(Trang 90)
CHƯƠNG IV. HẠT NHÂN
Sự kiện sao siêu mới xuất hiện trong dải Ngân Hà được phát hiện gần đây nhất là vào năm 1604. Mặc dù vụ nổ đó cách Trái Đất một khoảng cách gấp 6 nghìn tỉ lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời, nhưng người ta vẫn có thể quan sát được vào ban ngày vì độ sáng của nó. Vụ nổ này cho phép giải thích sự tạo thành các hạt nhân nặng hơn sắt. Điều đó có nghĩa là, khi chạm tay vào bất cứ nguyên tố nào có số hiệu nguyên tử lớn hơn 25 như sắt, kẽm, bạc, vàng, thiếc, bạch kim,... dường như ta đang chạm tay vào các sản phẩm từ phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các sự kiện sao siêu mới. Sự hình thành hạt nhân các nguyên tố đó diễn ra như thế nào?
Nội dung
• Cấu trúc hạt nhân
• Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết
• Phóng xạ
• Công nghiệp hạt nhân
(Trang 91)
BÀI 21. CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
Khởi độngKích 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 lần) so với nguyên tử. Các nhà khoa học đã làm thế nào để phát hiện ra điều đó? |
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 (Hình 21.1). 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.
Hình 21.1. Ảnh chụp bánh ngọt có mận khô
Năm 1911, Ernest Rutherford (Ê-nét Ru-giơ-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, 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 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.
|
a) Hình vẽ phối cảnh |
Chân không; Nguồn phát hạt alpha b) Hình vẽ mặt cắt |
Hình 21.2. Bố trí thí nghiệm tán xạ hạt alpha
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 họa như Hình 21.3.
(Trang 92)
| Lệch hướng; Hạt nhân nguyên tử vàng; Đi qua; Chỉ 1 trong khoảng 104 hạt α bị lệch hơn 90°; Các lớp nguyên tử vàng; Chùm hạt α tới
Hình 21.3. Minh hoạ kết quả thí nghiệm tán xạ hạt alpha | Hạt nhân vàng; Hạt α
Hình 21.4. Hiện tượng tán xạ hạt alpha |
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).
Hoạt động1. Dựa vào kết quả thí nghiệm tán xạ hạt để trả lời các câu hỏi sau: a) Tần suất đốm sáng xuất hiện khi kính hiển vi ở vị trí (1) (vị trí đối diện với nguồn phát tia α – Hình 21.2 b) là lớn nhất chứng tỏ điều gì. b) Tại sao có một số hạt đổi hướng chuyển động khi đi qua lá vàng? c) Số hạt không đi qua lá vàng mà bật lại tới vị trí (2) với tần suất chỉ bằng 10–4 lần tần suất hạt đi qua lá vàng tới vị trí (1) chứng tỏ điều gì? 2. Dựa trên thí nghiệm tán xạ hạt , Rutherford đề xuất một mô hình hành tinh nguyên tử (Hình 21.5 a). a) Mô tả mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford. b) Giải thích mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford dựa vào các câu trả lời ở ý 1. |
| Khoảng trống; Hạt nhân; Quỹ đạo của electron
a) Mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford |
b) Mô hình đám mây electron |
Hình 21.5. Một số mô hình nguyên tử
(Trang 93)
EM CÓ BIẾTMẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford không giải thích được tính bền vững của các nguyên tử và sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử. Năm 1913, Bohr (Bo) đã dựa trên mô hình nguyên tử của Rutherford và vận dụng thuyết lượng tử ánh sáng để đề xuất mẫu nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bohr. Trong mẫu này, Bohr vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford nhưng đã bổ sung các tiên đề về cấu trúc nguyên tử. Mẫu này đã giải thích được sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử, đặc biệt là của nguyên tử hydrogen. Tuy nhiên, mô hình nguyên tử của Bohr không giải thích được nhiều tính chất của các nguyên tử khác. Hiện nay, người ta vận dụng các lí thuyết của Erwin Schrödinger (Ê-uyn Srô-đin-gơ) để đưa ra mô hình đám mây điện tử. Trong mô hình này, các electron có thể xuất hiện ở mọi vị trí trong không gian nguyên tử với xác suất nào đó và mật độ xác suất có mặt của electron được biểu diễn bằng các đám mây electron (Hình 21.5b). Mô hình này có thể giải thích được quang phổ vạch của các loại nguyên tử. |
II. NUCLEON VÀ KÍ HIỆU HẠT NHÂN
1. Nucleon
Theo mô hình nguyên tử Rutherford, hạt nhân tích điện dương bằng Z.e (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; Neutron
Hình 21.6. Hạt nhân 
có cấu tạo 14 proton và 14 neutron
Proton (kí hiệu p), có khối lượng mp ≈ 1,67262.10−27 kg, điện tích là q = +e ≈ 1,6.10−19 C và hạt neutron (kí hiệu n) có khối lượng mn
≈ 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 
khối lượng nguyên tử của đồng vị carbon-12:
1 amu ≈ 1,66054.10−27 kg
? Xác định khối lượng của proton và neutron theo đơn vị amu.
