Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
- LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
- I. THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA
- II. CẤU TRÚC HẠT NHÂN – NUCLEON
- III. KÍ HIỆU HẠT NHÂN
- IV. ĐỒNG VỊ
- PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI
- DẠNG 1: Xác định số proton, neutron, nucleon từ kí hiệu hạt nhân
- DẠNG 2: Viết kí hiệu hạt nhân khi biết thông tin về số hạt
- DẠNG 3: Xác định và so sánh các đồng vị
- DẠNG 4: Giải thích kết quả thí nghiệm tán xạ Rutherford
- DẠNG 5: Tính kích thước và khối lượng riêng của hạt nhân
LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
I. THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA
1. Mô hình nguyên tử “bánh mận” (Thomson)
Trước năm 1911, các nhà khoa học tin rằng nguyên tử có cấu trúc giống như chiếc bánh ngọt có mận khô bên trong (plum pudding model).
Mô tả mô hình:
| Thành phần | Biểu diễn trong mô hình | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Mận khô | Các electron | Mang điện âm, khối lượng và kích thước rất nhỏ so với nguyên tử |
| Phần bánh | Phần còn lại của nguyên tử | Mang điện dương, nặng gần bằng nguyên tử, chiếm gần như toàn bộ không gian nguyên tử |
Theo mô hình này: Điện tích dương phân bố đều trong toàn bộ thể tích nguyên tử, các electron nằm rải rác bên trong như những hạt mận trong bánh.
2. Thí nghiệm tán xạ hạt alpha của Rutherford (1911)
a) Mục đích thí nghiệm
Ernest Rutherford (Ơ-nớt Rơ-đơ-pho) tiến hành thí nghiệm để khám phá cấu tạo nguyên tử vàng và kiểm chứng mô hình nguyên tử “bánh mận”.
b) Bố trí thí nghiệm
| Kí hiệu | Tên thiết bị | Chức năng |
|---|---|---|
| R | Nguồn phát hạt alpha | Phát ra chùm hạt α (hạt nhân nguyên tử He, mang điện dương) |
| D | Lá vàng rất mỏng | Độ dày chỉ khoảng 4×10⁻⁷ m (khoảng 1000 lớp nguyên tử) |
| G | Hộp chân không | Loại bỏ ảnh hưởng của không khí |
| S | Kính phủ chất huỳnh quang | Phát sáng khi hạt α đập vào |
| M | Kính hiển vi | Quan sát các đốm sáng trên màn S |
c) Tiến hành thí nghiệm
- Bắn chùm hạt α từ nguồn R vào lá vàng D đặt trong hộp chân không G
- Di chuyển kính hiển vi M từ vị trí (1) – đối diện nguồn phát – đến vị trí (2) – phía sau nguồn phát
- Quan sát và đếm số đốm sáng xuất hiện trên màn S ở các vị trí khác nhau
d) Kết quả thí nghiệm
| Hiện tượng | Tần suất | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Hạt α đi thẳng qua lá vàng | Hầu hết | Phần lớn không gian nguyên tử là khoảng trống |
| Hạt α bị lệch hướng | Một số | Có vùng mang điện dương đẩy hạt α |
| Hạt α bị bật ngược (lệch > 90°) | Rất ít (khoảng 1/10⁴) | Vùng mang điện dương có kích thước rất nhỏ nhưng tập trung và rất nặng |
Mâu thuẫn với mô hình bánh mận: Nếu nguyên tử có cấu trúc “bánh mận” (điện tích dương phân bố đều), thì tất cả hạt α sẽ đi thẳng, không có hạt nào bị lệch hay bật ngược!
3. Hiện tượng tán xạ hạt alpha
Định nghĩa: Hiện tượng lệch hướng chuyển động của hạt alpha khi đến gần hạt nhân vàng gọi là hiện tượng tán xạ hạt alpha.
