Satuan massa atom
u, dalton Da · 1/12 massa atom karbon-12 · 1,660 539 069·10⁻²⁷ kg
Menimbang sebuah atom dalam gram itu mustahil; membandingkan satu atom dengan atom lain justru mudah — kirim keduanya mengelilingi lingkaran dalam medan magnet dan lihat mana yang lebih banyak membelok. Begitulah para kimiawan abad kesembilan belas bekerja: seluruh tabel mereka tersusun dari perbandingan, bukan dari massa. Tinggal memilih apa yang akan diambil sebagai satuan. Dalton mengambil hidrogen, Berzelius oksigen, dan satu setengah abad kemudian ternyata para fisikawan dan kimiawan memakai oksigen yang berbeda: yang satu mengukur isotopnya, yang lain campuran alaminya, dan kedua skala itu berselisih pada angka keempat. Pada 1961 perselisihan berakhir dengan kompromi yang kedua pihak terima dengan enggan: satuannya menjadi seperdua belas atom karbon-12. Sejak itu setiap tabel periodik di setiap dinding menghitung massa dari satu atom tertentu yang belum pernah dilihat siapa pun.
01 · Definisi
Satuan massa atom adalah seperdua belas massa atom karbon-12 yang diam, tak terikat, dan berada dalam keadaan dasar. Nama kedua satuan ini, yang sama sahnya, adalah dalton, dan dalam biokimia nama itu sudah lama menggeser yang pertama: kilodalton dan megadalton berbicara tentang protein dan virus, sedangkan „u” tetap tinggal bersama atom dan inti.
Syarat-syarat dalam definisi itu bukan kerewelan. Atom harus bebas, sebab di dalam molekul sebagian massanya masuk ke ikatan. Atom harus berada dalam keadaan dasar, sebab atom tereksitasi lebih berat — energi memiliki massa. Dan atom harus diam, sebab yang bergerak lebih berat persis sebesar energi kinetiknya dibagi kuadrat kecepatan cahaya. Ketiga koreksi itu terletak pada angka kesepuluh dan ketiganya berarti: spektrometri massa sudah lama bekerja lebih halus.
Sifat paling menarik dari satuan ini: untuk hampir segala hal ia memberi bilangan tak bulat. Massa karbon-12 menurut definisi tepat dua belas; massa nuklida lain mana pun menyimpang dari nomor massanya. Oksigen-16 beratnya 15,9949, helium-4 beratnya 4,0026, dan uranium-235 beratnya 235,0439. Penyebabnya bukan ketidaktepatan pengukuran, melainkan bahwa inti yang terikat lebih ringan daripada bagian-bagiannya: energi ikat telah dikurangkan dari massa. Justru kekurangan inilah sumber seluruh energi nuklir, dan dalam satuan inilah ia paling mudah dilihat.
Keistimewaan tersendiri muncul pada 2019. Sampai saat itu kilogram ditetapkan oleh sebuah silinder di Sèvres, sedangkan bilangan Avogadro diukur; setelah reformasi semuanya terbalik: bilangan Avogadro ditetapkan secara eksak, kilogram diikatkan pada tetapan Planck — dan dalton, yang sebelumnya eksak menurut definisi, berubah menjadi besaran terukur. Kini ia diketahui dengan ketidakpastian relatif tiga persepuluh dari sepermiliar, dan massa molar karbon-12 tidak lagi tepat dua belas gram per mol, melainkan hanya dalam batas ketidakpastian itu.
Empat inti hidrogen beratnya 4,0313 u, dan helium yang terbentuk darinya beratnya 4,0026. Selisih 0,0287 u itu pergi sebagai cahaya, dan itu tujuh persepuluh persen dari massa awal. Kedengarannya sedikit, tetapi Matahari mengolah enam ratus juta ton hidrogen per detik, dan empat juta ton di antaranya berubah menjadi radiasi — setiap detik, selama lima miliar tahun. Fisi uranium hanya memberikan sembilan perseratus persen, delapan kali lebih sedikit; seluruh perbedaan antara reaktor dan bintang muat pada angka keempat satuan massa atom.
02 · Konversi
Masukkan sebuah nilai — lembar ini akan mengubahnya ke satuan lain
Tiga keluarga: skala massa, apa yang beratnya sama, dan energi menurut rumus Einstein.
