Mục lục bài họcĐang ở d05-b1
The nuclear atom, isotopes and nuclide notation
The nuclear model
An atom has a tiny, dense, positively charged nucleus containing protons and neutrons, surrounded by electrons in the space around it. The nucleus holds almost all the mass but occupies about one part in $10^{15}$ of the volume.
This model came from the alpha-scattering experiment: most alpha particles passed straight through a thin gold foil (so the atom is mostly empty space), a few were deflected (so there is a concentration of positive charge), and a very small number bounced almost straight back (so that concentration is tiny and massive).
Nuclide notation
$$^{A}_{Z}\text{X}$$- $Z$ = proton number (atomic number) — the lower one, and the one that decides which element it is;
- $A$ = nucleon number (mass number) — the upper one, protons plus neutrons;
- number of neutrons $=A-Z$.
In a neutral atom the number of electrons equals $Z$.
Isotopes
Isotopes of an element have the same number of protons but different numbers of neutrons. Since chemical behaviour is decided by the electrons, and the number of electrons follows $Z$, all isotopes of an element behave chemically the same — but they can differ completely in nuclear stability.
$$^{12}_{6}\text{C}\ \text{and}\ ^{14}_{6}\text{C}$$Both are carbon; the second has two extra neutrons and is radioactive, which is what makes carbon dating possible.
What makes a nucleus unstable
An unstable nucleus has an unfavourable balance of protons and neutrons, or simply too many nucleons. It becomes more stable by emitting radiation — and that emission is the subject of the rest of this chapter.
Mô hình hạt nhân. Nguyên tử có một hạt nhân rất nhỏ, rất đặc, mang điện dương, chứa proton và neutron; xung quanh là các electron chuyển động trong khoảng không rộng lớn. Hạt nhân giữ gần như toàn bộ khối lượng nhưng chỉ chiếm khoảng một phần $10^{15}$ thể tích nguyên tử.
Mô hình này đến từ thí nghiệm tán xạ hạt alpha: phần lớn hạt alpha xuyên thẳng qua lá vàng mỏng (nên nguyên tử chủ yếu là khoảng trống), một số ít bị lệch hướng (nên có một chỗ tập trung điện tích dương), và một số rất nhỏ bật ngược trở lại (nên chỗ tập trung ấy vừa nhỏ vừa nặng).
Ký hiệu hạt nhân.
$$^{A}_{Z}\text{X}$$- $Z$ = số proton (số hiệu nguyên tử) — số ở dưới, và là số quyết định đó là nguyên tố nào;
- $A$ = số nucleon (số khối) — số ở trên, bằng proton cộng neutron;
- số neutron $=A-Z$.
Trong nguyên tử trung hoà, số electron bằng $Z$.
Đồng vị. Các đồng vị của một nguyên tố có cùng số proton nhưng khác số neutron. Vì tính chất hoá học do electron quyết định, mà số electron lại đi theo $Z$, nên mọi đồng vị của một nguyên tố giống hệt nhau về mặt hoá học — nhưng có thể khác hẳn nhau về độ bền hạt nhân.
$$^{12}_{6}\text{C}\quad\text{và}\quad ^{14}_{6}\text{C}$$Cả hai đều là cacbon; loại thứ hai có thêm hai neutron và có tính phóng xạ, và chính điều đó làm nên phương pháp định tuổi bằng cacbon.
Điều gì làm hạt nhân không bền. Hạt nhân không bền có tỉ lệ proton–neutron bất lợi, hoặc đơn giản là quá nhiều nucleon. Nó trở nên bền hơn bằng cách phát ra bức xạ — và đó là nội dung của phần còn lại trong chương.
Cho hai hạt nhân $^{238}_{92}\text{U}$ và $^{235}_{92}\text{U}$. (a) Với mỗi hạt nhân, nêu số proton, số neutron và số electron trong nguyên tử trung hoà. (b) Chúng có phải đồng vị của nhau không, và điều đó nói gì về tính chất hoá học của chúng?
(a)
Với $^{238}_{92}\text{U}$: số proton $=92$; số neutron $=238-92=146$; số electron $=92$.
Với $^{235}_{92}\text{U}$: số proton $=92$; số neutron $=235-92=143$; số electron $=92$.
(b) Hai hạt nhân có cùng số proton ($92$) nhưng khác số neutron ($146$ và $143$), nên đúng là hai đồng vị của cùng một nguyên tố — urani.
Vì tính chất hoá học do electron quyết định, và cả hai đều có $92$ electron xếp giống hệt nhau, chúng phản ứng hoá học y như nhau. Không có phản ứng hoá học nào tách được chúng ra.
Nhưng chúng khác hẳn nhau về hạt nhân. $^{235}\text{U}$ phân hạch được bằng neutron chậm nên dùng làm nhiên liệu lò phản ứng, còn $^{238}\text{U}$ thì không. Đó là lý do việc “làm giàu” urani — nâng tỉ lệ $^{235}\text{U}$ — phải dùng phương pháp vật lý dựa trên chênh lệch khối lượng, chứ không dùng hoá học.
Trong thí nghiệm tán xạ alpha, ba quan sát được ghi nhận: phần lớn hạt đi thẳng qua lá vàng; một số ít bị lệch góc lớn; rất ít hạt bật gần như ngược trở lại. Nêu kết luận rút ra từ mỗi quan sát.
Quan sát một — phần lớn hạt đi thẳng qua. Nguyên tử chủ yếu là khoảng trống. Nếu khối lượng và điện tích dương rải đều khắp nguyên tử như mô hình cũ, mọi hạt alpha đều phải bị lệch ít nhiều.
Quan sát hai — một số ít bị lệch góc lớn. Có một chỗ tập trung điện tích dương trong nguyên tử. Hạt alpha mang điện dương nên bị đẩy mạnh khi đi gần chỗ đó.
Quan sát ba — rất ít hạt bật ngược trở lại. Chỗ tập trung ấy vừa rất nhỏ (vì rất ít hạt tới đủ gần) vừa rất nặng (vì nó đẩy ngược được một hạt alpha đang bay rất nhanh mà bản thân gần như không nhúc nhích).
Điều đáng chú ý về phương pháp. Ba kết luận đều được rút ra mà không ai nhìn thấy hạt nhân. Đây là kiểu suy luận đặc trưng của vật lý hạt: bắn một thứ đã biết vào một thứ chưa biết, rồi đọc cấu trúc của cái chưa biết từ cách nó làm lệch cái đã biết.
Chú ý cách trả lời được chấm điểm: mỗi quan sát phải đi kèm đúng một kết luận tương ứng. Viết một đoạn chung về mô hình hạt nhân, dù đúng, cũng chỉ được một phần điểm.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Nuclear Physics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.