Bài 21. Cấu trúc hạt nhân

1. Mô hình nguyên tử có hạt nhân

Thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Rutherford (bắn chùm hạt $\alpha$ vào lá vàng mỏng): hầu hết hạt $\alpha$ đi thẳng, một số ít bị lệch hướng với góc lớn, rất ít hạt bị bật ngược lại. Từ đó Rutherford đưa ra mô hình nguyên tử có hạt nhân: nguyên tử gồm hạt nhân mang điện dương, rất nhỏ nhưng chiếm gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử, ở tâm; các electron chuyển động xung quanh.

Hạt nhân có kích thước rất nhỏ (cỡ $10^{-15}$ đến $10^{-14}\,\mathrm{m}$), nhỏ hơn kích thước nguyên tử (cỡ $10^{-10}\,\mathrm{m}$) hàng chục nghìn lần. Bán kính hạt nhân được tính gần đúng theo công thức

2. Thành phần hạt nhân

Hạt nhân được cấu tạo từ hai loại hạt là proton và neutron. Chúng tồn tại trong một vùng không gian rất bé ở tâm nguyên tử.

Vì proton mang điện dương nên hạt nhân mang điện dương. Điện tích của hạt nhân do toàn bộ proton tạo ra. Khối lượng hạt nhân chiếm hầu hết khối lượng nguyên tử; do khối lượng proton và neutron gần bằng nhau, người ta dùng đơn vị khối lượng nguyên tử ($u$) để xấp xỉ khối lượng hạt nhân theo số nucleon.

3. Kí hiệu hạt nhân và các đại lượng đặc trưng

Hạt nhân được biểu diễn bằng kí hiệu ${}^{A}_{Z}\mathrm{X}$.

Giải thích kí hiệu và đơn vị:

• $A$: số khối, bằng tổng số nucleon; không có đơn vị, là số nguyên.
• $Z$: số hiệu nguyên tử, bằng số proton; không có đơn vị; cùng $Z$ thì là cùng nguyên tố.
• $N$: số neutron, $N=A-Z$; không có đơn vị.
• $\mathrm{X}$: kí hiệu hóa học của nguyên tố.
• $e$: điện tích cơ bản, $e \approx 1{,}602\cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}$ (coulomb), đơn vị SI của điện tích.

• $u$: đơn vị khối lượng nguyên tử, được xác định bằng $1/12$ khối lượng nguyên tử $\mathrm{^{12}C}$, giá trị xấp xỉ

  $$1\,u \approx 1{,}66054\cdot 10^{-27}\,\mathrm{kg}.$$

4. Đồng vị

Ví dụ, hydrogen có ba đồng vị: ${}^{1}_{1}\mathrm{H}$ (protium), ${}^{2}_{1}\mathrm{H}$ (deuterium) và ${}^{3}_{1}\mathrm{H}$ (tritium). Cả ba đều có $Z=1$ nhưng $A$ lần lượt là $1,2,3$. Uranium cũng có hai đồng vị ${}^{235}_{92}\mathrm{U}$ và ${}^{238}_{92}\mathrm{U}$.

5. Phương pháp giải bài tập

6. Ví dụ minh hoạ

7. Liên hệ thực tế

Việc biết cấu trúc hạt nhân và cách nhận biết đồng vị có nhiều ứng dụng thực tế:

• Xác định tuổi các mẫu vật có nguồn gốc sinh vật (gỗ, xương…) bằng đồng vị phóng xạ ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$.
• Dùng đồng vị phóng xạ trong y học để chẩn đoán hình ảnh và điều trị một số bệnh, chẳng hạn iodine-131 (${}^{131}_{53}\mathrm{I}$).
• ${}^{235}_{92}\mathrm{U}$ là đồng vị nhiên liệu quan trọng trong lò phản ứng phân hạch, còn ${}^{238}_{92}\mathrm{U}$ chiếm phần lớn trong uranium tự nhiên.
• Phân biệt đồng vị còn giúp đánh dấu, truy vết các quá trình trong sinh học và môi trường.