Bài giảng Điện học (Phần 9) ppt

Bài giảng Điện học
(Phần9)
2.3 Số nguyên tử
Như đã nói tớitrong câu hỏi thảo luận trong một phần trước, cácnhà khoa
học thuộc giaiđoạn này đã có một ý tưởng rất gần đúng có bao nhiêu đơnvị điện
tích nằm trong hạt nhân của các nguyên tố hóa học khác nhau.Mặc dù ngày nay
chúng ta liên tưởngsố đơn vị điện tích hạt nhânvới vị trí của nguyên tố trong bảng
tuần hoàn hóa học, và gọi nólà số nguyên tử, nhưng họ thì không hề có ý tưởnggì
về một mối quanhệ như thế. Bảng tuần hoàn của Mendeleevtrôngchỉ như một
côngcụ mang tínhtổ chứchóa,chứ khôngcótầm quantrọngvậtlí cầnthiết nàocả.
Và mọi thứ mà Mendeleec đã làm cũnghợp lí nếunhư bạn chuyểnlộn ngược bảng
lại, hoặc đảo phía bên trái và bên phải của nó, haythậm chí bạn muốn đánhsố
nguyêntố liên tiếp với nhữngsố nguyên thì cũngcó tình trạng chobạn làm như
vậy. Bảng tuần hoàn gốc của Mendeleev trongthực tế là lộn ngượcso với bảng
tuần hoàn hiện nay.
Trongthời kì ngaysau khi khám phára hạt nhân, các nhàvật lí chỉ có sự ước
tính thô về điện tích của nhữnghạt nhân khác nhau. Trong trườnghợp củahạt
nhânnhẹ nhất, họ dễ dàng tìm đượcsố electron tối đamàhọ có thể bứt rabằng
những phươngpháp khác nhau: phản ứng hóa học, cho phóng điện, chiếu ánh sáng
cực tím, và vânvân. Ví dụ, họ có thể dễ dàng bóc ra một hoặc hai electron khỏi
helium, tạo raHe
+
hay He
++
, nhưngkhông aitạo ra được He
+++
, có thể đoán chừng
là do điện tích hạt nhân củaheliumchỉ là +2e. Thậtkhôngmay, chỉ cómột vài
nguyêntố nhẹ nhất cóthể bị bóc ra hoàn toàn, vì càng có nhiều electronbị bứt ra,
thì cácelectron tích điện âm còn lại sẽ bị giữ càng chặt. Số nguyên tử của các
nguyêntố nặngchỉ có thể ngoại suythôtừ các nguyên tố nhẹ, trongđó số nguyên

tử vào khoảngphân nửakhối lượngnguyêntử biểu diễn bằng đơn vị khối lượng
nguyêntử hydrogen. Ví dụ, vàng cókhối lượng gấp khoảng197 lần hydrogen,nên
số nguyên tử của nó được ước tínhlà khoảng phân nửa giátrị đó, hayđâu đó trên
dưới100. Ngàynay chúng ta biết nólà 79.
Cuối cùng, chúng ta giải quyết vấn đề đó như thế nào? Bứcmàn bí ẩn của
điện tíchhạt nhân cuối cùng đã bị chọc thủngthành công bằng haikĩ thuật khác
nhau, cho kết quả phù hợp nhau.Một bộ thí nghiệm,sử dụng tia X, đượcthực hiện
bởi chàng trai trẻ Henry Mosely,người có tài năng khoahọc sớmhi sinh trong một
trận đánh giữa các đế quốc châu Âutranh giành quyền sở hữu xứ Dardanelles,
trong cuộc xungđột vô nghĩa khiấygọi là cuộc chiến nhằm kết thúc mọi cuộc
chiến, còn ngày nay gọilà Thế chiến thứ nhất.
l/ Hạt alphatiến gần hơn nhiều đến sát hạt nhânđồng điện tích thấp để bị
lệch qua góc như nhau.
Vì phântích củaMoselyyêucầu một vài khái niệm màđến đây bạnvẫn chưa
quen thuộc,nên thayvì vậy, chúngta sẽ mô tả kĩ thuật do JamesChadwicksử dụng
vào khoảng thời gianđó. Một cáilợi nữacủa việc mô tả những thí nghiệmcủa
Chadwick làchúng báo trướcsự ra đời của kĩ thuật hiện đạiquan trọng nghiên cứu
sự va chạm của các hạt hạ nguyêntử. Ở trường đạihọc, tôi đã từng làm việc với
một vị giáo sư có cố vấn củacố vấn luận án của ông là Chadwick, và ông đã kể một
số mẫu chuyện lí thú về nhà khoahọcđó. Chadwick nhìn bên ngoài hơi bảnh trai
và hoàntoàn cuồng tínvới khoahọc,cho tới khiông bị bắt giữ trong nhàtù Đức
trong Thế chiến thứ hai, ông vẫn phỉnhphờ nhữngkẻ giam giữ ôngchophép ông
“chôm”những bộ phận radiovỡ nát để ông có thể cố gắng thực hiện nhữngthí
nghiệmvật lí.
Thí nghiệmcủa Chadwickhoạt độngnhư thế này. Giả sử bạn tiến hànhhai
phép đo tán xạ hạt alphatheo kiểuRutherford,thí nghiệm đầu với lá vànglàm bia
như trong thí nghiệmgốc của Rutherford, vàthí nghiệm thứ hai vớimột lá đồng.
Trongcả haitrường hợp đều có thể thu được góclệch lớn,nhưng như chỉ rõtrong
hinh m, hạtalpha phải hướnggầnnhư thẳngvề phía hạt nhân đồng để có cùnggóc
lệch như xảy ra với những hạt alphaở xamục tiêu hơn nhiều; điện tích của hạt

