Hạt nhân nguyên tử có cấu tạo như thế nào?

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Cấu tạo Hạt nhân nguyên tử.

• Cấu tạo hạt nhân: Nguyên tử bao gồm lớp vỏ electron (e) mang điện tích âm và hạt nhân mang điện tích dương. Hạt nhân cấu tạo từ các nuclôn gồm hai loại hạt: prôtôn (p) mang điện tích nguyên tố +le và nơtrôn (n) không mang điện.

+) Kích thước hạt nhân cỡ 10^-15 m (cỡ fecmi (fm)) (<< kích

thước nguyên tử, cỡ Anstrom Å = 10^-10m), nhưng lại tập trung

phần lớn khối lượng nguyên tử.

+) Nếu một nguyên tố X có số thứ tự Z trong bảng tuần hoàn

Menđêlêép thì hạt nhân nó chứa Z prôtôn và N nơtrôn.

Kí hiệu : ${}_{Z}^{A}X$

Với Z là nguyên tử số (số prôtôn)

A = Z + N gọi là số khối hay số nuclôn.

Một số hạt thường gặp:

• Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân của chúng có cùng số prôtôn Z, nhưng số khối A khác

nhau (số nơtrôn cũng khác nhau). Bài tập:

Nguyên tử Hiđrô có 3 đồng vị: Hidro (${}_{1}^{1}H$- bền), Deuteri (${}_{1}^{2}H$- bền), Triti (${}_{1}^{3}H$- pxa ${{\beta }^{-}}$với T =

12,32 năm).

Oxigen: ${}_{8}^{16}O$ bền, ${}_{8}^{17}O$ bền, ${}_{8}^{18}O$ bền; cùng cả chục đồng vị phóng xạ.

Carbon: ${}_{6}^{12}C$ bền, ${}_{6}^{13}C$ bền, ${}_{6}^{14}C$ phóng xạ ${{\beta }^{-}}$với T = 5730 năm.

+) Đồng vị được phân ra hai loại là đồng vị bền và đồng vị phóng xạ:

Đồng vị bền là đồng vị mà hạt nhân của nó không có một biến đổi tự phát nào trong suốt quá trình tồn tại.

Đồng vị phóng xạ (không bền) là đồng vị mà hạt nhân của nó tự động phát ra những tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân của nguyên tố khác.

• Lực hạt nhân (lực tương tác mạnh): Các nuclôn cấu tạo nên hạt nhân liên kết với nhau bởi lực rất mạnh, lực này có bản chất khác với lực hấp dẫn, lực Culông, lực từ,… đồng thời rất mạnh so với các lực đó, lực này có tên là lực hạt nhân. Lực hạt nhân chỉ có tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân $<{{10}^{-15}}m=1fm,$ giảm rất nhanh theo kích thước.

2. Khối lượng và Năng lượng nghỉ.

• Khổi lượng và đơn vị khối lượng:

+) Khối lượng nguyên tử ${}_{6}^{12}C$ : m = 1,99266.10^-26 kg.

+) Để đo khối lượng của nguyên từ người ta sử dụng đơn vị cácbon (u). Đơn vị cácbon có giá trị bằng 1/12 khối lượng nguyên tử của đồng vị ${}_{6}^{12}C$:

$$ 1đvC$=1u=\frac{1}{12}m\left( {}_{6}^{12}C \right)=1,{{66055.10}^{-27}}kg.$

+) Từ đó ta có thể quy đổi khối lượng của một số hạt về đvC là:

${{\text{m}}_{\text{e}}}\approx \text{0,0005u }$

${{\text{m}}_{\text{p}}}\approx \text{1,0073u}\approx \text{1835}\text{.}{{\text{m}}_{\text{e}}}$

${{m}_{n}}\approx 1,0087u$

${{m}_{\alpha }}=\text{ }4,001500u$

+) Chú ý:

Một mol chứa N_A = 6,022.10²³ hạt nguyên tử (số Avogadro)

Số hạt chứa trong m g chất: $N=n.{{N}_{A}}=\frac{m}{M}.{{N}_{A}}$ (hạt).

• Hệ thức Anh-xtanh giữa khối lượng và năng lượng: Bất kỳ vật nào có khối lượng m thì luôn có năng lượng E và tỉ lệ với nhau: E = mc² , với c = 3.108 m/s.

1uc² = 931,5 MeV $\Rightarrow$ 1u = 931,5 MeV/c²

MeV/c² được coi là 1 đơn vị khối lượng hạt nhân.

• Thuyết tương đối hẹp:

+) Gỉa sử có 1 hạt sơ cấp, khi ở trạng thái nghỉ có khối lượng là m_o. Khi hạt chuyển động với vận tốc

v$\square$c (rất lớn) thì khối lượng hạt khi đó tăng lên thành m, với: $m=\frac{{{m}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}>{{m}_{o}}.$

+) Năng lượng tòan phần: E = mc² =$\frac{{{m}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}{{c}^{2}}$

Trong đó: E_o = m_oc² gọi là năng lượng nghỉ.

+) Năng lượng chênh lệch do chuyển động (động năng hạt):

${{W}_{d}}=E-{{E}_{0}}=m{{c}^{2}}-{{m}_{0}}{{c}^{2}}=(m-{{m}_{0}}){{c}^{2}}\Leftrightarrow {{W}_{n}}={{m}_{0}}{{c}^{2}}\left( \frac{1}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}-1 \right).$

3. Độ hụt khối và Năng lượng liên kết của hạt nhân.

• Độ hụt khối:

+) Một hạt nhân ${}_{Z}^{A}X$ được tạo thành từ Z hạt prôtôn và N = A - Z hạt nơtrôn thì tổng khối lượng

các hạt nuclôn riêng rẽ tạo thành hạt nhân là

${{m}_{o}}=Z.{{m}_{p}}+\left( A-Z \right).{{m}_{n}}$

Các phép đo chính xác đã chứng tỏ rằng, khối lượng của hạt nhân X tạo thành luôn luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó.

+) Độ chênh lệch khối lượng đó gọi là độ hụt khối của hạt nhân $\Delta m$, với:

>0 với mọi hạt nhân (trừ ${}_{1}^{1}p$,${}_{0}^{1}n$)

• Năng luợng liên kết của hạt nhân:

+) Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng tỏa ra khi tổng hợp các nuclôn riêng rẽ thành một hạt nhân (hay là năng lượng thu vào để phá vỡ hạt nhân thành các nuclôn riêng rẽ):

$\Delta {{E}_{lk}}={{E}_{o}}-E={{m}_{o}}{{c}^{2}}-m{{c}^{2}}=\left( {{m}_{o}}-m \right){{c}^{2}}=\Delta m.{{c}^{2}}$

Đơn vị: MeV, eV, J. Đổi đơn vị: $\left\{ \begin{array}{} 1MeV={{10}^{6}}eV \\ {} 1eV=1,{{6.10}^{-19}}J \\ \end{array} \right..$

+) Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính trung bình cho một nuclôn của hạt nhân đó:

$\varepsilon =\frac{{{E}_{lk}}}{A}\left( {}^{MeV}/{}_{nu} \right)$

Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững và ngược lại. Các hạt có số khối trung bình thường rất bền vững (Fe56).