Bài 21. Cấu trúc hạt nhân

Kích thước nguyên tử nhỏ tới mức kính hiển vi quang học hiện đại nhất cũng không thể giúp chúng ta quan sát rõ. Hạt nhân có kích thước còn nhỏ hơn rất nhiều (khoảng 0,0001 lòn) so với nguyên Lử. Các nhà khoa học đã làm thế nào để phát hiện ra điều đó?

Mô hình nguyên tử đầu tiên giống như một chiếc bánh ngọt có mận khô bên trong, các mẫu mận khô biểu diễn các electron mang điện tích âm có khối lượng và kích thước rất nhỏ so với nguyên tử (Hình 21.1). Phần còn lại của bánh biểu diễn phần còn lại của nguyên tử mang diện tích dương, nặng gần bằng nguyên tử và chiếm gần như toàn bộ không gian nguyên tử.

Năm 1911, Ernest Rutherford (P-nét. Ru-gio-pho) tiến hành thí nghiệm khám phá cấu tạo nguyên tử vàng (Hình 21.2) và đề xuất mô hình nguyên tử mới có tên mô hình hành tinh nguyên tử. Trong thí nghiệm này, Rutherford sử dụng chùm hạt alpha mang điện tích dương (kí hiệu $\alpha$, chính là hạt nhân nguyên tử He). Chùm hạt này được phát ra từ nguồn R bắn vào lá vàng D rất mỏng (độ dày chỉ khoảng ${4.10}^{-7}\mathrm{m}$), được đặt trong hộp chân không G. Đế phát hiện các hạt alpha sau khi đi qua lá vàng, ông dùng kính hiển vi M để quan sát các đốm sáng phát ra khi các hạt này dập vào kính S có phủ chất huỳnh quang.

Khi di chuyển kính hiển vì từ vị trí (1) đến vị trí (2) (Hình 21.2b), tần suất đốm sáng xuất hiện trên màn S giảm đi rất nhanh. Tại vị trí (2) vẫn thấy xuất hiện các đốm sáng nhưng tần suất ít hơn so với tại vị trí (1) cỡ ${10}^4$ lần. Kết quả thí nghiệm có thể được minh hoạ nur Hình 21.3.

Hiện tượng lệch hướng chuyển động của hạt alpha khi đến gần hạt nhân vàng gọi là hiện tượng tán xạ hạt alpha (Hình 21.4).

Theo mô hình nguyên tử Rutherford, hạt nhân tích điện dương bằng Ze (Z là số thứ tự trong bảng tuần hoàn, gọi là số hiệu nguyên tử), với kích thước của hạt nhân rất nhỏ. Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là proton và neutron, hai loại hạt này có tên chung là nucleon (Hình 21.6).

Proton (kí hiệu p), có khối lượng $m_p=1,{67262.10}^{-27}\mathrm{k}\mathrm{g}$, điện tích là $q=+e=1,{6.10}^{-19}\mathrm{C}$ và lạt neutron (kí hiệu n) có khối lượng $m_n=1,{67493.10}^{-27}\mathrm{k}\mathrm{g}$, trung hoà về điện. Khối lượng nguyên tử bằng tổng khối lượng hạt nhân và clectron có trong nguyên tử. Hạt nhân có khối lượng rất lớn so với khối lượng của các electron, vì vậy khối lượng nguyên tử gần như tập trung toàn bộ ở hạt nhân. Để thuận lợi tính toán khối lượng của hạt nhân, người ta định nghĩa một đơn vị mới gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là amu. Dơn vị amu có giá trị bằng $\frac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử của đồng vị carbon-12: $1\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{u}\approx 1,{66054.10}^{-27}\mathrm{k}\mathrm{g}$

Số proton trong hạt nhân bằng Z. Tổng số nucleon trong một hạt nhân được kí hiệu là A; A gọi là số khối.