nhânvàng lớn hơn nhiều sovới điệntích của hạt nhân đồng,nên nó tácdụng lực
lớn lênhạt alphangaycả khi hạt này ở xa. Tình huống rất giốngvới một người bịt
mắtchơi trò ném phi tiêu. Giốngnhư khôngthể nhắm một hạt alphalênmột hạt
nhânnào đó trên bia,người bị bịt mắt thậtsự không thể nào nhắmđượcphi tiêu.
Thu được một va chạmrất gần với hạt nhânđồng tươngtự như ném lọt vào vòng
tròn trongtrên bảngphóng tiêu. Còn na náhơn nữalà ngườita luôn cócơ may
ném trúngvòngtrònngoài, nó bao phủ số inchvuônglớn hơn. Tươngtự, nếubạn
đo tầnsuất hạt alphabị tán xạ bởi hạt nhânđồng ở một số góc nhất định, ví dụ
giữa19 và 20 độ, và rồi tiến hành cùngphép đo ở cùng góc đó với hạt nhânvàng,
bạn sẽ thu được tỉ lệ phần trăm cho vàng cao hơn nhiều so với cho đồng.
Trênthực tế, tỉ số điện tích của haihạt nhân có thể thu được từ tỉ số cùng
được xác địnhbằng thực nghiệm này. Sử dụng kíhiệu chuẩn Z chosố nguyên tử
(điệntích củahạt nhân chia cho e), phươngtrình saucó thể chứng minh được (ví
dụ 1):
m/ Hạt alpha phảihướng thẳng tới vòng tròn ở phía trước ống hình trụ
tưởng tượng để tạo ra sự tán xạ ở góc giữa 19và 20 độ. Diệntích củavòng tròn
này được gọi là “tiết diện”cho sự tán xạ ở góc 19-20độ,vì nólà diện tích lát cắt
ngang củaống trụ.
Bằng cách tiến hành nhữngphép đo như thế đối với bia xâydựngtừ tất cả
các nguyêntố, ngườita có thể suy ratỉ số củatất cả các số nguyêntử, vàvì số
nguyêntử của những nguyên tố nhẹ nhấtđã được biết,nên số nguyên tử có thể
gán cho toàn bộ bảng hệ thống tuần hoàn.Theo Mosely, số nguyêntử củađồng,
bạc vàplatinumlà 29,47 và 78,tương ứngtốt với vị trí của chúng trong bảng tuần
hoàn. Số liệu của Chadwick cho ba nguyêntố trên là 29,3; 46,3và77,4, với sai số
khoảng 1,5lầnđiện tích nguyên tố, nên hai thí nghiệmphù hợp tốt vớinhau.
Ở đây, không nhất thiết bạn phải sẵn sàngđưa những con số vàophương
trìnhở trên chomột bài tập ở nhà haygiải bài toán!Mục tiêu tổngthể của tôi trong
chương nàylà giải thíchlàm sao chúngta biết được những gìchúngta biết về các
nguyêntử. Mộtlợi thế của việc mô tả thí nghiệm của Chadwick là phương pháp đó
rất giống vớiphươngpháp sử dụng trongnhững thí nghiệm vật lí hạt hiện đại, vàý