Số proton trong hạt nhân bằng Z. Tổng số nucleon trong một hạt nhân được kí hiệu là A; A gọi là số khối.
(Trang 94)
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:
(21.1)
? Công thức 21.1 cho kết quả tốt hơn với A>12. Nghiệm lại sự chính xác của công thức này cho các hạt nhân trong Bảng 21.1
Bảng 21.1. Kích thước của một số hạt nhân
| Tên nguyên tố | Số khối | Bán kính nguyên tử (10–10 m) | Bán kính hạt nhân (10–15 m) |
| Hydrogen | 1 | 1,2 | 0,9 |
| Helium | 4 | 1,4 | 1,7 |
| Oxygen | 16 | 1,5 | 2,7 |
| Silicon | 28 | 2,1 | 3,1 |
| Sắt | 56 | 1,9 | 3,7 |
| Cadimium | 114 | 1,6 | 4,6 |
| Vàng | 197 | 1,7 | 5,4 |
| Uranium | 238 | 1,9 | 5,9 |
EM CÓ BIẾTHạt nucleon vẫn chưa phải là hạt nhỏ nhất, còn có các hạt nhỏ bé hơn cấu tạo nên các nucleon, gọi là hạt quark (Hình 21.7). Tinh thể 10–2 m; Phân tử 10–9 m; Nguyên tử 10–10 m; Hạt nhân 10–14 m; Proton 10–15 m; Electron 10–18 m
Hình 21.7. Cỡ kích thước của một số loại hạt vi mô |
2. Kí hiệu hạt nhân
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: 
.
Ví dụ: hạt nhân carbon có 12 nucleon trong đó có 6 proton được kí hiệu 
.
Để kí hiệu gọn hơn, người ta thường chỉ ghi theo dạng AX (ví dụ 12C).
(Trang 95)
?
1. Trong kí hiệu hạt nhân, đại lượng N = A – Z cho biết số lượng của loại hạt nào trong hạt nhân? Vì sao?
2. Bằng cách nào có thể tìm được số Z và số N của hạt nhân có kí hiệu dạng AX ?
3. Viết kí hiệu hạt nhân vàng (Au), helium (He) và nitrogen (N) , biết rằng số lượng nucleon của các hạt nhân này lần lượt là 197, 4 và 14.
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 
; hydrogen nặng 
còn gọi là deuterium (
); hydrogen siêu nặng 
còn gọi là tritium ( 
).
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 , 
, 
, trong đó đồng vị và , là đồng vị bền chiếm hơn 99% carbon tự nhiên.
? Giải thích tại sao các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng khối lượng riêng vẫn có thể khác nhau.
EM ĐÃ HỌC
◾ 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 104 lần.
◾ Đơn vị khối lượng nguyên tử kí hiệu là amu; 1amu có giá trị bằng 
khối lượng nguyên tử của đồng vị ; 1 amu ≈ 1,66054.10−27 kg.
◾ Hạt nhân nguyên tử được tạo thành bởi các hạt nucleon. Có hai loại nucleon là proton mang điện tích +1e và neutron trung hoà về điện. Các nucleon có khối lượng xấp xỉ bằng 1amu.
◾ Kí hiệu hạt nhân , trong đó X, A, Z lần lượt là kí hiệu hoá học nguyên tố, số khối và số hiệu nguyên tử.
EM CÓ THỂ
◾ 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 α