Giải thích hiện tượng:
- Hạt α mang điện dương (+2e)
- Hạt nhân vàng cũng mang điện dương
- Khi hạt α đến gần hạt nhân → Lực đẩy Coulomb làm hạt α bị lệch hướng
- Hạt α đến càng gần hạt nhân → Lực đẩy càng lớn → Góc lệch càng lớn
- Hạt α đi thẳng vào hạt nhân → Bị bật ngược lại
4. Mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford
Dựa trên kết quả thí nghiệm, Rutherford đề xuất mô hình hành tinh nguyên tử:
Đặc điểm của mô hình:
| Thành phần | Đặc điểm |
|---|---|
| Hạt nhân | Nằm ở tâm nguyên tử, mang điện tích dương, có kích thước rất nhỏ nhưng tập trung gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử |
| Electron | Chuyển động xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo như các hành tinh quay quanh Mặt Trời |
| Khoảng trống | Phần lớn không gian nguyên tử là khoảng trống |
So sánh kích thước:
$$\frac{d_{nguyên tử}}{d_{hạt nhân}} \approx 10^4$$
Kích thước hạt nhân nhỏ hơn kích thước nguyên tử khoảng 10.000 lần (10⁴ lần).
Ví dụ trực quan:
Nếu nguyên tử có kích thước bằng sân vận động (đường kính ~100 m), thì hạt nhân chỉ có kích thước bằng hạt đậu (đường kính ~1 cm)!
5. So sánh kích thước các hạt vi mô
| Đối tượng | Kích thước | Ghi chú |
|---|---|---|
| Tinh thể | 10⁻² m | Có thể nhìn thấy bằng mắt thường |
| Phân tử | 10⁻⁹ m | Gồm nhiều nguyên tử liên kết |
| Nguyên tử | 10⁻¹⁰ m | Gồm hạt nhân và electron |
| Hạt nhân | 10⁻¹⁴ m | Nhỏ hơn nguyên tử 10⁴ lần |
| Proton/Neutron | 10⁻¹⁵ m | Nucleon |
| Electron | 10⁻¹⁸ m | Hạt cơ bản |
| Quark | < 10⁻¹⁸ m | Cấu tạo nên nucleon |
Em có biết: Hạt nucleon vẫn chưa phải là hạt nhỏ nhất! Các hạt nhỏ hơn cấu tạo nên nucleon được gọi là hạt quark.
II. CẤU TRÚC HẠT NHÂN – NUCLEON
1. Thành phần cấu tạo hạt nhân
Hạt nhân được cấu tạo bởi hai loại hạt, gọi chung là nucleon:
| Đặc điểm | Proton (p) | Neutron (n) |
|---|---|---|
| Kí hiệu | p hoặc $^1_1p$ | n hoặc $^1_0n$ |
| Điện tích (theo e) | +1e | 0 (trung hòa) |
| Điện tích (Coulomb) | +1,6×10⁻¹⁹ C | 0 |
| Khối lượng (kg) | 1,6726×10⁻²⁷ kg | 1,6749×10⁻²⁷ kg |
| Khối lượng (amu) | ≈ 1,0073 amu | ≈ 1,0087 amu |
| Phát hiện bởi | Rutherford (1919) | Chadwick (1932) |
Nhận xét: Proton và neutron có khối lượng gần bằng nhau (xấp xỉ 1 amu), nhưng khác nhau về điện tích.
2. Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu)
a) Định nghĩa
Đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit), kí hiệu là amu (hoặc u), được định nghĩa bằng 1/12 khối lượng nguyên tử của đồng vị Carbon-12.
$$1 \text{ amu} = \frac{1}{12} m_{^{12}C} = 1,66054 \times 10^{-27} \text{ kg}$$
b) Khối lượng các hạt theo amu
| Hạt | Khối lượng (amu) | Làm tròn |
|---|---|---|
| Proton | 1,007276 | ≈ 1 |
| Neutron | 1,008665 | ≈ 1 |
| Electron | 0,000549 | ≈ 0 |
Lưu ý: Khối lượng electron rất nhỏ so với proton và neutron (nhỏ hơn khoảng 1836 lần), nên khối lượng nguyên tử gần bằng khối lượng hạt nhân.
