Lý thuyết Hạt nhân và mô hình nguyên tử - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Bài 14. 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 ≈ 1,6.10^-19 C và có khối lượng m_p ≈ 1,673.10^-27 kg.

- Neutron được kí hiệu là n, trung hoà về điện, có khối lượng m_n ≈ 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 \(_1^1H\); hydrogen nặng \(_1^2H\) còn gọi là deuterium (\(_1^2D\)); hydrogen siêu nặng \(_1^3H\) còn gọi là tritium (\(_1^3T\)).

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:

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

A là số khối, 1fm = 10^-15 m.

Sơ đồ tư duy về “Hạt nhân và mô hình nguyên tử”