Berimpitnya dalton dengan gram per mol bukanlah keidentikan, melainkan akibat dari cara bilangan Avogadro dipilih. Sebelum 2019 hal itu eksak menurut konstruksinya; kini massa molar karbon-12 adalah 12,000 000 013 gram per mol dengan ketidakpastian pada angka terakhir, dan untuk pekerjaan laboratorium mana pun tetap dua belas. Perbedaannya perlu diingat di dua tempat: pada pengukuran teliti komposisi isotop dan saat membaca buku pegangan lama, tempat „amu” dapat berarti skala oksigen-16, yang menyimpang dari skala sekarang sebesar tiga perseratus persen.
| Penulisan | Apa artinya | Nilai | Di mana dijumpai |
|---|---|---|---|
| u (Da) | satuan massa atom | 1,0000 | nuklida dan molekul |
| kDa | kilodalton | 0,0010 | protein |
| MDa | megadalton | 0,00000 | virus, ribosom |
| kg | dalam satuan SI | 1,661·10⁻²⁷ kg | konversi lewat 1,6605·10⁻²⁷ |
| г | dalam gram | 1,661·10⁻²⁴ g | hal yang sama, lebih akrab |
| g/mol | massa molar | 1,0000 | secara angka sama dengan u |
| MeV/c² | energi diam | 931,494 | fisika inti |
| mₑ | dalam massa elektron | 1822,89 | 1 u = 1822,89 mₑ |
defek massa = jumlah massa nukleon − massa inti
03 · Orde besaran
logaritma desimal massa, dalam daltonNukleon dan atom ringan
04 · Alat ukur
Dengan apa atom ditimbang
Seberkas ion melewati medan listrik dan medan magnet yang mengarahkan partikel bermassa berbeda ke tempat berbeda pada pelat foto. Francis Aston membangun alat semacam itu pada 1919 dan dalam beberapa tahun menemukan dua ratus dua belas isotop, sekaligus menjelaskan mengapa massa atom dalam tabel bukan bilangan bulat: unsur adalah campuran. Ketelitiannya mencapai seperseribu persen, dan sudah sebesar itu pun ia memperlihatkan defek massa.
Satu ion ditahan oleh medan magnet dan medan listrik sementara frekuensi peredarannya didengarkan: frekuensi itu berbanding terbalik dengan massa. Selanjutnya dua frekuensi dibandingkan — frekuensi ion yang diteliti dan frekuensi ion karbon — sehingga diperoleh perbandingan massa dengan sebelas angka penting. Inilah teknik pengukuran paling teliti dalam seluruh fisika; dengan teknik inilah dibuktikan bahwa defek massa dalam reaksi inti sesuai dengan energi yang dilepaskan, artinya rumus Einstein sendiri yang diuji.
Denyut laser melepaskan molekul dari alasnya, medan listrik memberi semuanya energi yang sama, lalu tinggal diukur siapa yang lebih dulu melintasi tabung: yang berat tertinggal. Cara ini bekerja pula pada protein berukuran ratusan kilodalton, yang dengan cara lain tak dapat ditimbang secara utuh. Di sinilah kata „dalton” hidup: dalam biokimia massa selalu disebut demikian, dan „u” akan terdengar janggal.
Alat yang menimbang bukan atom, melainkan kilogram: gaya berat pada cuplikan diimbangi oleh gaya pada kumparan di dalam medan magnet, dan hasilnya dinyatakan lewat tetapan Planck. Ia tidak mengukur satuan massa atom, tetapi menetapkan ujung lain dari jembatan antara atom dan anak timbangan. Justru karena itulah dalton kehilangan ketepatannya setelah 2019: hubungannya dengan kilogram kini melewati besaran-besaran terukur, bukan lewat sebuah definisi.
05 · Aturan penulisan
Satu satuan, dua nama, awalan hanya pada salah satunya
Dalton adalah satuan bernama sendiri, dan awalan dilekatkan padanya; pada „u” awalan tidak dilekatkan.
Singkatan „amu” sudah usang dan lagi pula bermakna ganda: dalam pustaka sebelum 1961 ia berarti skala oksigen, bukan skala karbon. Kilodalton adalah bentuk yang tepat untuk molekul besar; menulis enam puluh empat ribu dalton tidak ada gunanya. Pada lambang dalton hanya huruf pertama yang besar, karena satuan itu dinamai menurut nama seseorang, sedangkan „u” tetap kecil karena „unit” bukanlah sebuah nama. Dan terakhir: massa uranium-235 bukan 235, melainkan 235,0439 u — yang bulat di sini hanyalah nomor massa, yaitu cacah nukleon, dan mengelirukannya dengan massa berarti kehilangan justru besaran yang menjadi alasan semua perhitungan itu.
06 · Satuan tetangga
Dalton berdiri di antara kilogram, mol, dan elektronvolt.
jembatan lewat tetapan Planck
angka yang sama, tetapi dalam gram
massa yang dinyatakan sebagai energi
Di sebelahnya, di Simetrium, berdiri kilogram, mol, elektronvolt dan barn.
