Cấu trúc hạt nhân

Cần nhớ

• ✦Hạt nhân cấu tạo từ proton và neutron (nucleon). Nguyên tử trung hoà có số electron ở vỏ bằng Z.
• ✦Kí hiệu ${}_Z^A\text{X}$: Z (dưới) là số proton, A (trên) là số khối = Z + N. Từ đó N = A − Z.
• ✦Số proton Z quyết định hạt nhân thuộc nguyên tố nào: Z = 6 luôn là carbon, Z = 92 luôn là uranium.
• ✦Khối lượng nguyên tử đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử u: 1 u = $\frac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử ¹²C ≈ 1,66·10⁻²⁷ kg ≈ 931,5 MeV/c².

Cần nhớ

• ✦Đồng vị: các hạt nhân có cùng Z nhưng khác N (do đó khác A). Chúng là cùng một nguyên tố, tính chất hoá học giống nhau.
• ✦Cùng A mà khác Z (như ¹⁴C và ¹⁴N) thì không phải đồng vị: đó là hai nguyên tố khác nhau.
• ✦Một nguyên tố thường có nhiều đồng vị: hydrogen có ¹H, ²H (đơteri), ³H (triti); carbon có ¹²C, ¹³C, ¹⁴C.
• ✦Khối lượng nguyên tử trung bình ghi trong bảng tuần hoàn là trung bình theo tỉ lệ các đồng vị trong tự nhiên, nên thường không phải số nguyên.

Cần nhớ

• ✦Bán kính hạt nhân (gần đúng): R ≈ 1,2·A^(13) fm, với 1 fm = 10⁻¹⁵ m. Hạt nhân cỡ vài fm; nguyên tử cỡ 10⁻¹⁰ m, lớn hơn hạt nhân cỡ 10⁵ lần.
• ✦Thể tích hạt nhân tỉ lệ với A (R³ ∝ A) nên mật độ mọi hạt nhân gần như bằng nhau, cỡ 10¹⁷ kg/m³: 1 cm³ vật chất hạt nhân nặng cỡ 10⁸ tấn.
• ✦Hạt nhân chứa hơn 99,9 % khối lượng nguyên tử nhưng chỉ chiếm phần cực nhỏ thể tích: nguyên tử gần như là khoảng trống.
• ✦Lực hạt nhân là lực hút rất mạnh giữa các nucleon, tầm ngắn (cỡ 10⁻¹⁵ m, ngoài khoảng đó gần như biến mất). Nó thắng lực đẩy tĩnh điện giữa các proton nên hạt nhân không bị vỡ.

Cần nhớ

• ✦Thí nghiệm: bắn chùm hạt α (mang điện dương) vào một lá vàng rất mỏng, đếm số hạt α bị lệch theo từng góc.
• ✦Kết quả: hầu hết hạt α đi thẳng qua lá vàng; một số rất ít bị lệch mạnh, vài hạt thậm chí bật ngược (góc lệch hơn 90°).
• ✦Giải thích: nguyên tử gần như rỗng; điện tích dương và hầu hết khối lượng dồn vào một hạt nhân rất nhỏ ở giữa. Hạt α chỉ bị đẩy mạnh khi đi sát hạt nhân (lực đẩy tĩnh điện cùng dấu).
• ✦Mô hình "bánh nho" của Thomson (điện tích dương trải đều) không giải thích được hạt α bị lệch mạnh.

Cần nhớ

• ✦Hạt nhân nhẹ bền có số neutron xấp xỉ số proton (N ≈ Z): ⁴He, ¹²C, ¹⁶O.
• ✦Hạt nhân càng nặng càng cần nhiều neutron hơn proton để "bù" lực đẩy điện giữa nhiều proton: tỉ số N/Z tăng dần từ 1 đến cỡ 1,5.
• ✦Các hạt nhân bền nằm gần một vùng hẹp trên đồ thị N theo Z, gọi là dải bền. Quá nhiều neutron hoặc quá nhiều proton so với dải này thì hạt nhân không bền (phóng xạ, bài 23).
• ✦Mọi hạt nhân có Z > 83 đều không bền, dù nằm gần dải bền.

• ✦🏺 Định tuổi bằng carbon-14: ¹⁴C là đồng vị phóng xạ của carbon, có trong cơ thể sinh vật; đo lượng ¹⁴C còn lại để biết cổ vật hữu cơ bao nhiêu tuổi — bài 23.
• ✦☢️ Nhà máy điện hạt nhân dùng uranium: ²³⁵U phân hạch được còn ²³⁸U (cùng Z, nhiều hơn 3 neutron) thì khó — hai đồng vị, hai tính chất hạt nhân khác nhau — bài 22, 24.
• ✦🧂 Nước nặng D₂O chứa đồng vị ²H của hydrogen: hoá học gần giống nước thường nhưng nặng hơn, dùng trong một số lò phản ứng.
• ✦🌌 Nguyên tử gần như rỗng: nếu hạt nhân to bằng hạt đậu thì nguyên tử rộng cỡ vài trăm mét; vì thế phần lớn chùm hạt α đi xuyên qua lá vàng.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

• ✦1 fm = 10⁻¹⁵ m; 1 u ≈ 1,66·10⁻²⁷ kg ≈ 931,5 MeV/c². Hạt nhân có A nucleon nặng xấp xỉ A u.
• ✦Bán kính hạt nhân cỡ 1–7 fm; nguyên tử cỡ 10⁵ fm (10⁻¹⁰ m). Ra R cỡ mét hay micrômét là sai đơn vị.
• ✦Khối lượng riêng hạt nhân cỡ 10¹⁷ kg/m³, lớn hơn vật thường (10³ kg/m³) cỡ 10¹⁴ lần.
• ✦Z, N, A đều là số nguyên không âm; A ≥ Z, và A ≥ 1.