AP Chemistry

hạt nhân nguyên tử

nucleus

Còn gọi: hạt nhân · atomic nucleus · nuclei · nhân nguyên tử

Hạt nhân nguyên tử là phần trung tâm rất nhỏ và cực kỳ đặc của nguyên tử, mang điện tích dương và chứa proton cùng neutron.

Nguyên tử không phải là một khối vật chất đồng nhất, bởi gần như toàn bộ khối lượng của nó dồn vào một vùng trung tâm nhỏ đến mức khó hình dung, gọi là hạt nhân nguyên tử. Vùng này chứa các hạt prôtôn mang điện dương và các hạt nơtron trung hòa về điện, còn các êlectron thì chuyển động trong khoảng không gian rộng lớn bao quanh. Đường kính nguyên tử vào cỡ $10^{2}$ pm trong khi đường kính hạt nhân chỉ cỡ $10^{-2}$ pm, nghĩa là hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử khoảng mười nghìn lần về chiều dài, do đó phần lớn thể tích nguyên tử thực chất là không gian trống.

Chính từ thực tế đó, kết luận về hạt nhân đã đến từ thí nghiệm bắn phá lá vàng mỏng bằng hạt alpha. Hầu hết các hạt đi xuyên qua gần như không lệch hướng, chứng tỏ vật chất bên trong nguyên tử phân bố rất thưa; ngược lại, một tỉ lệ rất nhỏ lại bị bật ngược trở lại, điều chỉ xảy ra khi chúng va vào một tâm vừa đặc vừa mang điện dương mạnh. Vì vậy mô hình "khối cầu tích điện đều" bị bác bỏ và mô hình hạt nhân ra đời, mà về sau prôtôn và nơtron lần lượt được xác nhận là hai thành phần cấu tạo nên nó.

Trên cơ sở mô hình hạt nhân ấy, hai con số mô tả một hạt nhân là số prôtôn $Z$ và tổng số prôtôn cộng nơtron $A$ , viết gọn thành $^{A}_{Z}\mathrm{X}$ ; trong đó $Z$ quyết định nguyên tố (element) còn hiệu $A-Z$ cho số nơtron. Các nguyên tử cùng $Z$ nhưng khác $A$ là đồng vị (isotope) của nhau, nên chúng giống hệt nhau về tính chất hóa học (chemical properties) mà chỉ khác về khối lượng. Bên cạnh đó, điện tích $+Z$ của hạt nhân chính là nguồn lực hút giữ các êlectron lại; sau khi trừ đi phần bị các êlectron bên trong chắn bớt, nó trở thành điện tích hạt nhân hiệu dụng (effective nuclear charge) — đại lượng giải thích mọi xu hướng tuần hoàn mà đề thi hay hỏi.

Ký hiệu

• $^{A}_{Z}\mathrm{X}$
• $Z$ (số proton), $A$ (số khối), $Z_{\text{eff}}$

Đơn vịBán kính hạt nhân thường đo bằng femtomet ($1\ \text{fm}=10^{-15}\ \text{m}$); điện tích tính theo bội số của $e$

Trực giác: Nếu phóng to nguyên tử bằng sân vận động thì hạt nhân chỉ bằng hạt đậu đặt giữa sân, nhưng hạt đậu đó nặng gần bằng cả sân.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{A} = \htmlClass{fp-1}{Z} + \htmlClass{fp-2}{N}

Dùng khi cần tính số khối của một hạt nhân, hoặc khi đã biết số khối và số proton để suy ra số neutron — hai bước cơ bản khi làm bài tập về đồng vị.

Trong đó

A

Số khối (mass number) — tổng số proton và neutron trong hạt nhân

Z

Số hiệu nguyên tử (atomic number) — số proton, đồng thời là điện tích hạt nhân tính theo đơn vị

e

N

Số neutron trong hạt nhân

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1912Michael FaradayErnest RutherfordGilbert N. Lewis

Tên gọi "nucleus" vốn là tiếng Latin chỉ phần nhân bên trong quả hạch; năm 1844 Michael Faraday dùng nó cho "điểm trung tâm của nguyên tử", còn nghĩa vật lý hiện đại do Ernest Rutherford đề xuất năm 1912 sau các thí nghiệm tán xạ.

Đầu thế kỷ 20, câu hỏi lớn là khối lượng và điện tích dương của nguyên tử nằm ở đâu. Các thí nghiệm bắn hạt vào lá kim loại mỏng cho thấy phần lớn hạt đi xuyên qua, nhưng một số ít lại bật ngược trở lại, điều chỉ giải thích được nếu điện tích dương tập trung trong một vùng cực nhỏ ở giữa. Từ quan sát đó, năm 1912 Rutherford đề xuất nghĩa hiện đại của từ "nucleus". Tuy nhiên giới hóa học không đổi cách nói ngay: đến năm 1916, trong bài báo nổi tiếng "The Atom and the Molecule", Gilbert N. Lewis vẫn mô tả nguyên tử gồm phần nhân và một lớp electron bên ngoài.

