VẬT LÝ 12
LÝ THUYẾT - SÁCH HÌNH ĐỘNG
LỚP 12·10 / 2026

HN · 0135 phút

Mô hình nguyên tử, cấu tạo hạt nhân và đồng vị

Tán xạ α, A–Z–N, đếm hạt

Mục tiêu

  • Mô tả được thí nghiệm tán xạ hạt α\alpha và rút ra được: nguyên tử có hạt nhân rất nhỏ, mang điện dương, chứa gần như toàn bộ khối lượng.
  • Viết được kí hiệu ZAX^{A}_{Z}\text{X}, tính được số proton, số neutron; nhận ra các đồng vị.
  • Đếm được số nguyên tử, proton, neutron, nucleon trong một lượng chất; ước lượng được kích thước và khối lượng riêng của hạt nhân.

Khởi động

Nếu phóng đại một nguyên tử lên bằng cả sân vận động, hạt nhân của nó chỉ là một hạt đậu ở giữa sân, vậy mà hạt đậu ấy nặng hơn 99,9 %99{,}9\,\% cả nguyên tử. Người ta biết điều này khi nào, và biết bằng cách nào mà không cần nhìn thấy nó? Câu trả lời là một thí nghiệm "bắn đạn" vào một tờ vàng mỏng.

01Kiến thức cần nhớ

1. Thí nghiệm tán xạ hạt α\alpha và mô hình hành tinh nguyên tử

Chùm hạt α\alpha (hạt nhân 24He^{4}_{2}\text{He}, mang điện +2e+2e) phát ra từ một nguồn phóng xạ được bắn vào một lá vàng rất mỏng (cỡ vài trăm lớp nguyên tử). Một màn huỳnh quang quanh lá vàng ghi lại hướng đi của từng hạt. Kết quả:

  • Đại đa số hạt α\alpha xuyên qua lá vàng gần như đi thẳng.
  • Một số ít bị lệch hướng đáng kể.
  • Rất ít (cỡ một trên hàng chục nghìn hạt) bị bật ngược trở lại gần như theo hướng cũ.

Suy ra:

  • Phần lớn nguyên tử là khoảng trống: hạt α\alpha đi qua mà không gặp gì.
  • Có một vùng rất nhỏ mang điện dương và rất nặng: hạt α\alpha lại gần nó bị lực đẩy Coulomb làm lệch hoặc bật ngược. Vùng đó là hạt nhân.

Cỡ độ lớn cần nhớ: nguyên tử ∼10−10 m\sim10^{-10}\,\text{m}, hạt nhân ∼10−15\sim10^{-15} đến 10−14 m10^{-14}\,\text{m}. Đường kính nguyên tử lớn hơn hạt nhân khoảng 10410^4 đến 10510^5 lần.

Tương tácThí nghiệm tán xạ hạt α
vàng Z = 79dbkéo chấm cam (b) lên xuống

Ở đây chỉ có một hạt nhân. Trong lá vàng thật, hạt nhân nhỏ và thưa đến mức chỉ cỡ một hạt α trên mười nghìn bị bật ngược.

Chọn bia vàng hoặc nhôm. Kéo chấm cam (b) lên xuống để đổi tham số va chạm: b càng nhỏ, hạt α càng bị lệch mạnh; b gần 0 thì bật ngược. Tăng động năng K để hạt α vào gần hạt nhân hơn. Chọn chùm 30 hay 200 hạt để đếm hạt lệch ít, hạt bật ngược.

2. Cấu tạo hạt nhân

Hạt nhân gồm hai loại hạt, gọi chung là nucleon:

HạtKí hiệuĐiện tíchKhối lượng (gần đúng)
protonpp hay 11H^{1}_{1}\text{H}+e=+1,6⋅10−19 C+e=+1{,}6\cdot10^{-19}\,\text{C}1,0073 u1{,}0073\,\text{u}
neutronnn hay 01n^{1}_{0}\text{n}001,0087 u1{,}0087\,\text{u}

Đơn vị khối lượng nguyên tử: 1 u=1121\,\text{u}=\dfrac{1}{12} khối lượng nguyên tử 12C^{12}\text{C} ≈1,66⋅10−27 kg\approx1{,}66\cdot10^{-27}\,\text{kg}, và 1 u1\,\text{u} ứng với năng lượng 931,5 MeV931{,}5\,\text{MeV} (tức 1 u=931,5 MeV/c21\,\text{u}=931{,}5\,\text{MeV}/c^2, xem bài sau).

Ví dụ 92235U^{235}_{92}\text{U} có Z=92Z=92 proton, N=235−92=143N=235-92=143 neutron. Hạt α\alpha là 24He^{4}_{2}\text{He} (2 proton, 2 neutron). Khối lượng một hạt nhân xấp xỉ AA lần 1 u1\,\text{u} (vì cả proton lẫn neutron đều nặng khoảng 1 u1\,\text{u}, electron nhẹ hơn nhiều lần).

3. Đồng vị

Ví dụ: hydrogen có ba đồng vị 11H^{1}_{1}\text{H} (hydrogen thường), 12H^{2}_{1}\text{H} (deuterium, kí hiệu D), 13H^{3}_{1}\text{H} (tritium, kí hiệu T). Carbon có 612C^{12}_{6}\text{C} và 614C^{14}_{6}\text{C}.

Tương tácChọn Z và N, thấy kí hiệu hạt nhân
● proton (6)● neutron (8)● electron (6)
C-14: phóng xạ
Đồng vị của C:
Chọn nhanh:

Kéo Z (số proton) và N (số neutron): hạt nhân vẽ lại, kí hiệu A trên Z, tên nguyên tố cập nhật. Bấm một đồng vị của cùng nguyên tố để thấy chỉ N đổi, Z giữ nguyên.

02Tóm tắt

  • Tán xạ α\alpha: đa số đi thẳng, ít bật ngược, nên nguyên tử có hạt nhân nhỏ, nặng, mang điện dương; electron ở xung quanh.
  • ZAX^{A}_{Z}\text{X}: ZZ proton, N=A−ZN=A-Z neutron, AA nucleon; đồng vị cùng ZZ khác AA.
  • Số hạt trong mm gam: Nnt=mANAN_{\text{nt}}=\dfrac mA N_A, rồi nhân ZZ, A−ZA-Z hay AA.
  • d=2Z⋅1,44Kd=\dfrac{2Z\cdot1{,}44}{K} (fm, MeV); R≈1,2A1/3R\approx1{,}2A^{1/3} fm; ρ≈2⋅1017 kg/m3\rho\approx2\cdot10^{17}\,\text{kg/m}^3.

03Mở rộng

Vì sao hạt nhân không "nổ tung"? Các proton mang điện cùng dấu đẩy nhau rất mạnh, vậy mà vẫn ở gần nhau trong hạt nhân. Phải có một lực hút còn mạnh hơn, tác dụng ở khoảng cách cỡ 10−15 m10^{-15}\,\text{m} và không phụ thuộc điện tích: đó là lực hạt nhân (tương tác mạnh). Lực này ngắn tầm: ra khỏi cỡ vài fm thì gần như biến mất.

Công thức bán kính. R=R0A1/3R=R_0A^{1/3} rút ra từ việc mật độ nucleon gần như hằng số; hệ số R0≈1,2R_0\approx1{,}2 fm là giá trị thực nghiệm, có sách ghi 1,21{,}2 đến 1,41{,}4 fm.

Tiếp theoPhương pháp →