Kích thước của một số hạt nhân \begin{array}{|c|c|c|c|} \hline \text{Tên nguyên tố} & \text{Số khối} & \text{Bán kính nguyên tử} \ (10^{-10}\mathrm{m}) & \text{Bán kính hạt nhân} \ (10^{-15}\mathrm{m}) \\ \hline \text{Hydrogen} & 1 & 1,2 & 0,9 \\ \text{Helium} & 4 & 1,4 & 1,7 \\ \text{Oxigen} & 16 & 1,5 & 2,7 \\ \text{Silicon} & 28 & 2,1 & 3,1 \\ \text{Sắt} & 56 & 1,9 & 3,7 \\ \text{Cadimium} & 114 & 1,6 & 4,6 \\ \text{Vàng} & 197 & 1,7 & 5,4 \\ \text{Uranium} & 238 & 1,9 & 5,9 \\ \hline \end{array}

Người ta dùng kí hiệu hoá học X của nguyên tố để kí hiệu cho hạt nhân, kèm theo hai số Z và A như sau: ${}_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}}\mathrm{X}$. Ví dụ: hạt nhân carbon có 12 nucleon trong đó có 6 proton được kí hiệu ${}_6^{12}\mathrm{C}$. Để kí hiệu gọn hơn, người ta thường chỉ ghi theo dạng "X (ví dụ C).

Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số Z, khác số A, nghĩa là cùng số proton và khác số neutron. Ví dụ: Ilydrogen có ba đồng vị: hydrogen thường ${}_1^1\mathrm{H}$; hydrogen nặng ${}_1^2\mathrm{H}$ còn gọi là deuterium (${}_1^2\mathrm{D}$); hydrogen siêu nặng ${}_1^3\mathrm{H}$ còn gọi là tritium (${}_1^3\mathrm{T}$). Các đồng vị được chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ (không hền). Hầu hết các mẫu chất trong tự nhiên đều là hỗn hợp của nhiều đồng vị. Carbon có ba đồng vị chính là ${}_6^{12}\mathrm{C}$, ${}_6^{13}\mathrm{C}$, ${}_6^{14}\mathrm{C}$, trong đó đồng vị ${}_6^{12}\mathrm{C}$ và ${}_6^{13}\mathrm{C}$ là đồng vị bền chiếm hơn 99% carbon tự nhiên.

Ví dụ: Hydrogen có ba đồng vị: hydrogen thường ${}_1^1\mathrm{H}$; hydrogen nặng ${}_1^2\mathrm{H}$ còn gọi là deuterium (${}_1^2\mathrm{D}$); hydrogen siêu nặng ${}_1^3\mathrm{H}$ còn gọi là tritium (${}_1^3\mathrm{T}$).

Các đồng vị được chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ (không bền). Hầu hết các mẫu chất trong tự nhiên đều là hỗn hợp của nhiều đồng vị.

Carbon có ba đồng vị chính là ${}_6^{12}\mathrm{C}$, ${}_6^{13}\mathrm{C}$, ${}_6^{14}\mathrm{C}$, trong đó đồng vị ${}_6^{12}\mathrm{C}$ và ${}_6^{13}\mathrm{C}$ là đồng vị bền chiếm hơn 99% carbon tự nhiên.

Hạt nhân mang điện tích dương, có khối lượng gần bằng khối lượng nguyên tử chứa nó nhưng kích thước nhỏ hơn kích thước nguyên tử cỡ ${10}^4$ lần.

Đơn vị khối lượng nguyên tử kí hiệu là amu; $1\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{u}$ có giá trị bằng $\frac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử của đồng vị ${}_6^{12}\mathrm{C}$; $1\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{u}\approx 1,{66054.10}^{-27}\mathrm{k}\mathrm{g}$.

Hạt nhân nguyên tử được tạo thành bởi các hạt nucleon. Có hai loại nucleon là proton mang điện tích $+1\mathrm{e}$ và neutron trung hoà về điện. Các nucleon có khối lượng xấp xỉ bằng $1\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{u}$.

Kí hiệu hạt nhân ${}_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}}\mathrm{X}$, trong đó $\mathrm{X},\mathrm{A},\mathrm{Z}$ lần lượt là kí hiệu hoá học nguyên tố, số khối và số hiệu nguyên tử.

Giải thích được thế giới vật chất vĩ mô đa dạng quanh ta đều được tạo thành bởi các hạt proton, neutron và electron.

Đánh giá được kích thước của hạt nhân từ thí nghiệm tán xạ hạt $\alpha$.