Thử nghiệm tương tác

Thêm một neutron rồi thêm một proton — xem cái nào làm đổi tên nguyên tố

Hay hiểu sai

Hạt beta không phải electron bứt ra từ lớp vỏ nguyên tử.

Phương trình hạt nhân phải cân bằng cả số khối lẫn điện tích, không cân bằng nguyên tố.

Chu kì bán rã không thay đổi khi đổi nhiệt độ, nồng độ hay dạng hợp chất.

Điện tích hạt nhân hiệu dụng không bằng số proton trong hạt nhân.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Đồng vị phóng xạ I-131 được dùng trong điều trị bệnh tuyến giáp và được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. I-131 phân rã bằng cách phát ra hạt beta

\left({}_{-1}^{0}e\right)

. Một mẫu I-131 có độ phóng xạ ban đầu là

64\ \text{mCi}

; phép đo cho thấy độ phóng xạ giảm còn

32\ \text{mCi}

sau 8 ngày,

16\ \text{mCi}

sau 16 ngày và

8\ \text{mCi}

sau 24 ngày.

aViết phương trình hạt nhân cân bằng cho sự phân rã của I-131.
bHạt beta phát ra từ hạt nhân có nguồn gốc từ đâu? Giải thích.
cTừ số liệu đã cho, xác định chu kì bán rã và tính độ phóng xạ của mẫu sau 40 ngày.
dNếu mẫu I-131 được chuyển từ dạng ion $\text{I}^-$ trong dung dịch NaI sang dạng phân tử $\text{I}_2$ , tốc độ phân rã có thay đổi không? Giải thích.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Cấu trúc & tính chất nguyên tử” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnguyên tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nguyên tử (atom)atom

Khác nhau ở đâuNguyên tử gồm hạt nhân ở trung tâm và các electron chuyển động xung quanh. Hạt nhân chỉ là phần lõi rất nhỏ, đậm đặc, chứa proton và neutron.

Hay nhầm khiđề hỏi về cấu tạo nguyên tử nhưng thí sinh chỉ mô tả hạt nhân mà quên mất lớp vỏ electron

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 97–99.

1Bước 1: Trước hết cần đọc đúng thành phần hạt nhân từ kí hiệu đồng vị. Iodine nằm ở ô số 53 trong bảng tuần hoàn nên số hiệu nguyên tử là

Z = 53

, còn số khối (mass number) ghi trong tên gọi I-131 cho

A = 131

. Do đó hạt nhân này chứa 53 proton và

131 - 53 = 78

neutron.

2Bước 2: Một phương trình hạt nhân cân bằng (balanced nuclear equation) phải bảo toàn đồng thời tổng số khối và tổng điện tích ở hai vế. Hạt beta có

A = 0

và điện tích

-1

, nên hạt nhân con giữ nguyên

A = 131

nhưng có

Z = 53 - (-1) = 54

, tức là xenon:

^{131}_{53}\text{I} \rightarrow\ ^{131}_{54}\text{Xe} +\ ^{0}_{-1}e

Kiểm tra lại: số khối

131 = 131 + 0

và điện tích

53 = 54 + (-1)

, vậy phương trình đã cân bằng.

3Bước 3: Câu hỏi về nguồn gốc hạt beta là chỗ thí sinh hay mất điểm vì trả lời rằng electron bị bứt ra từ lớp electron ngoài cùng. Thực ra electron của lớp vỏ không liên quan gì ở đây: hạt beta sinh ra ngay bên trong hạt nhân, khi một neutron biến thành một proton kèm theo một electron được phóng ra:

^{1}_{0}n \rightarrow\ ^{1}_{1}p +\ ^{0}_{-1}e

Nhờ vậy số proton tăng một đơn vị (53 thành 54) trong khi tổng số hạt trong hạt nhân không đổi, đúng như phương trình ở Bước 2.

4Bước 4: Chu kì bán rã (half-life) là khoảng thời gian để độ phóng xạ giảm còn một nửa. Số liệu cho thấy

64 \rightarrow 32

mất 8 ngày,

32 \rightarrow 16

mất thêm 8 ngày và

16 \rightarrow 8

cũng mất 8 ngày, nghĩa là khoảng thời gian này không đổi. Vậy

t_{1/2} = 8

ngày, đúng với đặc trưng của phân rã bậc một.

