A = nomor massa atom

R = jari-jari inti (fm)

R₀ = 1,2 x 10^-15 m

Inti suatu atom telah kita anggap sebagai bola. Tetapi, pada kenyataannya beberapa inti atom mempunyai distribusi muatan tidak simetri bola. Oleh karena volume bola berbanding lurus dengan R³, maka persamaan diatas menunjukkan bahwa volume inti berbanding lurus dengan nomor massanya. Karena itu, untuk semua inti kecepatannya berbanding lurus dengan AR³, sehingga dengan pendekatan tertentu, semua inti mempunyai kerapatan yang sama, yaitu: