Bài 14. Hạt nhân và mô hình nguyên tử

1. GIỚI THIỆU VỀ THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA

Thí nghiệm tán xạ hạt alpha

Năm 1897, nhà vật lí Joseph John Thompson (Giô-sếp Giôn Tôm-xơn) (1856 – 1940) đã phát hiện sự tồn tại của các electron mang điện âm trong nguyên tử dựa trên những nghiên cứu về tia âm cực (tia cathode). Sau đó, ông đã để xuất một mô hình cấu tạo nguyên tử gồm phần điện tích dương phân bố đều trong một không gian hình cầu đặc và các electron được phân bố trong hình cầu đó (Hình 14.1).

Nhằm kiểm chứng mô hình nguyên tử do Thompson đề xuất, Ernest Rutherford (O-nớt Rơ-dơ-pho) và các cộng sự gồm Geiger (Gây-gơ) (1882-1928) và Marsden (Mát-xđân) (1889-1970) đã thực hiện thí nghiệm bắn phá các tấm mica mỏng bằng các chùm hạt nhân helium (hạt alpha – a), là các hạt tích điện dương. Khi động năng của chùm hạt alpha đủ lớn, kết quả thí nghiệm cho thấy một lượng lớn các hạt alpha xuyên qua những tấm mica. Từ đó, Rutherford và các cộng sự đã đề xuất một mô hình nguyên tử mới với phần lớn không gian bên trong nguyên tử là rỗng.

Để kiểm chứng các giả thiết về mô hình nguyên tử của Rutherford, Geiger và Marsden đã tiến hành thí nghiệm dùng chùm hạt alpha bắn phá một lá vàng mỏng.

Phần lớn không gian bên trong nguyên tử là rỗng, toàn bộ điện tích dương trong nguyên tử chỉ tập trung tại một vùng có bán kính rất nhỏ nằm ở tâm của nguyên tử, là hạt nhân của nguyên tử.

Mô hình đơn giản của nguyên tử

Những kết quả từ thí nghiệm tán xạ hạt alpha đã phủ định mô hình nguyên tử của Thompson và ủng hộ mô hình nguyên tử của Rutherford (Hình 14.5):

- Nguyên tử có cấu trúc rỗng với hạt nhân nằm ở tâm của nguyên tử. Khối lượng của hạt nhân xấp xỉ bằng khối lượng của nguyên tử, điện tích của hạt nhân có giá trị dương (bằng tổng điện tích các hạt proton).

- Các electron phân bố trong không gian trống xung quanh hạt nhân và chuyển động trong các quỹ đạo khép kín quanh hạt nhân giống như chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt Trời. Do đó, mô hình nguyên tử của Rutherford còn được gọi là mô hình hành tinh nguyên tử và được chọn để làm biểu tượng của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế IAEA (International Atomic Energy Agency) (Hình 14.6).

Tuy nhiên, mô hình nguyên tử của Rutherford còn có hạn chế: Theo lí thuyết trường điện từ, một hạt mang điện chuyển động có gia tốc sẽ phát ra năng lượng. Do đó, khi electron chuyển động trên quỹ đạo tròn sẽ mất năng lượng, tốc độ của electron sẽ giảm dần và cuối cùng rơi vào hạt nhân. Điều này dẫn đến nguyên tử bị phá huỷ và vật chất không thể tồn tại trong vũ trụ.

Đến năm 1913, nhà vật lí Niels Bohr (Niu-xờ Bo) (1885 - 1962) đã bổ sung 2 tiên đề vào mô hình nguyên tử của Rutherford để giải quyết hạn chế trên, trong đó có tiên để liên quan đến trạng thái dừng:

Nguyên tử chỉ tồn tại trong các trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không phát xạ.

2. HẠT NHÂN CỦA NGUYÊN TỬ

Cấu tạo hạt nhân

Từ kết quả thực nghiệm, các nhà vật lí đã xác định được bán kính hạt nhân có giá trị khoảng từ 10^-15 đến 10^-14 m tuỳ thuộc vào từng nguyên tố. Để thuận tiện, bán kính hạt nhân thường được đo bằng đơn vị fm (femtômét).

1 fm = 10^-15 m

Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ rằng hạt nhân của nguyên tử được tạo nên bởi các hạt proton và neutron, trong đó:

- Proton được kí hiệu là p, mang điện tích dương, có độ lớn đúng bằng điện tích nguyên tố \(q_p=+e\approx1,6.10^{-19}\) C và có khối lượng \(m_p\approx1,673.10^{-27}\) kg.

- Neutron được kí hiệu là n, trung hoà về điện, có khối lượng \(m_n\approx1,675.10^{-27}\) kg. 

Trong hạt nhân của nguyên tử, các hạt proton và neutron được gọi chung là các hạt nucleon. Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tố đang xét trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, Z được gọi là số hiệu nguyên tử (có giá trị bằng số điện tích nguyên tố trong hạt nhân). Nếu trong hạt nhân đang xét có N neutron, thì tổng số các nucleon trong hạt nhân (được gọi là số khối, kí hiệu A) là: A = Z + N.

Số proton trong hạt nhân Z là số hiệu nguyên tử, bằng số thứ tự của nguyên tố đang xét trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học.

Tổng số các nucleon trong hạt nhân được gọi là số khối: 

A = Z + N

với N là số neutron trong hạt nhân.

Kí hiệu hạt nhân

Xét nguyên tố có kí hiệu hoá học X, hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đó được kí hiệu là \(_Z^AX\).

Ví dụ: Hạt nhân helium (hạt alpha) có 2 proton (Z = 2) và 2 neutron (N = 2) được kí hiệu là \(^4_2He\).

Lưu ý: Vì số hiệu nguyên tử Z của các hạt nhân của nguyên tử đã được xác định dựa vào số thứ tự của nguyên tố tương ứng trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học nên để gọn, ta chỉ cần ghi số khối. Ví dụ, ta có thể kí hiệu hạt nhân carbon là \(^{12}C\) hoặc C12.

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

Đồng vị

Trên thực tế, hầu hết các nguyên tố đều là hỗn hợp của nhiều nguyên từ mà hạt nhân có cùng số proton Z (cùng vị trí trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học) nhưng có số neutron N khác nhau. Những nguyên tử như vậy được gọi là đồng vị. Các đồng vị được chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị không bền (phóng xạ). Các đồng vị không bền có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo (được tổng hợp trong các máy gia tốc hạt).

Ví dụ: Carbon có 3 đồng vị chính là \(_6^{12}C\), \(_6^{13}C\) và \(_6^{14}C\), trong đó \(_6^{12}C\) và \(_6^{13}C\) là đồng vị bền, chiếm khoảng 99% lượng carbon trong tự nhiên, \(_6^{14}C\) là đồng vị phóng xạ.

Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số proton Z nhưng có số neutron N khác nhau.

Kích thước hạt nhân

Hạt nhân của nguyên tử được xem gần đúng là một quả cầu có bán kính r. Bán kính của hạt nhân được xác định gắn đúng bởi công thức: 

\(r\approx1,2A^{\dfrac{1}{3}}fm\)   (14.1)

Trong đó: A là số khối.