3. Điện tích hạt nhân
Vì hạt nhân chỉ chứa proton (điện tích +e) và neutron (trung hòa điện), nên:
$$\text{Điện tích hạt nhân} = Z \times e = Z \times 1,6 \times 10^{-19} \text{ C}$$
Trong đó Z là số proton trong hạt nhân.
4. Kích thước hạt nhân
Các nucleon nằm sát nhau và không chồng lấn, nên có thể coi hạt nhân như một quả cầu bán kính $R$:
$$\boxed{R = 1{,}2 \cdot 10^{-15} \cdot A^{\frac{1}{3}} \ (\text{m})}$$
Trong đó $A$ là số khối.
Lưu ý:
- Đây là công thức gần đúng, cho kết quả tốt hơn với $A > 12$.
- $R$ tỉ lệ với căn bậc ba của $A$: số nucleon tăng 8 lần thì bán kính chỉ tăng 2 lần.
- Thể tích hạt nhân tỉ lệ thuận với $A$: $V = \dfrac{4}{3}\pi R^3 \sim A$.
Kích thước một số hạt nhân (Bảng 21.1)
| Nguyên tố | Số khối $A$ | Bán kính nguyên tử ($10^{-10}$ m) | Bán kính hạt nhân ($10^{-15}$ m) |
|---|---|---|---|
| Hydrogen | 1 | 1,2 | 0,9 |
| Helium | 4 | 1,4 | 1,7 |
| Oxygen | 16 | 1,5 | 2,7 |
| Silicon | 28 | 2,1 | 3,1 |
| Sắt | 56 | 1,9 | 3,7 |
| Cadmium | 114 | 1,6 | 4,6 |
| Vàng | 197 | 1,7 | 5,4 |
| Uranium | 238 | 1,9 | 5,9 |
Khối lượng riêng của hạt nhân
$$\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{A \cdot 1{,}66054 \cdot 10^{-27}}{\dfrac{4}{3}\pi \left(1{,}2 \cdot 10^{-15}\right)^3 A} \approx 2{,}3 \cdot 10^{17} \ \text{kg/m}^3$$
Số khối $A$ bị triệt tiêu, nên mọi hạt nhân đều có khối lượng riêng gần như nhau, không phụ thuộc hạt nhân nặng hay nhẹ. Giá trị này lớn hơn khối lượng riêng của nước khoảng $2{,}3 \cdot 10^{14}$ lần.
III. KÍ HIỆU HẠT NHÂN
1. Cách viết kí hiệu hạt nhân
Hạt nhân được kí hiệu theo quy ước:
$$\Large \boxed{^A_Z X}$$
Trong đó:
| Kí hiệu | Tên gọi | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| X | Kí hiệu hóa học | Tên nguyên tố (He, C, O, Au,…) |
| Z | Số hiệu nguyên tử (số proton) | Số proton trong hạt nhân |
| A | Số khối (số nucleon) | Tổng số proton và neutron |
2. Các công thức quan trọng
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| $\text{Số proton} = Z$ | Bằng số hiệu nguyên tử |
| $\text{Số neutron} = N = A – Z$ | Bằng số khối trừ số proton |
| $\text{Số nucleon} = A = Z + N$ | Bằng tổng proton và neutron |
| $\text{Số electron} = Z$ (nguyên tử trung hòa) | Bằng số proton |
3. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Xác định cấu tạo hạt nhân $^{28}_{14}Si$ (Silicon)
| Đại lượng | Giá trị | Cách tính |
|---|---|---|
| Số proton | 14 | Z = 14 |
| Số neutron | 14 | N = A – Z = 28 – 14 = 14 |
| Số nucleon | 28 | A = 28 |
| Điện tích hạt nhân | +14e | = +14 × 1,6×10⁻¹⁹ C |
Ví dụ 2: Một số hạt nhân thường gặp
| Hạt nhân | Z | A | N | Tên gọi |
|---|---|---|---|---|
| $^1_1H$ | 1 | 1 | 0 | Hydrogen (Protium) |
| $^4_2He$ | 2 | 4 | 2 | Helium (hạt α) |
| $^{12}_6C$ | 6 | 12 | 6 | Carbon-12 |
| $^{16}_8O$ | 8 | 16 | 8 | Oxygen-16 |
| $^{197}_{79}Au$ | 79 | 197 | 118 | Vàng |
| $^{238}_{92}U$ | 92 | 238 | 146 | Uranium-238 |
IV. ĐỒNG VỊ
1. Định nghĩa đồng vị
Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số proton (Z) nhưng khác số neutron (N), do đó khác số khối (A).
