Giải chi tiết Vật lí 12 KNTT bài 21: Cấu trúc hạt nhân

KHỞI ĐỘNG

Kích thước nguyên tử nhỏ tới mức kính hiển vi quang học hiện đại nhất cũng không thể giúp chúng ta quan sát rõ. Hạt nhân có kích thước còn nhỏ hơn rất nhiều ( khoảng 0,0001 lần) so với nguyên tử. Các nhà khoa học đã làm thế nào để phát hiện ra điều đó?

Bài làm chi tiết:

- Thí nghiệm Geiger-Marsden (1919):

Thí nghiệm: Bắn phá một lá vàng mỏng bằng chùm hạt alpha (α) có năng lượng cao.

Kết quả: Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị ảnh hưởng, nhưng một số ít bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

Giải thích: Hạt alpha có kích thước tương đối lớn so với hạt nhân nguyên tử. Khi va chạm với hạt nhân, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

- Thí nghiệm Rutherford (1911):

Thí nghiệm: Sử dụng thí nghiệm Geiger-Marsden và phân tích quỹ đạo của các hạt alpha bị lệch hướng.

Kết quả: Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ và tập trung tại trung tâm nguyên tử.

Giải thích: Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị ảnh hưởng vì phần lớn nguyên tử là không gian trống. Khi va chạm với hạt nhân, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại do lực đẩy Coulomb giữa hai hạt mang điện dương.

I. THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA

Hoạt động 1: Dựa vào kết quả thí nghiệm tán xạ hạt  để trả lời các câu hỏi sau:

a) Tần suất đốm sáng xuất hiện khi kính hiển vi ở vị trí (1) (vị trí đối diện với nguồn phát tia  – Hình 21.2 b) là lớn nhất chứng tỏ điều gì.

b) Tại sao có một số hạt  đổi hướng chuyển động khi đi qua lá vàng?

c) Số hạt  không đi qua lá vàng mà bật lại tới vị trí (2) với tần suất chỉ bằng 

10^-4 lần tần suất hạt  đi qua lá vàng tới vị trí (1) chứng tỏ điều gì?

Bài làm chi tiết:

a) Tần suất đốm sáng xuất hiện tại vị trí (1) lớn nhất chứng tỏ: hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng. Điều này xảy ra vì phần lớn nguyên tử là không gian trống, do đó các hạt alpha có thể đi qua lá vàng mà không gặp bất kì trở ngại nào.

b) Một số hạt  đổi hướng chuyển động khi đi qua lá vàng vì va chạm với hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử, nhưng lại tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử. Khi hạt alpha va chạm với hạt nhân, do tương tác điện tích dương, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược.

c) Số hạt  không đi qua lá vàng mà bật lại tới vị trí (2) với tần suất chỉ bằng 

10^-4 lần tần suất hạt  đi qua lá vàng tới vị trí (1) chứng tỏ: hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ. Khi hạt alpha va chạm với hạt nhân, do tương tác điện tích dương, một số ít hat alpha có thể bị phản xạ ngược lại.

Hoạt động 2: Dựa trên thí nghiệm tán xạ hạt , Rutherford đề xuất một mô hình hành tinh nguyên tử (Hình 21.5 a).

a) Mô tả mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford.

b) Giải thích mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford dựa vào các câu trả lời ở ý 1.

Bài làm chi tiết:

a) Mô tả mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford:

- Hạt nhân: nằm ở trung tâm nguyên tử, mang điện tích dương và tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử.

- Electron: chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo tròn, giống như các hành tinh quay quanh mặt trời.

- Kích thước: hạt nhân có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử.

- Lực hút: Lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân mang điện tích dương và electron mang điện tích âm giữ cho nguyên tử bền vững.

b) Giải thích mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford ta dựa vào kết quả thí nghiệm tán xạ hạt :

- Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.

- Một số ít hạt alpha bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

Vì: - Phần lớn nguyên tử là không gian trống, do đó các hạt alpha có thể đi qua lá vàng mà không gặp bất kỳ trở ngại nào.

- Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử, nhưng lại tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử. Khi hạt alpha va chạm với hạt nhân, do tương tác điện tích dương, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.

Mô hình hành tinh nguyên tử:

- Giải thích được kết quả thí nghiệm tán xạ alpha.

- Mô tả cấu trúc nguyên tử với hạt nhân ở trung tâm và electron chuyển động xung quanh.

II. NUCLEON VÀ KÍ HIỆU HẠT NHÂN

1. Nucleon

Câu hỏi 1: Xác định khối lượng của proton và neutron theo đơn vị amu.

Bài làm chi tiết:

Khối lượng của proton là:  

Khối lượn của neutron là:

Câu hỏi 2: Công thức 21.1 cho kết quả tốt hơn với A>12. Nghiệm lại sự chính xác của công thức này cho các hạt nhân trong Bảng 21.1

Bài làm chi tiết:

Công thức (21.1):

Công thức trên chỉ là một công thức xấp xỉ. Công thức này không tính đến các hiệu ứng như năng lượng liên kết hạt hân, cấu trúc vỏ hạt nhân…Các hiệu ứng này ảnh hưởng nhiều hơn đến các hạt nhân có số khối A nhỏ.

2. Kí hiệu hạt nhân

Câu hỏi 1: Trong kí hiệu hạt nhân, đại lượng N= A – Z cho biết số lượng của loại hạt nào trong hạt nhân? Vì sao?

