Bài 21. Cấu trúc hạt nhân

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Thí nghiệm tán xạ hạt α của Rutherford

Kết quả:

• Đa số hạt α xuyên thẳng qua lá vàng.

• Một số ít hạt α bị lệch hướng.

• Rất ít hạt α bị bật ngược trở lại.

Kết luận:

• Nguyên tử có cấu trúc rỗng.

• Hạt nhân rất nhỏ, mang điện tích dương.

• Gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử tập trung ở hạt nhân.

1.2. Cấu tạo hạt nhân

• Hạt nhân gồm proton và neutron (gọi chung là nucleon).

• Proton (p): điện tích $\mathrm{+e}$, khối lượng xấp xỉ $\mathrm{1u}$.

• Neutron (n): không mang điện, khối lượng xấp xỉ $\mathrm{1u}$.

• Điện tích hạt nhân:

$$q_{\mathrm{hn}}\text{=+Ze}$$

trong đó $Z$ là số proton.

• Đơn vị khối lượng nguyên tử:

$$\mathrm{1u=}\frac{1}{12}m{(}_6^{12}\text{C)≈1,6605×}{10}^{\mathrm{-27}}\mathrm{kg}$$

• Khối lượng nguyên tử gần bằng khối lượng hạt nhân:

$$m_{\mathrm{nt}}\approx m_{\mathrm{hn}}$$

do khối lượng electron rất nhỏ.

1.3. Kí hiệu hạt nhân

$${}_Z^{A}X$$

Trong đó:

• $X$: kí hiệu nguyên tố.

• $Z$: số proton (số hiệu nguyên tử).

• $A$: số nucleon (số khối).

Công thức quan trọng: $\text{A=Z+N}$; $\text{N=A-Z}$

với $N$ là số neutron.

1.4. Kích thước hạt nhân

• Bán kính hạt nhân:

$$\text{R=1,2×}{10}^{\mathrm{-15}}{A}^{1/3}\mathrm{(m)}$$

• Kích thước hạt nhân cỡ ${10}^{\mathrm{-15}}m$, nhỏ hơn kích thước nguyên tử (${10}^{\mathrm{-10}}m$) khoảng ${10}^5$ lần.

1.5. Đồng vị

• Đồng vị là các hạt nhân cùng số proton $Z$ nhưng khác số khối $A$.

Ví dụ:

$${}_1^1\mathrm{H;}{}_2^1\mathrm{H;}{}_3^1\mathrm{H;}$$

• Các đồng vị có tính chất hóa học giống nhau nhưng khối lượng khác nhau.

2. Hiểu sâu bản chất

💡 Phần lớn thể tích nguyên tử là khoảng trống.

💡 Số proton $Z$ quyết định nguyên tố hóa học.

💡 Các đồng vị của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng khác số neutron.

💡 Kích thước hạt nhân rất nhỏ so với kích thước nguyên tử.

💡 Khối lượng nguyên tử gần như tập trung hoàn toàn ở hạt nhân.

3. Ghi nhớ nhanh

• Điện tích hạt nhân: $q_{\mathrm{hn}}\mathrm{=+Z}e$

• Kí hiệu hạt nhân:${}_Z^{A}X$

• Số khối: $\text{A=Z+N}$

• Số neutron: $\text{N=A-Z}$

• Bán kính hạt nhân: $\text{R=1,2×}{10}^{\mathrm{-15}}{A}^{1/3}\mathrm{(m)}$

• Đồng vị: cùng $Z$, khác $A$.

4. Lưu ý cho học sinh

• Không nhầm lẫn số khối $A$ với số proton $Z$.

• Trong kí hiệu ${}_Z^{A}X$: $A$ viết phía trên, $Z$ viết phía dưới.

• Đồng vị có cùng số proton nhưng khác số neutron.

• Điện tích hạt nhân phụ thuộc số proton $Z$, không phụ thuộc số neutron.

• Luôn sử dụng hệ thức:$\text{A=Z+N}$

để xác định số neutron hoặc số khối.

• Không nhầm kích thước hạt nhân (${10}^{\mathrm{-15}}m$) với kích thước nguyên tử (${10}^{\mathrm{-10}}m$).

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Bán kính và mật độ hạt nhân

$$\text{R =}{r}_0{A}^{\mathrm{1/3}};r_0\text{≈ 1,2}\mathrm{.1}{0}^{\mathrm{-15}}m$$

Vì thể tích tỉ lệ $A$ còn khối lượng cũng xấp xỉ tỉ lệ $A$, mật độ hạt nhân gần như không phụ thuộc số khối.

5.2. Số proton, neutron và độ bền

$$\text{Z = số proton; N = A - Z}$$

Các hạt nhân nhẹ bền thường có $\text{N ≈ Z}$, còn hạt nhân nặng bền cần nhiều neutron hơn proton để bù tác dụng đẩy Coulomb.

5.3. Khối lượng nguyên tử và khối lượng hạt nhân

Khối lượng nguyên tử gồm khối lượng hạt nhân và các electron. Khi tính chính xác phải dùng nhất quán khối lượng nguyên tử hoặc khối lượng hạt nhân, không trộn lẫn.

5.4. Đồng vị và khối lượng nguyên tử trung bình

$$M_{\mathrm{tb}}={\mathrm{\Sigma x}}_i{M}_i$$

Trong đó $x_i$ là tỉ lệ số nguyên tử của đồng vị thứ $i$.

5.5. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Vì sao mật độ các hạt nhân khác nhau gần như cùng bậc?

2. Hai đồng vị khác nhau ở đại lượng nào?

3. Vì sao hạt nhân nặng bền thường có $\text{N > Z}$?

Gợi ý ngắn: (1) cả khối lượng và thể tích đều tỉ lệ $A$; (2) số neutron; (3) cần neutron tăng lực hút hạt nhân mà không tăng lực đẩy điện.