Mở đầu trang 94 Vật Lí 12: Hơn 2 000 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. Vậy, 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?

Lời giải:

Kết quả thí nghiệm sử dụng chùm hạt alpha bắn phá một lá vàng mỏng của Rutherford, Geiger và Marsden giúp các nhà khoa học khẳng định được sự tồn tại của hạt nhân.

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.

Câu hỏi 1 trang 95 Vật Lí 12: 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?

Lời giải:

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.

Trong không khí có các nguyên tử có bán kính nhỏ hơn nhiều so với vàng, các điện tích dương của hạt alpha sẽ bị hút bởi các hạt electron của nguyên tử khí đó nếu buồng chứa có lẫn không khí.

Câu hỏi 2 trang 95 Vật Lí 12: Từ kết quả thí nghiệm tán xạ của Rutherford, thảo luận để trả lời câu hỏi:

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

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

Lời giải:

a) Nguyên tử không có cấu trục đặc hoàn toàn mà sẽ có những vùng 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 trang 97 Vật Lí 12: Tìm hiểu và trình bày sơ lược về mô hình nguyên tử hiện đại.

Lời giải:

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 - tương tự cấu trúc của hệ Mặt Trời nhưng lực hấp dẫn được thay bằng lực tĩnh điện. 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. Nói cách khác, nguyên tử không hấp thu hoặc phát xạ năng lượng khi electron chuyển động trên một quỹ đạo dừng;

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

Câu hỏi 3 trang 97 Vật Lí 12: Nêu những tính chất cơ bản của các hạt proton và neutron.

Lời giải:

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

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

Câu hỏi 4 trang 97 Vật Lí 12: Dựa vào Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hãy xác định số hiệu nguyên tử các hạt nhân của nguyên tử đối với nguyên tố carbon (C), sắt (Fe) và vàng (Au).

Lời giải:

Số hiệu nguyên tử của C: 6

Số hiệu nguyên tử của Fe: 26

Số hiệu nguyên tử của Au: 79

Câu hỏi 5 trang 98 Vật Lí 12: Hãy biểu diễn kí hiệu hạt nhân của năm nguyên tố trong Bảng 14.1.

Lời giải:

${}_1^{1}H,{}_2^{4}He,{}_3^{7}Li,{}_6^{12}C,{}_7^{14}N$

Câu hỏi 6 trang 99 Vật Lí 12: So sánh bán kính hạt nhân của hai đồng vị của nguyên tố carbon: ${}_6^{12}C$, ${}_6^{14}C$.

Lời giải:

Bán kính hạt nhân:  $r\simeq 1,2A^{\frac{1}{3}}fm$.

Vì A12C < A14C → r12C < r14C

Luyện tập trang 99 Vật Lí 12: a) Hãy nêu tên gọi, số hiệu nguyên tử, số khối và số neutron của các hạt nhân sau:

${}_1^{1}H;{}_2^{4}He;{}_{12}^{24}Mg;{}_{20}^{40}Ca$

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.

Lời giải:

a) 

b) A = Z + N = 13 + 14 = 27 → Kí hiệu: ${}_{13}^{37}Al$

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

Vận dụng trang 99 Vật Lí 12: Tìm hiểu về lịch sử khám phá hạt proton và neutron trong hạt nhân.

Lời giải:

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

Bài 1 trang 99 Vật Lí 12: Hạt nhân nguyên tử có thể được cấu tạo từ

A. nucleon, electron.

B. proton, electron.

C. neutron, electron.

D. proton, neutron.

Lời giải:

Hạt nhân nguyên tử có thể được cấu tạo từ: proton, neutron

Đáp án D

Bài 2 trang 99 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

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

Đáp án B

Bài 3 trang 99 Vật Lí 12: Tìm số proton và số neutron trong các hạt nhân sau đây: ${}_3^{7}Li;{}_{19}^{39}K;{}_6^{12}C;{}_1^{2}H;{}_{15}^{31}P$

Lời giải:

Bài 4 trang 99 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

p = Z = 26 → X là Fe (sắt)

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

Kí hiệu hạt nhân: ${}_{26}^{54}Fe$

Lý thuyết Hạt nhân và mô hình nguyên tử

1. Giới thiệu về thí nghiệm tán xạ hạt alpha

Thí nghiệm tán xạ hạt alpha

Nhằm kiểm chứng mô hình nguyên tử do Thompson đề xuất, Ernest Rutherford (O-nớt Rơ-dơ-pho) (Hình 14.2) và các cộng sự gồm Geiger (Gây-gơ) (1882 - 1928) và Marsden (Mát-xđân) (1889 - 1970) đã thực hiện thí nghiệm bắn phá các tấm mica mỏng bằng các chùm hạt nhân helium (hạt alpha - α), là các hạt tích điện dương. Khi động năng của chùm hạt alpha đủ lớn, kết quả thí nghiệm cho thấy một lượng lớn các hạt alpha xuyên qua những tấm mica.

Phần lớn không gian bên trong nguyên tử là rỗng, toàn bộ điện tích dương trong nguyên tử chỉ tập trung tại một vùng có bán kính rất nhỏ nằm ở tâm của nguyên tử, được gọi là hạt nhân của nguyên tử.

Mô hình đơn giản của nguyên tử

Những kết quả từ thí nghiệm tán xạ hạt alpha đã phủ định mô hình nguyên tử của Thompson và ủng hộ mô hình nguyên tử của Rutherford (Hình 14.5):

- Nguyên tử có cấu trúc rỗng với hạt nhân nằm ở tâm của nguyên tử. Khối lượng của hạt nhân xấp xỉ bằng khối lượng của nguyên tử, điện tích của hạt nhân có giá trị dương (bằng tổng điện tích các hạt proton).

- Các electron phân bố trong không gian trống xung quanh hạt nhân và chuyển động trong các quỹ đạo khép kín quanh hạt nhân giống như chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt Trời.

Năm 1913, nhà vật lí Niels Bohr (Nây Bo) (1885 - 1962) đã bổ sung 2 tiên đề vào mô hình nguyên tử của Rutherford để giải quyết hạn chế trên, trong đó có tiên đề liên quan đến trạng thái dừng: Nguyên tử chỉ tồn tại trong các trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng, nguyên tử không phát xạ.

2. Hạt nhân của nguyên tử

Cấu tạo hạt nhân

Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ rằng hạt nhân của nguyên tử được tạo nên bởi các hạt proton và neutron, trong đó:

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

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

Số proton trong hạt nhân Z là số hiệu nguyên tử, bằng số thứ tự của nguyên tố đang xét trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học.

Tổng số các nucleon trong hạt nhân được gọi là số khối: A = Z + N

với N là số neutron trong hạt nhân.

Kí hiệu hạt nhân

Đồng vị

Các hạt nhân đồng vị có cùng số proton Z nhưng khác số neutron N

Ví dụ: Hydrogen có ba đồng vị: hydrogen thường ${}_1^{1}H$; hydrogen nặng ${}_1^{2}H$ còn gọi là deuterium (${}_1^{2}D$); hydrogen siêu nặng ${}_1^{3}H$ còn gọi là tritium (${}_1^{3}T$).

Kích thước hạt nhân

Hạt nhân của nguyên tử được xem gần đúng là một quả cầu có bán kính r. Bán kính của hạt nhân được xác định gần đúng bởi công thức:

$r\approx 1,2A^{\frac{1}{3}}fm$

A là số khối, 1fm = 10^-15 m.