tưởng dùng trong phép phân tích đó quan hệ gần gũi với khái niệm ngàynay gặp ở
mọingócngách,đó là kháiniệm“tiếtdiện”.Trongsự tươngtự với bảngphóng tiêu,
tiết diện sẽ là diện tíchcủa vòng tròn mà bạnném tới. Lí do tiềm ẩn sauphát minh
ra từ “tiết diện” có thể hình dungnhư trong hình m. Theongôn ngữ này, phát minh
ra mẫuhànhtinh củaRutherfordđếntừ khám phá bất ngờ của ôngrằngcó một
tiết diện khác không cho hạt alphatán xạ khỏi vàng ở nhữnggóc lớn, vàChadwick
xác nhậnsự xác định số nguyên tử của Rutherfordbằng cách đo tiếtdiện tán xạ hạt
alpha.
Ví dụ 1. Bằng chứng cho mối quan hệ giữa Z và sự tán xạ
Phương trình ở trên có thể thu nhận từ bằng chứng không chặt chẽ lắm sau
đây. Để làm lệch hạt alpha ở một gócnhất định,cần phải cómột thành phần động
lượng nhất định theohướng vuông góc với động lượngban đầu củanó. Mặc dù lực
do hạt nhân tác dụnglên hạtalphakhông phải là một hằngsố, nhưng chúngta có
thể giả sử nó xấp xỉ là mộthằng số trongthời gian hạt alphaở trong khoảng cách,
nói ví dụ, bằng150%khoảng cách của nó tới điểm gần nhất, và lựclà bằngkhông
trướcvà sau phần chuyển động đó.(Nếu chúngta chọn 120% hay200%,thì không
có sự chênh lệch nàotrong kết quả cuối cùng, vì kếtquả cuối cùng làmộttỉ số nên
các ảnhhưởnglên tử và mẫusố sẽ triệt tiêulẫn nhau).Trongsự gần đúngvề lực
khôngđổi, độ biến thiên thànhphần vuônggóc của hạt alphakhiđó bằng FDt.Định
luật Coulomb cho phát biểu lựctỉ lệ với Z/r
2
. Mặc dù r thật sự thay đổi một chút
trong khoảngthời gian đã chọn, nhưngvẫncó thể xem nó là một số không đổi,vì
chúng ta chỉ tính tỉ số giữa hai kếtquả thí nghiệm. Vì chúng ta lấy gần đúng lực tác
dụngtheo thời gian trong khikhoảngcách không quá lớnso với khoảng cách đến
điểm gần nhất,nên khoảngthời gian Dt phải tỉ lệ với r, và xunglượng ngang
truyền cho hạt alpha,FDt, tỉ lệ với (Z/r
2
)r hay Z/r.Nếu chúng ta sosánh hạt alpha
tán xạ ở cùng góctừ vàng và đồng,thì Dpbằng nhau trong cả hai trường hợp, vàhệ

thức DpaZ/r chochúng ta biết hạt alphabị tán xạ từ đồngở góc đó phải hướng
theo một đườngthẳngnằm gầntrụcchính giữa hơn mộtkhoảng bằng với
Z
vàng
/Z
đồng
. Nếu bạn tưởng tượng “vòng phóng tiêu” là nơi màhạt alphaphải chạm
tới, thì vòng tròn cho thí nghiệm vàng cũng cân xứng như vòng tròn cho thí nghiệm
đồng, nhưng nólớn hơnZ
vàng
/Z
đồng
lần. Nghĩalà, không những bánkính củavòng
tròn lớn hơn chừng ấy, mà chiều dàycủa vòng bên ngoài của lớnhơn theo tỉ lệ với
bán kính của nó, chứ khônggiống như các vòng trong bảngphóngtiêu bình
thường. Khi bạn làmcho hìnhdạngvà quymô của vật lớn hơn theokiểu như chụp
ảnh phóng to, thì diệntíchcủa nó tăng tỉ lệ với bình phươngcủa hệ số phóng đại,
nên diệntích của vòng phóng tiêu trong thí nghiệm vàng tăng lên(Z
vàng
/Z
đồng
)
2
lần.
Vì hạtalpha đượcnhắm hoàntoàn ngẫu nhiên, nên cơ hội cho mộthạt alphachạm
trong vòngtỉ lệ với diện tích của vòng, điều đó chứngminh cho phươngtrình đã
cho ở trên.
Như một ví dụ cho việc sử dụng hiệnđại thí nghiệm tán xạ và phép đo tiết
diện, cólẽ bạn đã từng nghenói tới bằng chứng thựcnghiệmgần đây cho sự tồn tại
của một hạtgọi là quark top. Trongsố 12 hạt hạ nguyêntử hiệnnay được tin là

những thành phần nhỏ nhất củavật chất, 6dạng thuộc mộthọ gọi là quark, khác
với 6dạng kiaở chỗ lực hút mạnhlàm cho các quarkdính chặt vàonhau (Sáu hạt
kia gồm có electroncộng với năm hạt nữa,kì lạ hơn). Chỉ có hailoại quarkđược
tìm thấy vốndĩ tự nhiêntrongvật chất là“quarktop” và “quark down”, chúng là
hạt cấuthànhnên proton và neutron,còn 4hạt kia trên lí thuyết được tiên đoánlà
tồn tại, nên cộnglại có 6 hạt.(Thuật ngữ kì quái “quark” có nguồngốc từ một dòng
trong truyện củaJamesJoyce “Ba quarkcho ngài Mark”).Mãi cho đếngần đây, chỉ
có 5 loại quark được chứng minh là tồn tại qua cácthí nghiệm, và quark thứ sáu,
quark top, chỉ có trên lí thuyết. Không có tiahi vọng nào choviệcphát hiệnquark
top mộtcách trực tiếp, vì nó có tính phóng xạ và chỉ tồn tại trongmột phần vô cùng
nhỏ của một giây trước khi bốc hơi. Thay vì vậy, các nhànghiên cứutìmkiếm nó
tại Phòng thínghiệm máy gia tốc quốcgia Fermigần Chicago, Mĩ, đotiết diện tán
xạ của hạt nhân khỏi hạt nhân khác. Thí nghiệmrất giống vớithí nghiệm của
RutherfordvàChadwick,ngoại trừ chỗ hạt nhân tới phải được nâng lên đếntốc độ
cao hơnnhiều trong một máy gia tốc hạt. Va chạm thuđượcvới hạt nhân bia quá
mạnhnên cả hai hạt nhân bị pháhủy hoàn toàn, nhưng, như Einstein chứngminh,
năng lượngcó thể chuyển hóa thành vật chất, và nănglượng của vachạmtạo ra
một chùmhạtphóngxạ, kì lạ, giống như trận mưa mạt gỗ chết người do một quả
đạn pháo gây ra trong một trận đánhthủy kiểu xưa. Trongsố những hạt này có
một số quark top. Tiếtdiện đo đượclà tiết diện cho sự sản sinh những kết hợp
nhất địnhcủa nhữnghạt thứ cấp này.Tuykhác về chi tiết, nhưng nguyên tắc là
giống nhaunhư đã sử dụng hồi đầu thế kỉ:bạn đập thứ gìđó vào nhauvà xemcác
mảnhvỡ bay ra để nhìn thấycái bêntrongchúng. Phươngpháp đó có thể sánh
như dùng súng trườngbắn vào cái đồng hồ và rồi nghiên cứu các mảnh vỡ bay ra
để tìm hiểu xemđồng hồ hoạt động như thế nào.
Câu hỏi thảo luận
A. Biểu đồ ở trên, biểu diễn các hạt alphabị hạt nhân vàng làm lệch đi,được
vẽ với giả định rằng các hạt alphađến theo những đường thẳng nằm ở những
khoảng cách khác nhau tính từ hạt nhân. Tại sao chúngkhôngđếndọc theo cùng
một đường thẳng,vì chúng đềucùng đi ra từ cùng một ống?

B. Tạisao phải hiểu, như chỉ rõtronghình, rằngcác quỹ đạo tán xạ cắt nhau
góc 19
o
và 20
o
?
C. Rutherford đã biết vận tốc của hạt alphado radiumphát ra,vàdự đoán
phần tíchđiệndương củanguyên tử vàngcó điệntích khoảng+100e (ngàynay
chúng ta biết là +79e).Xétthực tế là một số hạt alphabị lệch 180
o
, làmthế nào khi
đó ông có thể sử dụng sự bảotoàn năng lượng để thu đượcmột giới hạn trên cho
kíchthước củahạt nhân vàng? (Để đơn giản, giả sử kích thước của hạt alphalà
khôngđáng kể so với hạt nhân vàng, và bỏ qua thựctế là hạt nhân vàng giật lùi
một chútdo vachạm, lấy thêmmộtít động năng).