5Bước 5: Với

t = 40

ngày, số chu kì bán rã đã trôi qua là

40/8 = 5

. Áp dụng

A = A_0\left(\tfrac{1}{2}\right)^{t/t_{1/2}}

ta được:

A = 64 \times \left(\tfrac{1}{2}\right)^{5} = \frac{64}{32} = 2{,}0\ \text{mCi}

Tức là sau 40 ngày mẫu chỉ còn độ phóng xạ

2{,}0\ \text{mCi}

6Bước 6: Cuối cùng, tốc độ phân rã không hề thay đổi khi

\text{I}^-

chuyển thành

\text{I}_2

. Liên kết hóa học chỉ động chạm tới các electron ngoài cùng, mà năng lượng của những electron này nhỏ hơn năng lượng bên trong hạt nhân hàng triệu lần. Vì vậy hạt nhân gần như hoàn toàn không cảm nhận được môi trường hóa học quanh nó, và

t_{1/2}

vẫn là 8 ngày.

2Ví dụ 2/2

Trong thí nghiệm nổi tiếng của Rutherford, một chùm hạt alpha

\left({}_{2}^{4}\text{He}^{2+}\right)

được bắn vào lá vàng mỏng. Hầu hết các hạt xuyên qua lá vàng mà gần như không đổi hướng, nhưng một tỉ lệ rất nhỏ bị lệch những góc rất lớn, thậm chí bật ngược trở lại. Biết đường kính nguyên tử vàng khoảng

270\ \text{pm}

và đường kính hạt nhân vàng khoảng

1{,}0 \times 10^{-2}\ \text{pm}

; vàng có

Z = 79

aGiải thích hai quan sát trên dựa vào mô hình nguyên tử có hạt nhân.
bTính tỉ lệ thể tích hạt nhân so với thể tích nguyên tử vàng, coi cả hai đều là hình cầu.
cDự đoán và giải thích sự thay đổi kết quả nếu thay lá vàng bằng lá nhôm ( $Z = 13$ ) có cùng bề dày.

1Bước 1: Việc phần lớn hạt alpha đi thẳng cho thấy nguyên tử hầu như là không gian trống: các electron có khối lượng quá nhỏ nên không đủ sức làm lệch một hạt nặng và mang điện tích

2+

. Ngược lại, một số ít hạt bị bật lại chứng tỏ trong nguyên tử phải tồn tại một vùng cực nhỏ, mang điện tích dương rất lớn và tập trung gần như toàn bộ khối lượng. Vùng đó chính là hạt nhân, và chỉ những hạt alpha nào tình cờ lao thẳng vào nó mới bị đẩy mạnh.

2Bước 2: Vì thể tích hình cầu tỉ lệ với lập phương đường kính, ta lấy tỉ số đường kính rồi lập phương:

\frac{d_{\text{nuc}}}{d_{\text{atom}}} = \frac{1{,}0 \times 10^{-2}}{270} = 3{,}7 \times 10^{-5}

Con số này nói rằng hạt nhân hẹp hơn nguyên tử khoảng 27 000 lần theo mỗi chiều.

3Bước 3: Lập phương tỉ số vừa tìm được để chuyển sang tỉ lệ thể tích:

\frac{V_{\text{nuc}}}{V_{\text{atom}}} = \left(3{,}7 \times 10^{-5}\right)^{3} = 5{,}1 \times 10^{-14}

Nghĩa là hạt nhân chỉ chiếm khoảng năm phần trăm nghìn tỉ thể tích nguyên tử, dù nó nắm giữ hơn 99,9% khối lượng.

4Bước 4: Có thể kiểm chứng kết quả bằng xác suất va chạm, vì cái mà chùm hạt "nhìn thấy" là tiết diện ngang chứ không phải thể tích. Tỉ lệ diện tích là

\left(3{,}7 \times 10^{-5}\right)^{2} = 1{,}4 \times 10^{-9}

, tức chỉ chừng một trên một tỉ hạt alpha có cơ hội đến rất gần hạt nhân. Con số ấy giải thích trọn vẹn vì sao hiện tượng tán xạ (scattering) góc lớn lại hiếm đến vậy.

5Bước 5: Với lá nhôm, độ lệch sẽ nhỏ hơn rõ rệt. Lực đẩy Coulomb giữa hạt alpha và hạt nhân tuân theo

F \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}

, trong đó

q_2

tỉ lệ với

Z

của hạt nhân bia. Do

Z

giảm từ 79 xuống 13, ở cùng khoảng cách

r

lực đẩy chỉ còn khoảng

13/79 \approx 0{,}16

lần giá trị cũ, nên số hạt bật ngược lại giảm mạnh.

Kết quả thí nghiệm chỉ có thể giải thích nếu nguyên tử vàng gồm một hạt nhân cực nhỏ, mang điện tích dương lớn và chứa hầu hết khối lượng, nằm giữa một vùng không gian gần như trống rỗng của các electron. Phép tính xác nhận điều đó: hạt nhân chiếm khoảng $5{,}1 \times 10^{-14}$ thể tích nguyên tử, ứng với xác suất va chạm cỡ một phần tỉ. Thay vàng bằng nhôm sẽ làm lực đẩy yếu đi vì điện tích hạt nhân nhỏ hơn nhiều, nên các hạt alpha bị lệch ít hơn hẳn.