BÀI 21. CẤU TRÚC HẠT NHÂN

KHỞI ĐỘNG

Kích 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?

Giải rút gọn:

Các nhà khoa học để phát hiện thì đã làm hai thí nghiệm sau đây:

- Thí nghiệm Geiger-Marsden (1919): Bắn phá một lá vàng mỏng bằng chùm hạt alpha (α) có năng lượng cao.

Kết quả: Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị ảnh hưởng, nhưng một số ít bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

Giải thích: Hạt alpha có kích thước tương đối lớn so với hạt nhân nguyên tử. Khi va chạm với hạt nhân, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

- Thí nghiệm Rutherford (1911):Sử dụng thí nghiệm Geiger-Marsden và phân tích quỹ đạo của các hạt alpha bị lệch hướng.

Kết quả: Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ và tập trung tại trung tâm nguyên tử.

Giải thích: Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị ảnh hưởng vì phần lớn nguyên tử là không gian trống. Khi va chạm với hạt nhân, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

I. THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA

Hoạt động 1: 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 – 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?

Giải rút gọn:

a) Chứng tỏ: hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng. 

b) Một số hạt đổi hướng chuyển động khi đi qua lá vàng vì va chạm với hạt nhân nguyên tử. Khi hạt alpha va chạm với hạt nhân, do tương tác điện tích dương, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược.

c) Chứng tỏ: hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ. Khi hạt alpha va chạm với hạt nhân, do tương tác điện tích dương, một số ít hat alpha có thể bị phản xạ ngược lại.

Hoạt động 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.

Giải rút gọn:

a) Mô tả:

- Hạt nhân: nằm ở trung tâm nguyên tử, mang điện tích dương và tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử.

- Electron: chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo tròn, giống như các hành tinh quay quanh mặt trời.

- Kích thước: hạt nhân có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử.

- Lực hút: Lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân mang điện tích dương và electron mang điện tích âm giữ cho nguyên tử bền vững.

b) Kết quả:

- Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.

- Một số ít hạt alpha bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

Vì: 

- Phần lớn nguyên tử là không gian trống, do đó các hạt alpha có thể đi qua lá vàng mà không gặp bất kỳ trở ngại nào.

- Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử, nhưng lại tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử. Khi hạt alpha va chạm với hạt nhân, do tương tác điện tích dương, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

Mô hình hành tinh nguyên tử:

- Giải thích được kết quả thí nghiệm tán xạ alpha.

- Mô tả cấu trúc nguyên tử với hạt nhân ở trung tâm và electron chuyển động xung quanh.

1. Nucleon

Câu hỏi 1: Xác định khối lượng của proton và neutron theo đơn vị amu.

Giải rút gọn:

Khối lượng của proton theo đơn vị amu là: 

Khối lượng của neutron theo đơn vị amu là:

Câu hỏi 2: 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

Giải rút gọn:

Công thức trên chỉ là một công thức xấp xỉ. Công thức này không tính đến các hiệu ứng như năng lượng liên kết hạt hân, cấu trúc vỏ hạt nhân…Các hiệu ứng này ảnh hưởng nhiều hơn đến các hạt nhân có số khối A nhỏ.

2. Kí hiệu hạt nhân

Câu hỏi 1: Trong kí hiệu hạt nhân, đại lượng N= A – Z cho biết số lượng của loại hạt nào trong hạt nhân? Vì sao?

Giải rút gọn:

Trong kí hiệu hạt nhân, đại lượng N= A – Z cho biết số lượng của neutron. 

Vì A là số khối, đại diện cho số proton và neutron trong hạt nhân. Z là số hiệu nguyên tử, đại diện cho số lượng proton trong hạt nhân.

Câu hỏi 2: Bằng cách nào có thể tìm được số Z và số N của hạt nhân có kí hiệu dạng ^AX ?

Giải rút gọn:

- Dựa vào số khối A và số hiệu nguyên tử Z:

Số neutron (N): N = A – Z 

Trong đó: Số khối A: tổng số proton và neutron trong hạt nhân.

Số hiệu nguyên tử (Z): số lượng proton trong hạt nhân.

- Dùng bảng tuần hoàn để xác định số N

Câu hỏi 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

Giải rút gọn:

Vàng: Kí hiệu hạt nhân: .

Helium: Kí hiệu hạt nhân:

Nitrogen (N): Kí hiệu hạt nhân:

3. Đồng vị

Câu hỏi: Giải thích tại sao các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng khối lượng riêng vẫn có thể khác nhau.

Giải rút gọn:

Khối lượng riêng có thể khác nhau trong một loại nguyên tố bởi vì:

- Cấu trúc tinh thể: tồn tại ở dạng tinh thể khác nhau, dẫn đến mật độ khác nhau.

- Nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử trong chất chuyển động mạnh hơn, làm tăng khoảng cách giữa các nguyên tử, dẫn đến giảm mật độ và khối lượng riêng.

- Áp suất: áp suất cao làm giảm khoảng cách giữa các nguyên tử, dẫn đến tăng mật độ và khối lượng riêng.

- Đồng vị: các nguyên tố có thể có đồng vị, là các nguyên tử cùng số hiệu nguyên tử nhưng có số neutron khác nhau.

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

Giải rút gọn:

- Giải thích:

 Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử là đơn vị cấu tạo nên vật chất, bao gồm hạt nhân và các electron quay xung quanh. Hạt nhân nguyên tử bao gồm proton và neutron. Electron mang điện tích (-) , proton mang điện tích (+), neutron không mang điện. Số lượng neutron (N) có thể thay đổi, tạo ra các đồng vị của cùng một nguyên tố.

 Liên kết hóa học: Các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học để tạo thành phân tử và vật chất. Loại liên kết hóa học phụ thuộc vào cấu hình electron của các nguyên tử tham gia liên kết.

Đa dạng vật chất: Sự đa dạng của vật chất vĩ mô được giải thích bởi sự kết hợp của các nguyên tố khác nhau, số lượng nguyên tử trong phân tử và loại liên kết hóa học.

- Đánh giá:

Thí nghiệm:bắn phá lá vàng mỏng bằng hạt alpha (α), là hạt nhân heli (He^2+).

Giải thích: Hạt alpha có kích thước nhỏ và mang điện tích dương.  Khi hạt alpha đi qua lá vàng, nó tương tác với điện trường của hạt nhân nguyên tử. Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng vì hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với kích thước nguyên tử. Một số ít hạt alpha bị lệch hướng mạnh hoặc quay ngược lại khi đi qua gần hạt nhân.