Đặc điểm của đồng vị:
| Giống nhau | Khác nhau |
|---|---|
| Số proton (Z) | Số neutron (N) |
| Vị trí trong bảng tuần hoàn | Số khối (A) |
| Tính chất hóa học | Khối lượng nguyên tử |
| Số electron (nguyên tử trung hòa) | Một số tính chất vật lí |
2. Phân loại đồng vị
| Loại | Đặc điểm | Ví dụ |
|---|---|---|
| Đồng vị bền (ổn định) | Tồn tại bền vững trong tự nhiên, không phân rã | $^{12}_6C$, $^{16}_8O$, $^{197}_{79}Au$ |
| Đồng vị phóng xạ (không bền) | Tự phân rã và phát ra tia phóng xạ | $^{14}_6C$, $^{235}_{92}U$, $^{3}_1H$ |
3. Ví dụ về đồng vị
a) Đồng vị của Hydrogen (Z = 1)
| Đồng vị | Kí hiệu | Số proton | Số neutron | Tên gọi | Đặc điểm |
|---|---|---|---|---|---|
| Hydrogen-1 | $^1_1H$ | 1 | 0 | Protium | Phổ biến nhất (99,98%) |
| Hydrogen-2 | $^2_1H$ | 1 | 1 | Deuterium (D) | Nước nặng D₂O |
| Hydrogen-3 | $^3_1H$ | 1 | 2 | Tritium (T) | Phóng xạ, dùng trong nhiệt hạch |
b) Đồng vị của Carbon (Z = 6)
| Đồng vị | Số neutron | Tỉ lệ tự nhiên | Đặc điểm |
|---|---|---|---|
| $^{12}_6C$ | 6 | 98,9% | Bền, dùng làm chuẩn khối lượng |
| $^{13}_6C$ | 7 | 1,1% | Bền |
| $^{14}_6C$ | 8 | Vết | Phóng xạ, dùng xác định niên đại |
c) Đồng vị của Uranium (Z = 92)
| Đồng vị | Số neutron | Tỉ lệ tự nhiên | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| $^{235}_{92}U$ | 143 | 0,72% | Nhiên liệu hạt nhân, bom nguyên tử |
| $^{238}_{92}U$ | 146 | 99,27% | Sản xuất Plutonium |
4. Tỉ lệ các đồng vị trong tự nhiên
| Nguyên tố | Các đồng vị (tỉ lệ %) |
|---|---|
| Lithium (Li) | $^6Li$ (7,5%), $^7Li$ (92,5%) |
| Oxygen (O) | $^{16}O$ (99,76%), $^{17}O$ (0,04%), $^{18}O$ (0,20%) |
| Magie (Mg) | $^{24}Mg$ (78,99%), $^{25}Mg$ (10,00%), $^{26}Mg$ (11,01%) |
| Silic (Si) | $^{28}Si$ (92,23%), $^{29}Si$ (4,67%), $^{30}Si$ (3,10%) |
| Sulfur (S) | $^{32}S$ (94,99%), $^{33}S$ (0,75%), $^{34}S$ (4,25%), $^{36}S$ (0,01%) |
PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI
DẠNG 1: Xác định số proton, neutron, nucleon từ kí hiệu hạt nhân
Phương pháp:
- Đọc kí hiệu hạt nhân $^A_Z X$
- Xác định: Z (số proton), A (số khối/nucleon)
- Tính số neutron: N = A – Z
