Bài 21. Cấu trúc hạt nhân

I. THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA

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. Phần còn lại của bánh biểu diễn phần còn lại của nguyên tử mang điện tích dương, nặng gần bằng nguyên tử và chiếm gần như toàn bộ không gian nguyên tử.

Năm 1911, Ernest Rutherford (É-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 α, chỉnh 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 m), được đặt trong hộp chân không G. Để 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 đập vào kính S có phủ chất huỳnh quang.

Khi di chuyển kính hiển vi 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 10⁴ lần. Kết quả thí nghiệm có thể được minh hoạ như 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).

II. NUCLEON VÀ KÍ HIỆU HẠT NHÂN

1. Nucleon

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 ≈ 1,67262.10^-27 kg, điện tích là q = +e ≈ 1,6.10^-19 C và hạt neutron (kí hiệu n) có khối lượng m_n ≈ 1,67493.10^-27 kg, trung hoà về điện.

Khối lượng nguyên tử bằng tổng khối lượng hạt nhân và electron 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. Đơn vị amu có giá trị bằng \(\dfrac{1}{12}\) khối lượng nguyên tử của đồng vị carbon-12:

1 amu ≈ 1,66054.10^-27 kg

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

Các nucleon nằm sát nhau và không chồng lấn vào nhau. Có thể coi hạt nhân nguyên tử như một quả cầu bán kính R; R phụ thuộc vào tổng số hạt nucleon A theo công thức gần đúng:

\(R=1,2.10^{-15}.A^{\dfrac{1}{3}}\left(m\right)\)   (21.1)

2. Kí hiệu hạt nhân

Người ta dùng kí hiệu hóa học X của nguyên tố để kí hiệu cho hạt nhân, kèm theo hai số Z và A như sau: \(_Z^AX\).

Ví dụ: hạt nhân carbon có 12 nucleon trong đó có 6 proton được kí hiệu \(_6^{12}C\).

Để kí hiệu gọn hơn, người ta thường chỉ ghi theo dạng \(^AX\) (ví dụ \(^{12}C\)).

3. Đồng vị

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

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 \(_6^{12}C\), \(_6^{13}C\), \(_6^{14}C\), trong đó đồng vị \(_6^{12}C\) và \(_6^{13}C\) là đồng vị bền chiếm hơn 99% carbon tự nhiên.