Cấu Trúc Hạt Nhân
Thí nghiệm tán xạ Rutherford, mô hình hành tinh nguyên tử, cấu tạo hạt nhân (nucleon), kí hiệu hạt nhân $^A_Z X$ và đồng vị
▸ Mô hình "bánh mận" trước năm 1911
Trước thí nghiệm của Rutherford, người ta cho rằng nguyên tử giống một chiếc bánh có mận khô: điện tích dương phân bố đều trong toàn bộ thể tích nguyên tử, các electron (điện âm) nằm rải rác bên trong như những hạt mận.
▸ Thí nghiệm của Rutherford (1911)
Bắn một chùm hạt alpha ($\alpha$ — là hạt nhân helium, mang điện dương) vào một lá vàng rất mỏng đặt trong hộp chân không, dùng màn huỳnh quang và kính hiển vi để quan sát, đếm các đốm sáng do hạt $\alpha$ đập vào.
▸ Kết quả thí nghiệm
| Hiện tượng | Tần suất | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Đi thẳng qua lá vàng | Hầu hết | Nguyên tử phần lớn là khoảng trống |
| Bị lệch hướng | Một số | Có vùng mang điện dương đẩy hạt $\alpha$ |
| Bị bật ngược ($>90$°) | Rất ít ($\approx 1/10^4$) | Vùng điện dương rất nhỏ nhưng tập trung và rất nặng |
▸ Hiện tượng tán xạ hạt alpha
Hiện tượng lệch hướng chuyển động của hạt $\alpha$ khi đến gần hạt nhân vàng gọi là hiện tượng tán xạ hạt alpha. Hạt $\alpha$ và hạt nhân vàng đều mang điện dương nên đẩy nhau (lực Coulomb); hạt $\alpha$ đến càng gần hạt nhân thì lực đẩy càng lớn, góc lệch càng lớn.
Từ kết quả thí nghiệm, Rutherford đề xuất mô hình hành tinh nguyên tử:
| Thành phần | Đặc điểm |
|---|---|
| Hạt nhân | Nằm ở tâm, mang điện dương, kích thước rất nhỏ nhưng tập trung gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử |
| Electron | Chuyển động xung quanh hạt nhân (giống hành tinh quay quanh Mặt Trời) |
| Khoảng trống | Phần lớn không gian nguyên tử là khoảng trống |
▸ So sánh kích thước
Kích thước hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử khoảng 10 000 lần. Hình dung: nếu nguyên tử to bằng một sân vận động (đường kính $\sim 100$ m) thì hạt nhân chỉ bằng một hạt đậu ($\sim 1$ cm).
| Đối tượng | Kích thước |
|---|---|
| Nguyên tử | $\sim 10^{-10}$ m |
| Hạt nhân | $\sim 10^{-14}$ m |
| Proton / Neutron | $\sim 10^{-15}$ m |
| Electron | $\sim 10^{-18}$ m |
| Đặc điểm | Proton (p) | Neutron (n) |
|---|---|---|
| Điện tích | $+e$ ($+1{,}6 \times 10^{-19}$ C) | $0$ (trung hoà) |
| Khối lượng | $\approx 1{,}0073$ amu | $\approx 1{,}0087$ amu |
| Phát hiện | Rutherford (1919) | Chadwick (1932) |
Proton và neutron có khối lượng xấp xỉ nhau ($\approx 1$ amu), nhưng khác nhau về điện tích.
▸ Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu)
Đơn vị khối lượng nguyên tử (kí hiệu amu hoặc u) bằng $\dfrac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử đồng vị carbon-12:
▸ Điện tích hạt nhân
Vì chỉ proton mang điện, hạt nhân có $Z$ proton thì điện tích hạt nhân là:
Hạt nhân của nguyên tố X được kí hiệu theo quy ước:
▸ Các công thức quan trọng
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| Số proton $= Z$ | Bằng số hiệu nguyên tử |
| Số neutron $N = A - Z$ | Số khối trừ số proton |
| Số nucleon $A = Z + N$ | Tổng proton và neutron |
| Số electron $= Z$ | Khi nguyên tử trung hoà điện |
▸ Một số hạt nhân thường gặp
| Hạt nhân | $Z$ | $A$ | $N$ |
|---|---|---|---|
| $^4_2\text{He}$ | 2 | 4 | 2 |
| $^{12}_6\text{C}$ | 6 | 12 | 6 |
| $^{16}_8\text{O}$ | 8 | 16 | 8 |
| $^{197}_{79}\text{Au}$ | 79 | 197 | 118 |
| $^{238}_{92}\text{U}$ | 92 | 238 | 146 |
| Giống nhau | Khác nhau |
|---|---|
| Số proton $Z$, số electron | Số neutron $N$ |
| Vị trí trong bảng tuần hoàn | Số khối $A$ |
| Tính chất hoá học | Khối lượng nguyên tử, một số tính chất vật lí |
▸ Phân loại
| Loại | Đặc điểm & ví dụ |
|---|---|
| Đồng vị bền | Tồn tại bền vững, không phân rã. VD: $^{12}_6\text{C}$, $^{16}_8\text{O}$ |
| Đồng vị phóng xạ | Tự phân rã, phát ra tia phóng xạ. VD: $^{14}_6\text{C}$, $^{235}_{92}\text{U}$ |
▸ Công thức cần nhớ
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| Số proton $= Z$ | Số hiệu nguyên tử |
| $N = A - Z$ | Số neutron |
| $A = Z + N$ | Số khối (số nucleon) |
| $Q = Z\cdot e$ | Điện tích hạt nhân |
| $1$ amu $= 1{,}66054 \times 10^{-27}$ kg | Đơn vị khối lượng nguyên tử |
▸ Tóm tắt thí nghiệm Rutherford
▸ Lỗi sai thường gặp
| ❌ Sai | ✅ Đúng |
|---|---|
| Hạt nhân chứa electron | Hạt nhân chỉ chứa proton và neutron |
| $Z$ là số neutron | $Z$ là số proton |
| Đồng vị có cùng số khối $A$ | Đồng vị có cùng $Z$, khác $A$ |
| $1$ amu $= 1$ kg | $1$ amu $= 1{,}66 \times 10^{-27}$ kg |
| Kích thước hạt nhân $=$ kích thước nguyên tử | Hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử $\approx 10^4$ lần |
Sơ đồ tư duy, bảng tóm tắt công thức, các mẹo ghi nhớ kí hiệu hạt nhân và lỗi sai thường gặp.
Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát SGK nhé!
Cùng luyện Bài 21 – Cấu trúc hạt nhân!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
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