Ví dụ mẫu:
Câu hỏi: Xác định số proton, neutron và nucleon trong các hạt nhân: $^{56}_{26}Fe$; $^{235}_{92}U$; $^{4}_{2}He$
Lời giải:
| Hạt nhân | Số proton (Z) | Số khối (A) | Số neutron (N = A – Z) |
|---|---|---|---|
| $^{56}_{26}Fe$ | 26 | 56 | 56 – 26 = 30 |
| $^{235}_{92}U$ | 92 | 235 | 235 – 92 = 143 |
| $^{4}_{2}He$ | 2 | 4 | 4 – 2 = 2 |
DẠNG 2: Viết kí hiệu hạt nhân khi biết thông tin về số hạt
Phương pháp:
- Xác định Z (số proton) và A (số khối)
- Tra bảng tuần hoàn để tìm kí hiệu hóa học X
- Viết kí hiệu: $^A_Z X$
Ví dụ mẫu:
Câu hỏi: Viết kí hiệu hạt nhân của nguyên tử có 17 proton và 18 neutron.
Lời giải:
Bước 1: Xác định Z và A
- Số proton: Z = 17
- Số neutron: N = 18
- Số khối: A = Z + N = 17 + 18 = 35
Bước 2: Tra bảng tuần hoàn
- Nguyên tố có Z = 17 là Chlorine (Cl)
Bước 3: Viết kí hiệu $$^{35}_{17}Cl$$
DẠNG 3: Xác định và so sánh các đồng vị
Phương pháp:
- Hai hạt nhân là đồng vị khi có cùng Z (số proton) nhưng khác A (số khối)
- Đồng vị có cùng vị trí trong bảng tuần hoàn
Ví dụ mẫu:
Câu hỏi: Trong các hạt nhân sau, những cặp nào là đồng vị của nhau?
$^{14}_6C$; $^{14}_7N$; $^{12}_6C$; $^{16}_8O$; $^{13}_6C$
Lời giải:
| Hạt nhân | Z (số proton) | A (số khối) |
|---|---|---|
| $^{14}_6C$ | 6 | 14 |
| $^{14}_7N$ | 7 | 14 |
| $^{12}_6C$ | 6 | 12 |
| $^{16}_8O$ | 8 | 16 |
| $^{13}_6C$ | 6 | 13 |
Kết luận: Các hạt nhân có cùng Z = 6 là: $^{12}_6C$, $^{13}_6C$, $^{14}_6C$
→ Đây là 3 đồng vị của Carbon
Chú ý: $^{14}_6C$ và $^{14}_7N$ có cùng A nhưng khác Z → Không phải đồng vị (gọi là các hạt nhân đẳng khối)
DẠNG 4: Giải thích kết quả thí nghiệm tán xạ Rutherford
Phương pháp:
Sử dụng đặc điểm mô hình hành tinh nguyên tử để giải thích:
| Kết quả | Giải thích |
|---|---|
| Hầu hết hạt α đi thẳng | Phần lớn nguyên tử là khoảng trống |
| Một số hạt α bị lệch | Hạt α đi gần hạt nhân bị lực đẩy Coulomb làm lệch hướng |
| Rất ít hạt α bật ngược | Hạt nhân có kích thước rất nhỏ, rất ít hạt α đi thẳng vào hạt nhân |
Ví dụ mẫu:
Câu hỏi: Tại sao trong thí nghiệm Rutherford, tần suất đốm sáng ở vị trí (1) – đối diện nguồn phát – là lớn nhất?
