Bài 1. Cấu trúc hạt nhân

I. PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

1. Thí nghiệm tán xạ hạt α

Để kiểm chứng mô hình nguyên tử của Thomson, Ernest Rutherford (E-nót Rơ-dơ-pho) đã đề xuất thí nghiệm bắn các hạt α vào một lá vàng mỏng (Hình 1.2a). Trong thí nghiệm này, Rutherford sử dụng các lá vàng có độ dày chỉ khoảng 10^-6 m. Các hạt α có khối lượng bằng 7300 lần khối lượng hạt electron và mang điện tích +2e. Do đó, nếu theo mô hình nguyên tử của Thomson thì tất cả các hạt α sẽ xuyên qua lớp mỏng mang điện tích dương của nguyên tử.

Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm thực tế cho thấy, sau khi được bắn vào lá vàng mỏng, hầu hết các hạt α đi thẳng nhưng có một số hạt bị lệch so với hướng truyền ban đầu (bị tán xạ) với các góc lệch khác nhau. Trong đó, có những hạt α bị lệch ở góc lớn hơn 90° (Hình 1.2b). Thí nghiệm này được gọi là thí nghiệm tán xạ hạt α.

Từ đó, Rutherford kết luận rằng điện tích dương của nguyên tử tập trung trong một thể tích nhỏ ở tâm mà ông gọi là hạt nhân. Khối lượng của nguyên tử cũng tập trung chủ yếu ở hạt nhân và phần lớn thể tích nguyên tử là không gian trống rỗng. Phân tích các số liệu thí nghiệm, Rutherford rút ra được: đường kính của các hạt nhân nhỏ hơn đường kính của nguyên tử cỡ 10⁴ lần, nghĩa là đường kính hạt nhân cỡ khoảng 10^-14 m.

2. Mô hình đơn giản của nguyên tử

Sau khám phá của Rutherford, mô hình hạt nhân nguyên tử nhanh chóng được chấp nhận rộng rãi. Ngay sau đó, hạt proton nằm trong hạt nhân cũng được phát hiện. Đó là hạt có điện tích +e (cùng độ lớn nhưng trái dấu với điện tích hạt electron). Vì nguyên tử trung hoà về điện nên số proton trong hạt nhân bằng số electron của nguyên tử. Tuy vậy, tổng khối lượng của các hạt proton vẫn nhỏ hơn nhiều khối lượng của hạt nhân. Sự chênh lệch khối lượng này đã được giải thích vào năm 1932, sau khi các nhà khoa học phát hiện ra sự tồn tại của một loại hạt khác trong hạt nhân, đó là hạt neutron. Neutron có khối lượng gần bằng khối lượng proton nhưng trung hoà về điện. Như vậy, ta có thể mô tả một mô hình đơn giản của nguyên tử như trong Hình 1.4.

• Nguyên tử gồm hạt nhân ở giữa mang điện tích dương và các electron chuyển động quanh hạt nhân.
• Hạt nhân gồm các proton và neutron. Số proton trong hạt nhân bằng số electron của nguyên tử.

Trong tất cả các nguyên tố, chỉ có một loại nguyên tử của hydrogen (H) được tạo nên bởi electron và proton (không có neutron).

II. CẤU TRÚC HẠT NHÂN

1. Cấu tạo hạt nhân

Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là proton và neutron, hai loại hạt này được gọi chung là nucleon.

Số proton trong hạt nhân nguyên tử bằng số điện tích nguyên tố của hạt nhân đó, kí hiệu là Z. Ví dụ hạt nhân lithium có 3 proton nên điện tích của nó là +3e. Z cũng chính là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn; Z được gọi là số hiệu nguyên tử.

Tổng số nucleon trong hạt nhân được gọi là số khối, kí hiệu là A. Như vậy, số neutron trong hạt nhân là:

N = A - Z

Hạt nhân nguyên tử của nguyên tố có kí hiệu hoá học X được kí hiệu là: \(^A_ZX\).

Ví dụ: \(^7_3Li\) là kí hiệu của hạt nhân lithium gồm có 3 proton (Z = 3) và 4 neutron (N = 4).

Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số proton Z nhưng khác số neutron N và do đó, khác số nucleon A.

Hình 1.5 biểu diễn ba hạt nhân đồng vị của nguyên tố hydrogen:

• Hydrogen thường \(_1^1H\) chiếm khoảng 99,99% hydrogen trong tự nhiên.
• Hydrogen nặng \(_1^2H\), còn được gọi là deuterium \(_1^2D\), chiếm khoảng 0,01% hydrogen trong tự nhiên.
• Hydrogen siêu nặng \(^3_1H\), còn được gọi là tritium \(_1^3T\), là đồng vị không bền và chiếm tỉ lệ rất ít trong hydrogen tự nhiên.

2. Kích thước và khối lượng hạt nhân

Trong nguyên tử, hạt nhân có đường kính cỡ 10^-14 m và là nơi tập trung phần lớn khối lượng của nguyên tử.

Để thuận tiện cho việc tính khối lượng hạt nhân và khối lượng nguyên tử, người ta sử dụng đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit), kí hiệu là amu (viết tắt là u).

Đơn vị amu có giá trị bằng \(\dfrac{1}{12}\) khối lượng nguyên tử của đồng vị \(^{12}_6C\)

1 amu = 1,66055.10^-27 kg

Mỗi nucleon có khối lượng xấp xỉ 1 amu. Do đó hạt nhân có A nucleon sẽ có khối lượng xấp xỉ là A amu.