07 · Bagian sejarah
Satu setengah abad perdebatan tentang apa yang menjadi satuan
John Dalton mengambil hidrogen sebagai satuan — bukan karena asas, melainkan karena tak ada yang lebih ringan yang dikenal orang. Massa mutlak tidak ia ukur dan memang tak dapat diukurnya; seluruh tabelnya tersusun dari perbandingan yang diperoleh dari nisbah berat dalam reaksi. Kesalahannya banyak: air ia anggap HO, sehingga oksigen keluar dua kali lebih ringan daripada yang sebenarnya. Namun gagasan bahwa setiap unsur memiliki bilangan khasnya sendiri ternyata abadi, dan namanya pada akhirnya jatuh pada satuan ini.
Jöns Jacob Berzelius memindahkan tumpuan ke oksigen: unsur itu bersenyawa dengan hampir segala sesuatu, dan melaluinya massa ditentukan lebih teliti daripada melalui hidrogen yang berubah-ubah. Mula-mula oksigen diambil seratus, kemudian enam belas — agar hidrogen tetap dekat dengan satu. Skala yang diperoleh itu bertahan lebih dari satu abad dan masuk ke semua buku pegangan; bahwa oksigen dapat bermacam-macam, waktu itu tak seorang pun menduganya.
Penemuan isotop oksigen memunculkan pertanyaan yang tak nyaman: para fisikawan yang bekerja dengan spektrometer massa mengambil oksigen-16 murni sebagai enam belas, sementara para kimiawan tetap memakai campuran alami yang lebih berat. Selama tiga puluh tahun dua skala hidup berdampingan, berselisih dua setengah persepuluh ribu, dan setiap tabel memerlukan catatan tentang skala siapa yang dipakai. Kompromi ditemukan pada karbon-12: ia menggeser massa kimia hanya sebesar empat perseratus permil dan cocok bagi kedua pihak sebagai garis acuan spektrum massa.
Sebelum reformasi, dalton eksak menurut definisi, sedangkan bilangan Avogadro diukur. Sejak Mei 2019 keadaannya terbalik: bilangan Avogadro ditetapkan, kilogram dinyatakan lewat tetapan Planck, dan dalton menjadi besaran terukur dengan ketidakpastian pada angka kesepuluh. Sekaligus, kesamaan yang biasa antara massa molar karbon dan dua belas gram per mol berhenti menjadi keidentikan. Tidak ada akibat praktis bagi satu pun perhitungan dalam kimia, tetapi tersisa sebuah simpulan metrologi yang indah: yang eksak hanyalah apa yang telah ditetapkan.
Satuan yang hidup dari perbandingan
Satuan massa atom hampir tidak pernah diukur secara langsung — yang diukur adalah perbandingan massa, dan di situlah keistimewaan metrologisnya. Perangkap Penning membandingkan frekuensi peredaran dua ion dan memberikan perbandingan dengan sebelas angka; mengubah perbandingan itu menjadi kilogram menambahkan ketidakpastian yang berorde besaran lebih besar daripada pembandingan itu sendiri. Karena itu tabel massa nuklida yang dinyatakan dalam dalton lebih teliti daripada massa mana pun di antaranya yang dinyatakan dalam kilogram: di dalam skalanya sendiri ia menahan angka kesepuluh hingga kesebelas, sedangkan hubungan skala itu dengan kilogram hanya diketahui sampai angka kesepuluh. Dari sini lahir aturan praktis yang sederhana: selisih massa — misalnya defek dalam reaksi inti — dihitung dalam dalton atau langsung dalam elektronvolt dan tak pernah diubah ke kilogram sebagai langkah antara, sebab jika tidak, pada selisih yang terletak di angka kesepuluh akan tertambah ketidakpastian konversinya. Dari sini pula lahir simpulan elok reformasi 2019: dengan menyatakan bilangan Avogadro eksak, para metrolog membiarkan dalton tetap terukur — artinya mereka mengakui bahwa hubungan dunia atom dengan dunia anak timbangan tetap merupakan urusan percobaan, bukan kesepakatan.
Katalog · satuan ukuran
Satu lembar untuk setiap besaran
Tujuh satuan dasar SI, dua puluh dua satuan turunan bernama sendiri, dan satuan-satuan di luar SI yang tak dapat ditinggalkan baik oleh teknik maupun kehidupan sehari-hari. Masing-masing punya lembarnya sendiri: definisi, konversi, alat ukur, aturan penulisan. Dalam 36 bahasa.
Atom dan inti: satuan pada skala ini
massa, energi, penampang lintangBerapa berat benda-benda yang kita kenal
dalam daltonSatuan dasar SI
kilogram dan molBahasa lembar ini
36 bahasa. Lambang u dan Da bersifat internasional; yang diterjemahkan adalah nama alat, nuklida, dan penjelasan skala.