Từ thời cổ đại, con người đã đặt câu hỏi: “Bên trong nguyên tử là gì?”. Các thí nghiệm của Rutherford đầu thế kỷ XX đã mở ra kỷ nguyên khám phá cấu trúc hạt nhân, giúp ta hiểu rằng hạt nhân là trung tâm mang điện tích dương, chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử.
Bài học này sẽ giúp bạn tìm hiểu:
Đơn vị khối lượng nguyên tử
Để thuận tiện khi so sánh khối lượng các hạt nhân, người ta dùng đơn vị amu (atomic mass unit):
$1\;{\rm{amu}} = \frac{1}{{12}}\;$ khối lượng nguyên tử ${{\rm{C}}^{12}}$ $ \approx 1,66054 \times {10^{ - 27}}\;{\rm{kg}}$
Các đại lượng đặc trưng của hạt nhân
Bán kính hạt nhân
Bán kính hạt nhân phụ thuộc vào số khối $A$ theo công thức gần đúng: $R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot A^{1/3}\ (\text{m})$
Ví dụ: với hạt nhân oxy $A = 16$: $R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot 16^{1/3} \approx 3{,}0 \times 10^{-15}\ \text{m}$
Trong đó:
Ví dụ:
Áp dụng công thức:
$R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot A^{1/3}$
$R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot (238)^{1/3} \approx 7{,}4 \times 10^{-15}\ \text{m}$
Kết luận: $R \approx 7{,}4 \times 10^{-15}\ \text{m}$
Ví dụ 2: Cho hai hạt nhân: $ {}_8^{16}O $ và $ {}_8^{18}O $. Hỏi chúng là gì và có gì khác nhau?
Số neutron:
Kết luận: $ {}_8^{16}O $ và $ {}_8^{18}O $ là hai đồng vị của nguyên tố oxy.
Bài học này sẽ giúp bạn tìm hiểu:
- Cấu tạo cơ bản của hạt nhân nguyên tử.
- Các khái niệm proton, neutron, số khối, ký hiệu hạt nhân và đồng vị.
- Công thức tính bán kính hạt nhân và cách vận dụng vào bài tập thực tế.
I. Thí nghiệm tán xạ hạt alpha
1. Hiện tượng tán xạ hạt alpha
Khi chùm hạt alpha (α) bắn vào lá vàng mỏng, người ta quan sát thấy:- Phần lớn hạt α đi xuyên qua lá vàng mà không bị lệch hướng.
- Một số hạt lệch nhẹ, và rất ít hạt bị bật ngược trở lại.
2. Ý nghĩa của thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm đã giúp Rutherford kết luận:- Trong nguyên tử tồn tại một vùng rất nhỏ mang điện tích dương gọi là hạt nhân.
- Hạt nhân nằm ở tâm nguyên tử, đường kính khoảng $10^{-14}\ \text{m}$.
- Gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử tập trung trong hạt nhân.
II. Nucleon và ký hiệu hạt nhân
1. Nucleon là gì?
Hạt nhân được cấu tạo từ hai loại hạt cơ bản:- Proton (p): mang điện tích dương $q = +e = +1{,}6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, có khối lượng $m_p \approx 1{,}67262 \times 10^{-27}\ \text{kg}$.
- Neutron (n): không mang điện, có khối lượng $m_n \approx 1{,}67493 \times 10^{-27}\ \text{kg}$.
Đơn vị khối lượng nguyên tử
Để thuận tiện khi so sánh khối lượng các hạt nhân, người ta dùng đơn vị amu (atomic mass unit):
$1\;{\rm{amu}} = \frac{1}{{12}}\;$ khối lượng nguyên tử ${{\rm{C}}^{12}}$ $ \approx 1,66054 \times {10^{ - 27}}\;{\rm{kg}}$
Các đại lượng đặc trưng của hạt nhân
- Số proton (Z): biểu thị điện tích hạt nhân.
- Số neutron (N): số hạt không mang điện.
- Số khối (A): tổng số nucleon trong hạt nhân: $A = Z + N$
Bán kính hạt nhân
Bán kính hạt nhân phụ thuộc vào số khối $A$ theo công thức gần đúng: $R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot A^{1/3}\ (\text{m})$
Ví dụ: với hạt nhân oxy $A = 16$: $R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot 16^{1/3} \approx 3{,}0 \times 10^{-15}\ \text{m}$
2. Ký hiệu hạt nhân
Một hạt nhân nguyên tử được ký hiệu tổng quát là: $ {}_Z^A X $Trong đó:
- X: ký hiệu hóa học của nguyên tố.
- Z: số proton (số hiệu nguyên tử).
- A: số khối (tổng số nucleon).
- Hạt nhân của heli có ký hiệu: $ {}_2^4He $
- Hạt nhân của urani: $ {}_{92}^{238}U $
3. Đồng vị
Đồng vị là các hạt nhân cùng số proton (Z) nhưng khác số neutron (N), nên có số khối (A) khác nhau.Ví dụ:
- $ {}_1^1H,\ {}_1^2H,\ {}_1^3H $ là ba đồng vị của hydro.
- $ {}_6^{12}C,\ {}_6^{13}C,\ {}_6^{14}C $ là ba đồng vị của cacbon.
III. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Tính bán kính hạt nhân của đồng vị urani $ {}_{92}^{238}U $ theo công thức gần đúng.Giải
Số khối $A = 238$Áp dụng công thức:
$R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot A^{1/3}$
$R = 1{,}2 \times 10^{-15} \cdot (238)^{1/3} \approx 7{,}4 \times 10^{-15}\ \text{m}$
Kết luận: $R \approx 7{,}4 \times 10^{-15}\ \text{m}$
Ví dụ 2: Cho hai hạt nhân: $ {}_8^{16}O $ và $ {}_8^{18}O $. Hỏi chúng là gì và có gì khác nhau?
Giải
Cả hai hạt nhân đều có $Z = 8$ (số proton bằng nhau).Số neutron:
- $N_1 = 16 - 8 = 8$
- $N_2 = 18 - 8 = 10$
Kết luận: $ {}_8^{16}O $ và $ {}_8^{18}O $ là hai đồng vị của nguyên tố oxy.
IV. Tổng kết
Qua bài học này, ta hiểu rằng hạt nhân là phần trung tâm của nguyên tử, gồm các nucleon (proton, neutron) có kích thước rất nhỏ, bán kính tỉ lệ với $A^{1/3}$. Việc nắm chắc các khái niệm Z, A, N, đồng vị là nền tảng cho các bài học tiếp theo về năng lượng liên kết và phản ứng hạt nhân.
Last edited by a moderator:
