CHƯƠNG 4: VẬT LÍ HẠT NHÂN

BÀI 14. HẠT NHÂN VÀ MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Hơn 2000 năm trước, Democritus (Đêmôcrít), một triết gia người Hy Lạp, đã đưa ra ý tưởng vật chất được cấu tạo từ các hạt không thể chia nhỏ, được gọi là nguyên tử. Vào đầu thế kỉ XX, những quan sát thực nghiệm đã chứng tỏ nguyên tử có cấu tạo từ hạt nhân và các electron. Vật, kết quả thí nghiệm nào đã giúp các nhà khoa học khẳng định được sự tồn tại của hạt nhân? Từ đó, nguyên tử được mô hình hóa như thế nào?

Giải nhanh:

Mô hình nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương và các hạt electron mang điện tích âm di chuyển theo quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân.

1. GIỚI THIỆU VỀ THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA

Thảo luận 1: Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, nguồn phát hạt alpha trong thí nghiệm phải được đặt trong buồng chứa được hút chân không. Hãy cho biết, nếu buồng chứa không được hút chân không (còn chứa không khí) thì kết quả thí nghiệm sẽ bị ảnh hưởng như thế nào?

Giải nhanh:

Alpha là hạt chỉ mang điện tích dương. Sở dĩ các hạt alpha có thể xuyên qua nguyên tử vàng vì bán kính của nguyên tử vàng lớn (khoảng cách giữa hạt nhân và các hạt electron lớn), tạo ra lỗ hổng đủ to để alpha xuyên qua.

Thảo luận 2: Từ kết quả thí nghiệm tán xạ của Rutherford, thảo luận để trả lời câu hỏi:

a) Nguyên tử có cấu trục đặc hoàn toàn như mô hình của Thompson không? Giải thích.

b) Nguyên nhân nào có thể số ít hạt alpha bị lệch khỏi phương truyền thẳng (bị tán xạ)?

Giải nhanh:

a) Nguyên tử không có cấu trục đặc hoàn toàn mà sẽ có cấu trúc không gian trống. Vì phần lớn các hạt alpha xuyên thẳng qua tấm vàng mỏng mà không xảy ra tương tác với nguyên tử vàng.

b) Một số ít hạt alpha lệch khỏi phương truyền thẳng do đã tương tác với các hạt khác mang điện tích dương nằm bên trong nguyên tử vàng.

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày sơ lược về mô hình nguyên tử hiện đại.

Giải nhanh:

Trong vật lý nguyên tử, Mô hình nguyên tử của Bohr mô tả nguyên tử gồm một hạt nhân nhỏ, mang điện tích dương có các electron di chuyển xung quanh trên các quỹ đạo tròn

. Các điểm chính trong mô hình nguyên tử Bohr:

- Trong nguyên tử hydrogen, electron chỉ chuyển động trên một số quỹ đạo tròn nhất định, được gọi là các quỹ đạo trạng thái dừng, gọi tắt là quỹ đạo dừng;

- Khi đang ở một quỹ đạo dừng nào đó, electron có năng lượng xác định, gọi là năng lượng trạng thái dừng. 

- Nguyên tử chỉ hấp thu hay phát xạ năng lượng khi electron chuyển từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác.

2. HẠT NHÂN CỦA NGUYÊN TỬ

Thảo luận 3: Nêu những tính chất cơ bản của các hạt proton và neutron.

Giải nhanh:

Proton được kí hiệu là p, có điện tích dương, có độ lớn đúng bằng điện tích nguyên tố q_p = +e 1,6.10^-19 C và có khối lượng m_p 1,673.10^-27 kg.

Neutron được kí hiệu là n, trung hòa về điện, có khối lượng m_n 1,675.10^-27 kg.

Thảo luận 4: Dựa vào Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, xác định số hiệu nguyên tử các hạt nhân của nguyên tử đối với nguyên tố carbon (C), sắt (Fe) và vàng (Au).

Giải nhanh:

Số hiệu nguyên tử của C: 6

Số hiệu nguyên tử của Fe: 26

Số hiệu nguyên tử của Au: 79

Thảo luận 5: Hãy biểu diễn kí hiệu hạt nhân của năm nguyên tố trong Bảng 14.1.

Giải nhanh:

₁¹H; ₂⁴He; ₃⁷Li; ₆¹²C; ₇¹⁴N

Thảo luận 6: So sánh bán kính hạt nhân của hai đồng vị của nguyên tố carbon: ₆¹²C, ₆¹⁴C.

Giải nhanh:

Bán kính hạt nhân:  r .

Vì A_12C < A_14C → r_12C < r_14C

Luyện tập:

a) Hãy nêu tên gọi, số hiệu nguyên tử, số khối và số neutron của các hạt nhân sau: ₁¹H, ₂⁴He, ₁₂²⁴Mg, ₂₀⁴⁰Ca.

b) Hãy viết kí hiệu hạt nhân X, biết trong hạt nhân X có 14 neutron và 13 proton. Dựa vào Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hãy gọi tên nguyên tố X.

Giải nhanh:

a) 

b) A = Z + N = 13 + 14 = 27 → Kí hiệu: ₁₃²⁷Al

Z = 13 → Số hiệu nguyên tử của X là 13 → X là Al (nhôm)

Vận dụng: Tìm hiểu về lịch sử khám phá hạt proton và neutron trong hạt nhân.

Giải nhanh:

Hạt proton: Lịch sử Ernest Rutherford được xem là người đầu tiên khám phá ra proton. Năm 1918, Rutherford nhận thấy rằng khi các hạt alpha bắn vào hơi nitơ, máy đo sự nhấp nháy chỉ ra dấu hiệu của hạt nhân hydro. Rutherford tin rằng hạt nhân hydro này chỉ có thể đến từ nitơ, và vì vậy nitơ phải chứa hạt nhân hydro.

Hạt neutron: Trong khi tiến hành một thí nghiệm vào năm 1932, James đã tiến hành một thử nghiệm tán xạ các hạt alpha bằng cách bắn phá các hạt này bằng tia berili. Sau đó ông phát hiện ra bên trong hạt nhân nguyên tử có các hạt trung tính, mà sau này ông đặt tên là hạt neutron.

BÀI TẬP

1. Hạt nhân nguyên tử có thể được cấu tạo từ

A. nucleon, electron.                                      B. proton, electron.

C. neutron, electron.                                      D. proton, neutron.

Giải nhanh:

Đáp án D.

2. Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có

A. số neutron và bán kính hạt nhân bằng nhau.

B. số proton bằng nhau nhưng khác số neutron.

C. số neutron bằng nhau nhưng khác số proton.

D. số proton và bán kính hạt nhân bằng nhau.

Giải nhanh:

Đáp án B.

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

3. Tìm số proton và số neutron trong các hạt nhân sau đây: ₃⁷Li, ₁₉³⁹K, ₆¹²C, ₁²H, ₁₅³¹P.

Giải nhanh:

4. Một hạt nhân X có điện tích hạt nhân là +26e và số neutron nhiều hơn số proton là 2. Hãy gọi tên hạt nhân và viết kí hiệu hạt nhân X.

Giải nhanh:

p = Z = 26 → X là Fe (sắt)

n = p + 2 = 26 + 2 = 28 → A = Z + N = 26 + 28 = 54

Kí hiệu hạt nhân: ₂₆⁵⁴Fe