Lời giải:
Vì:
- Phần lớn không gian nguyên tử là khoảng trống
- Hầu hết hạt α đi qua lá vàng mà không gặp hạt nhân nên đi thẳng
- Các hạt α đi thẳng sẽ đập vào màn huỳnh quang ở vị trí (1), tạo ra nhiều đốm sáng nhất
→ Điều này chứng tỏ hạt nhân có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử.
DẠNG 5: Tính kích thước và khối lượng riêng của hạt nhân
Phương pháp
Bước 1: Xác định số khối $A$ từ kí hiệu hạt nhân.
Bước 2: Áp dụng công thức phù hợp:
| Yêu cầu | Công thức |
|---|---|
| Bán kính | $R = 1{,}2 \cdot 10^{-15} \cdot A^{1/3}$ (m) |
| Tỉ số bán kính | $\dfrac{R_1}{R_2} = \left(\dfrac{A_1}{A_2}\right)^{1/3}$ |
| Thể tích | $V = \dfrac{4}{3}\pi R^3$ |
| Tỉ số thể tích | $\dfrac{V_1}{V_2} = \dfrac{A_1}{A_2}$ |
| Khối lượng | $m \approx A \cdot 1{,}66054 \cdot 10^{-27}$ (kg) |
| Khối lượng riêng | $\rho = \dfrac{m}{V}$ |
Bước 3: Thay số, chú ý lũy thừa của 10 và đơn vị.
Ví dụ 1: Tính bán kính hạt nhân
Câu hỏi: Tính bán kính hạt nhân vàng $^{197}_{79}\text{Au}$ và so sánh với bán kính nguyên tử vàng ($1{,}7 \cdot 10^{-10}$ m).
Lời giải:
$$R = 1{,}2 \cdot 10^{-15} \cdot 197^{\frac{1}{3}} = 1{,}2 \cdot 10^{-15} \cdot 5{,}82 \approx 7{,}0 \cdot 10^{-15} \ \text{m}$$
$$\dfrac{R_{\text{nguyên tử}}}{R_{\text{hạt nhân}}} = \dfrac{1{,}7 \cdot 10^{-10}}{7{,}0 \cdot 10^{-15}} \approx 2{,}4 \cdot 10^4$$
Nguyên tử lớn hơn hạt nhân khoảng $10^4$ lần.
Ví dụ 2: So sánh hai hạt nhân
Câu hỏi: So sánh bán kính và thể tích của $^{238}_{92}\text{U}$ với $^{4}_{2}\text{He}$.
Lời giải:
$$\dfrac{R_{\text{U}}}{R_{\text{He}}} = \left(\dfrac{238}{4}\right)^{\frac{1}{3}} \approx 3{,}9 \qquad ; \qquad \dfrac{V_{\text{U}}}{V_{\text{He}}} = \dfrac{238}{4} = 59{,}5$$
Thể tích lớn hơn 59,5 lần nhưng bán kính chỉ lớn hơn 3,9 lần.
Ví dụ 3: Khối lượng riêng của hạt nhân
Câu hỏi: Tính khối lượng riêng của hạt nhân $^{56}_{26}\text{Fe}$.
Lời giải:
$$m = 56 \cdot 1{,}66054 \cdot 10^{-27} \approx 9{,}30 \cdot 10^{-26} \ \text{kg}$$
$$R = 1{,}2 \cdot 10^{-15} \cdot 56^{\frac{1}{3}} \approx 4{,}59 \cdot 10^{-15} \ \text{m}$$
$$V = \dfrac{4}{3}\pi R^3 \approx 4{,}05 \cdot 10^{-43} \ \text{m}^3$$
$$\rho = \dfrac{9{,}30 \cdot 10^{-26}}{4{,}05 \cdot 10^{-43}} \approx 2{,}3 \cdot 10^{17} \ \text{kg/m}^3$$
Làm tương tự với hạt nhân bất kì đều cho cùng kết quả, vì $A$ bị triệt tiêu.
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn