Bài giảng Điện học (Phần 10) pot

Bài giảng Điện học
(Phần 10)
2.4 Cấu trúc của hạt nhân
Proton
Thựctế điện tích hạt nhânđều là bội số nguyên củae khiếnnhiềunhà vậtlí
nghĩ rằng hạtnhân cólẽ gồm những hạt nhỏ hơn có điện tích riêng là+e, chứ
khôngphải là một chất điểm.Bằng chứngủng hộ cho ý tưởngnày xuất hiện không
bao lâusau đó. Rutherfordgiải thíchnếu ôngbắn phácác nguyên tử của một
nguyêntố rấtnhẹ bằng hạt alpha,thì điện tích nhỏ củahạt nhânbia sẽ manglại lực
đẩy rất yếu. Cólẽ một vài hạt alpha đó sẽ đến va chạmtrực diện, tiến gần đếnnỗi
chúng xâm nhập thậtsự vào một số hạt nhânbia. Hạt alpha chính là một hạt nhân,
nên đây sẽ là vachạmgiữa haihạt nhân, và sự va chạm diễnra dữ dội do tốc độ
cao. Rutherfordđã đàotrúng mỏ vàng trongmột thínghiệmvới hạt alphađập vào
bia chứa các nguyêntử nitrogen. Cáchạt tích điện được pháthiện bayra khỏi bia
giống như các phần bayrakhỏi chiếc xe hơi trong một vụ tai nạn vachạm tốc độ
cao. Phép đo sự lệch của những hạt này trong điện trường và từ trườngcho thấy
chúng có cùngtỉ số điện tíchtrênkhối lượng như các nguyên tử hydrogenbị ion
hóa một lần. Rutherfordkếtluận rằng có những hạt tích điện riêngphỏng đoán đã
giữ điện tích của hạt nhân, và saunày chúng được đặt tênlà proton. Hạtnhân
hydrogen gồm một proton, và nói chung, số nguyêntử của một nguyên tố cho biết
số proton chứa trong từng hạt nhân của nó.Khối lượng của protonlớn hơnkhối
lượng của electron khoảng 1800lần.
Neutron
Sẽ thật đẹp và đơn giản nếunhư mọi hạt nhân đều có thể cấu thànhchỉ từ
các proton, nhưngkhôngphải như vậy. Nếu bạn chịu mấtchút ít thời gianquan sát
bảngtuầnhoàn hóa học, bạnsẽ sớm lưuý thấy mặcdù một số khối lượng nguyên
tử rất gần với bội số nguyêncủa khối lượng nguyên tử hydrogen,nhưng nhiều
nguyêntử khác thìkhông như vậy.Ngay cả khi khối lượng nguyêntử gần với số
nguyênnhất,thì khối lượngcủa một nguyên tố ngoài hydrogenluôn lớnhơn số
nguyêntử của nó, chứ không bằng số nguyêntử. Chẳng hạn, nguyên tử helium có
hai proton, nhưngkhối lượngcủa nó gấp 4 lầnkhối lượng nguyêntử hydrogen.

Chadwick làm sáng tỏ tình trạng lộnxộn bằng cách chứng minhsự tồn tại
của một hạthạ nguyêntử mới. Không giốngnhư electron và protonlà những hạt
mang điện, hạtnày trunghòavề điện, và ôngđặt têncho nó là neutron.Thí nghiệm
của Chadwickđược môtả chi tiết trongchương4, quyển 2 củaloạt bài giảngnày,
nhưng nói chungphươngpháp đó là phơi mộtmẫunguyêntố nhẹ berylliumtrước
dònghạt alphaphátra từ một cục radium.Beryllium chỉ có 4 proton,nên một hạt
alpha tình cờ nhắm thẳngtới một hạtnhân beryllium có thể thật sự va chạm với nó
chứ không bị lực đẩy điện đẩy lệch sang va chạm bên. Các neutronđược quansát
thấydưới dạngmột dạng bức xạ mới phát ratừ va chạm, vàChadwick suyluận
đúngđắn rằngchúng là nhữngthànhphần không còn nghingờ gì nữa của hạt nhân
đã bị khám phá ra.Như đã mô tả trong cuốn Các định luật bảo toàn, Chadwickcũng
đã xác định được khối lượng củaneutron, nó rất gần với khối lượng của proton.
Tóm lại, nguyên tử cấu thành từ ba loại hạt sau:
m/ Ví dụ cấu trúc của nguyên tử hydrogen (hình trên) và helium (hình dưới).
Ở kích cỡ này, quỹ đạo của electron sẽ có kích thước cỡ sân trường.
Sự tồn tại củaneutron giải thích khối lượngbí ẩncủa cácnguyêntố. Chẳng
hạn, heliumcókhốilượng rất gần với bốnlần khối lượng hydrogen.Đấylà do
ngoài haiproton của nó ra, nó còn chứa thêm hai neutron. Khối lượngcủamột
nguyêntử về cơ bản được xác định bằng tổng số neutron và proton.Tổng số
neutron và protondo đó thườngđượcgọi làsố khối của nguyên tử.
Đồng vị
Bây giờ chúngta đã có cáchhiểu rõràng củathực tế là heliumnặng gần gấp
bốn lần hydrogen, và tươngtự cho tất cả số nguyên tử gần với mộtbội số nguyên
lần khốilượng của hydrogen.Nhưng chẳng hạn còn đồng thì sao, nó có khối lượng
nguyêntử gấp 63,5 lầnhydrogen ? Rõràng không thể nào nghĩ rằng có nó thêm
một nửa neutronnữa! Lời giải đượctìm rabằng cáchđo tỉ số khối lượng trên điện
tích của các nguyên tử bị ionhóabậc một(các nguyên tử mất đi một electron).Kĩ
thuật về cơ bản giống như kĩ thuật mà Thomson sử dụngcho tia catôt, ngoại trừ ở
chỗ toàn bộ các nguyên tử khôngtự phát bứt ra khỏi bề mặt vật như các electron
thỉnhthoảng vẫn làm. Hình ocho mộtví dụ các ion được tạo ravà bơm vào giữa

hai bản tích điện như thế nào để gia tốc.
o/ Một mẫu thiết bị Thomsoncải tiến dùng đotỉ số khối lượng trênđiện tích
của cácion chứ khôngphảielectron. Mộtmẫu nhỏ của nguyên tố đang nghivấn,
trong ví dụ của chúng ta là đồng,được đunsôi trong lò để tạo ramột lớp hơi mỏng.
(Mộtống chân không liên tụchút lên buồng chính,giữ nó khỏi bị tích góp đủ chất
khí làmdừngchùm ion).Một số nguyên tử hơi bị ion hóa bởi tia lửa điện hoặc tia
cực tím.Các ion đi rakhỏi miệngvòi và đi vào vùng giữacácbản tích điện khi đó
được gia tốc hướng lênphía trêncủa hình.Như trong thí nghiệm Thomson, tỉ số
khối lượngtrên điện tích đượcsuy ra từ độ lệch của chùmtia.
Bơm một chùm ionđồng vào dụng cụ đó, chúngta tìmthấy mộtđiều thật
ngạc nhiên – chùmtia bị tách ra làm haiphần ! Cácnhà hóa họcvốnđã nâng cao
đức tinvào sự giả địnhrằngmọi nguyên tử của một nguyên tố cho trước làđồng
nhất,nhưng chúng ta tìmthấy 69%nguyêntử đồng có mộtkhối lượng, và 31%lại
có khối lượngkhác. Khôngnhững thế, cả hai khốilượng đều rất gầnvới bội số
nguyêncủa khối lượnghydrogen (lần lượtlà 63 và 65). Đồng có được sự đồng
nhất hóa tínhcủa nó từ số proton trong hạt nhân của nó, 29,vì các phản ứng hóa
học hoạt động bằng lựcđiện. Nhưngrõ rànglà mộtsố nguyên tử đồng có 63– 29 =
34 neutron,trong khimột số khác có 65– 29= 36 neutron. Số nguyên tử của đồng
- 63,5 –phản ánh tỉ lệ củaloại khối lượng 63và loại khối lượng 65.Các trạng thái
khối lượng khác nhau củamột nguyên tố cho trước đượcgọi là đồngvị của nguyên
tố đó.
Các đồng vị có thể được gọi tên bằngcách thêm số khối vào góc trên bêntrái
của kíhiệu nguyên tố, ví dụ
65
Cu. Ví dụ:
Tại sao điện tích dương và điện tích âm của các bản gia tốc trong thiết bị tách
đồng vị lại đảo ngược so với thiết bị Thomson ?
Các phản ứnghóa học đều là sự traođổi hoặc chiasẻ electron:hạt nhân phải
ngồi ngoài tròkhiêu vũ này vì lực đẩy điệnngăn cảnchúngtiến tới đủ gần để tiếp
xúc với nhau.Mặc dù proton thật sự có ảnh hưởngvô cùng quan trọng lên quá

trìnhhóa học vì lực điện củachúng, nhưng neutroncó thể không có ảnhhưởng
nào lên phản ứnghóa học của nguyên tử. Chẳng hạn,không thể nào tách
63
Cu ra
khỏi
65
Cu bằng phản ứng hóahọc. Đây là lí do tại saocác nhà hóa họcchưa baogiờ
nhậnra sự tồn tại của các đồngvị khác nhau.(Những đồng vị khác nhau,chính xác
hoàn toàn phải xử sự hơi khác nhau,vì các nguyêntử càngnặng thìchuyển động
càng chậm, và do đó phản ứng hơikhác nhaumộtchút về cường độ. Sự khác biệt
rất nhỏ này được sử dụng, chẳng hạn, để tách những đồng vị uraniumcầnthiết cho
chế tạo bomnguyên tử.Tínhnhỏ yếucủa hiệu ứngnày khiếnchoquá trìnhtáchlà
một quátrình chậm chạp và khó khăn, đó là điều chúng ta phải cảm ơn vìnhờ thế
mà vũ khí hạt nhân không được chế tạo bởi từng nhómbăng đảng khủngbố trên
hành tinh).
Kích thước và hình dạng của hạt nhân
Vật chất hầu như đều là hạt nhân nếu chúng ta đếm chúngbằng trọnglượng,
nhưng tính theo thể tích thì hạt nhânkhôngnhiều như thế. Bán kính củamột
neutron hoặcproton rất gần với1 fm (1 fm = 10
-15
m), cho nên dù là một hạt nhân
chì lớn với số khối 208vẫn có đườngkính chỉ khoảng 13fm, nhỏ hơn mười ngàn
lần đườngkínhcủa một nguyên tử điển hình. Tráivới hình tượng quenthuộccủa
hạt nhân là một quả cầu nhỏ, hóa ra thì nhiều hạt nhân lạicó dạngthon dài, giống
như quả bóngbầu dục Mĩ,và mộtsố thì cóhình dạng không đối xứng một cách kì
lạ giống như quả lê, hay con kiwi.
Câu hỏi thảo luận
A. Giả sử toàn bộ vũ trụ là một chiếc hộp ngũ cốc (rất lớn),và nhãn hànghóa
được giả sử là cho khách hàngthần thánh biết là bao nhiêu phần trăm bên trong
hàng hóa làhạt nhân. Như vậy, đại khái thì sẽ có bao nhiêu phần trăm hạtnhân

nếu dán nhãn theo khối lượng ?Còn khi dán nhãntheo thể tích thì sao ?
p/ Nhà máy điện hạt nhân tạiCattenom,Pháp.Khônggiống như các nhà máy
chạy thanvà dầu lửa cungcấp đa phần nguồn điệncho nướcMĩ, một nhà máy điện
hạt nhânnhư thế này không giải phóng chất độchay các khí nhàkínhvào bầu khí
quyển của Trái Đất, và dođó không góp phầnvào sự ấm lên toàn cầu.Khói trắng
thoát ratừ nhà máynày là hơi nướckhôngphóngxạ. Mặcdù nhà máy điện hạt
nhânlàm phátsinh chất thải hạt nhân có thời giansống lâu dài, nhưng người ta
cho rằng chất thải đó ít gây đe dọa cho sinhquyển hơncác khí nhà kính.