Bài làm chi tiết:

N là số lượng neutron. Vì A là số khối, đại diện cho số proton và neutron trong hạt nhân. Z là số hiệu nguyên tử, đại diện cho số lượng proton trong hạt nhân.

Câu hỏi 2: Bằng cách nào có thể tìm được số Z và số N của hạt nhân có kí hiệu dạng ^AX ?

Bài làm chi tiết:

Tìm được số Z và số N của hạt nhân có kí hiệu dạng ^AX ta dựa vào số khối A và số hiệu nguyên tử Z:

- Số khối (A): tổng số proton và neutron trong hạt nhân.

- Số hiệu nguyên tử (Z): số lượng proton trong hạt nhân.

- Số neutron (N): N = A - Z

Còn có thể dựa vào bảng tuần hoàn: mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn được xác định bởi số hiệu nguyên tử Z. Số proton (Z) của hạt nhân bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Từ đó có thể tìm được số N.

Câu hỏi 3: Viết kí hiệu hạt nhân vàng (Au), helium (He) và nitrogen (N) , biết rằng số lượng nucleon của các hạt nhân này lần lượt là 197, 4 và 14

Bài làm chi tiết:

Viết kí hiệu hạt nhân vàng (Au), helium (He) và nitrogen (N) :

Vàng: số lượng nucleon (A) = 197, số hiệu nguyên tử (Z) = 79 (tra bảng tuần hoàn). Kí hiệu hạt nhân: .

Helium: số lượng nucleon (A) = 4, số hiệu nguyên tử (Z) = 2( tra bảng tuần hoàn)  Kí hiệu hạt nhân:

Nitrogen (N): số lượng nucleon (A) = 14, số hiệu nguyên tử (Z) = 7 (tra bảng tuần hoàn). Kí hiệu hạt nhân:

3. Đồng vị

Câu hỏi: Giải thích tại sao các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng khối lượng riêng vẫn có thể khác nhau.

Bài làm chi tiết:

Các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng khối lượng riêng vẫn có thể khác nhau bởi vì:

- Cấu trúc tinh thể: các nguyên tố có thể tồn tại ở dạng tinh thể khác nhau, dẫn đến mật độ khác nhau.

- Nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử trong chất chuyển động mạnh hơn, làm tăng khoảng cách giữa các nguyên tử, dẫn đến giảm mật độ và khối lượng riêng.

- Áp suất: áp suất cao làm giảm khoảng cách giữa các nguyên tử, dẫn đến tăng mật độ và khối lượng riêng.

- Đồng vị: các nguyên tố có thể có đồng vị, là các nguyên tử cùng số hiệu nguyên tử nhưng có số neutron khác nhau.

Em có thể: 

- Giải thích được thế giới vật chất vĩ mô đa dạng quanh ta đều được tạo thành bởi các hạt proton, neutron và electron.

- Đánh giá được kích thước của hạt nhân từ thí nghiệm tán xạ hạt 

Bài làm chi tiết:

- Thế giới vật chất vĩ mô đa dạng quanh ta đều được tạo thành bởi các hạt proton, neutron và electron được giải thích như sau:

 Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử là đơn vị cấu tạo nên vật chất, bao gồm hạt nhân và các electron quay xung quanh. Hạt nhân nguyên tử bao gồm proton và neutron. Electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương, neutron không mang điện. Số lượng proton trong hạt nhân được gọi là số hiệu nguyên tử (Z), xác định nguyên tố. Số lượng neutron (N) có thể thay đổi, tạo ra các đồng vị của cùng một nguyên tố.

 Liên kết hóa học: Các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học để tạo thành phân tử và vật chất. Có 3 loại liên kết hóa học chính: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị và liên kết kim loại. Loại liên kết hóa học phụ thuộc vào cấu hình electron của các nguyên tử tham gia liên kết.

Đa dạng vật chất: Sự đa dạng của vật chất vĩ mô được giải thích bởi sự kết hợp của các nguyên tố khác nhau, số lượng nguyên tử trong phân tử và loại liên kết hóa học.

Ví dụ:  Nước (H2O) là phân tử đơn giản, chỉ gồm 2 nguyên tố H và O, liên kết cộng hóa trị. Kim cương (C) là mạng tinh thể khổng lồ gồm các nguyên tử C liên kết cộng hóa trị. Muối ăn (NaCl) là hợp chất ion gồm các ion Na+ và Cl-.

- Đánh giá được kích thước của hạt nhân từ thí nghiệm tán xạ hạt Rutherford:

Thí nghiệm:

+ Thí nghiệm tán xạ hạt Rutherford (1911) bắn phá lá vàng mỏng bằng hạt alpha (α), là hạt nhân heli (He^2+).

+ Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.

+ Một số ít hạt alpha bị lệch hướng mạnh, thậm chí quay ngược lại.

Giải thích: Hạt alpha có kích thước nhỏ và mang điện tích dương.  Khi hạt alpha đi qua lá vàng, nó tương tác với điện trường của hạt nhân nguyên tử. Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng vì hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với kích thước nguyên tử. Một số ít hạt alpha bị lệch hướng mạnh hoặc quay ngược lại khi đi qua gần hạt nhân, chứng tỏ hạt nhân có điện tích dương tập trung rất mạnh.