Massa Atom

           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.