Inti sebuah atom mengandung seluruh
massa atom. Sifat dari atom dapat diturunkan dari pengetahuan mengenai massa
atom. Untuk mengukur massa atom dipergunakan “spektrometer massa”. Dengan disempurnakan teknik spektroskopi
massa, telah dapat diketahui besarnya massa setiap isotop yang terdapat di alam
ini. Telah diperoleh pula bahwa besarnya massa sebuah isotop merupakan bilangan
bulat. Massa atom mengacu kepada massa atom netral, artinya massa atom terdiri
dari massa elektron orbital, massa ekuivalen energi ikat inti dan massa
partikel penyusun inti atom. Massa atom dinyatakan secara konvensional dalam
satuan massa atom (sma) yang dinotasikan
dengan m, sehingga massa inti Carbon (12C)
tepat sama dengan 12,000000 m. Oleh
karena itu massa isotop Carbon adalah 12 m.
Standar
satuan massa atom berdasarkan 12C ini telah disepakati dalam
pertemuan internasional Union of Pure and Applied Physics di Ottawa (Canada)
pada tahun 1960. Selanjutnya dengan cara membandingkan massa senyawa hidrokarbon
carbon (C2H4) dapat ditentukan massa atom hidrogen (massa
proton) yaitu 1,0078252 m = 1,66042 x 10-27 kg.
Massa
sebesar 1,66042 x 10-27 kg mempunyai kesetaraan energi yang besarnya
adalah :
E = m c2
=
(1,66042 x 10-27 kg ) (2,998
x 108 m/s)2
=
1,49238616 x 10-10 joule.
=
931,576879 MeV
=
931,5 MeV
Dengan demikian massa sebesar 1,0078252 m akan setara dengan energi yang
besarnya 931,5 MeV.
Dalam
pengukuran sebuah massa isotop dengan menggunakan spektrometer massa, harus
diketahui teknik dan prinsip kerjanya. Teknik menggunakan spektrometer massa
telah dilakukan oleh Aston, Demster dan Brainbridge pada tahun 1933.
Berikut
akan dijelaskan prinsip kerja spektrometer massa yang diciptakan oleh Brainbridge
seperti diunjukkan dalam gambar 1-1.
Ion-ion positif dihasilkan dari
dalam tabung nyala listrik tegangan tinggi. Ion-ion positif tersebut keluar
dari celah S1 membentuk berkas ion positif yang sempit. Ion-ion ini
di samping mempunyai kecepatan yang berbeda-beda, juga mempunyai massa yang
berbeda-beda pula. Selanjutnya ion-ion tersebut masuk ke dalam daerah antara
celah S2 dan
S3, yang
dipengaruhi oleh medan magnetik (B) dan
medan listrik (E) homogen, dengan plat sejajar yaitu P1 dan P2.
Arah medan magnet tersebut adalah tegak lurus dan keluar dari halaman gambar.
Jadi dalam daerah ini terdapat medan magnet dan medan listrik yang saling tegak
lurus. Dalam eksperimen diusahakan agar gaya Coulomb yang dialami oleh ion-ion
tersebut pada saat melintasi daerah antara celah S2 dan S3 adalah sama dengan gaya Lorentz, sehingga
lintasan ion–ion tersebut
berbentuk garis
lurus. Oleh karena itu jika q = besarnya muatan setiap ion positip, dapat
berlaku persamaan untuk menentukan kelajuan ion ion positip (v) yang
melewati celah S3 ,
yaitu :
Gaya
Coulomb = Gaya Lorentz
q E = B q
dengan v = kelajuan
ion-ion positip (m/s), E = intensitas
medan listrik (volt/m), sedangkan B = intensistas medan magnetik (Wb/m2).
Setelah melewati celah S3,
ion-ion positip melalui daerah yang hanya dipengaruhi oleh medan magnet yang
homogen, sehingga lintasannya menurut busur setengah lingkaran yang
jari-jarinya R, sehingga menumbuk lembaran plat fotografi pada posisi yang
berjarak 2R dari celah S3. Pada peristiwa ini dapat dikatakan bahwa
besarnya gaya sentripetal yang menyebabkan lintasan ion-ion positip berbentuk busur lingkaran
adalah sama dengan besarnya gaya Lorentz
yang dialami oleh setiap ion positip yang bergerak di dalam medan magnet
homogen tersebut.
Jika m = massa ion positip, maka :
Gaya Lorentz =
Gaya Sentripetal.
Substitusikan nilai v dalam persamaan
(1.1) ke persamaan (1.2) sehingga diperoleh :
dengan m = massa ion positip (kg), q = muatan ion positip (Coul), sedangkan R
= jari-jari lintasan ion positip.
Jika
besarnya medan listrik E dan medan magnetik B selalu konstan, maka jari - jari
kelengkungan R dan posisi jatuh dari ion-ion pada plat fotografi sebanding
dengan . Oleh karena ion-ion positip yang melalui celah S1
tadi mempunyai massa yang berbeda-beda, sehingga pada plat fotografi terjadi
beberapa garis. Dari posisi masing-masing garis tersebut terhadap celah S3,
maka besarnya massa dari setiap ion positif dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (1.3).
Berdasarkan percobaan di atas,
diperoleh bahwa hidrogen mempunyai beberapa isotop, walaupun dua isotop yang
lebih berat hanya terdapat sekitar 0,015 % dalam hidrogen alamiah. Massa atom
yang lebih berat tersebut adalah deutrium dan tritium , yang masing-masing mempunyai massa 2,014102 m dan 3,01605 m. Inti atom deutrium disebut deutron dan inti
atom tritium disebut triton.
Besarnya massa proton adalah 1,0072766 = 1,6725 x 10-27 kg dan massa atom deutrium sekitar 2 kali
massa proton, sedangkan massa atom tritium sekitar 3 kali massa proton. Inti
atom tritium bersifat tidak stabil dan meluruh secara radioaktif
menjadi isotop helium .
Keteraturan
yang sangat menarik adalah besarnya massa setiap atom selalu mendekati dengan
kelipatan bilangan bulat massa atom hidrogen, yaitu 1,007825 m. Misalnya atom deuterium massanya dua kali massa atom hidrogen, massa atom
tritium adalah kira-kira tiga kali massa atom hidrogen.