Bài giảng Điện học (Phần 10)

Benjamin Crowell

2.4 Cấu trúc của hạt nhân

Proton

Thực tế điện tích hạt nhân đều là bội số nguyên của e khiến nhiều nhà vật lí nghĩ rằng hạt nhân có lẽ gồm những hạt nhỏ hơn có điện tích riêng là +e, chứ không phải là một chất điểm. Bằng chứng ủng hộ cho ý tưởng này xuất hiện không bao lâu sau đó. Rutherford giải thích nếu ông bắn phá các nguyên tử của một nguyên tố rất nhẹ bằng hạt alpha, thì điện tích nhỏ của hạt nhân bia sẽ mang lại lực đẩy rất yếu. Có lẽ một vài hạt alpha đó sẽ đến va chạm trực diện, tiến gần đến nỗi chúng xâm nhập thật sự vào một số hạt nhân bia. Hạt alpha chính là một hạt nhân, nên đây sẽ là va chạm giữa hai hạt nhân, và sự va chạm diễn ra dữ dội do tốc độ cao. Rutherford đã đào trúng mỏ vàng trong một thí nghiệm với hạt alpha đập vào bia chứa các nguyên tử nitrogen. Các hạt tích điện được phát hiện bay ra khỏi bia giống như các phần bay ra khỏi chiếc xe hơi trong một vụ tai nạn va chạm tốc độ cao. Phép đo sự lệch của những hạt này trong điện trường và từ trường cho thấy chúng có cùng tỉ số điện tích trên khối lượng như các nguyên tử hydrogen bị ion hóa một lần. Rutherford kết luận rằng có những hạt tích điện riêng phỏng đoán đã giữ điện tích của hạt nhân, và sau này chúng được đặt tên là proton. Hạt nhân hydrogen gồm một proton, và nói chung, số nguyên tử của một nguyên tố cho biết số proton chứa trong từng hạt nhân của nó. Khối lượng của proton lớn hơn khối lượng của electron khoảng 1800 lần.

Neutron

Sẽ thật đẹp và đơn giản nếu như mọi hạt nhân đều có thể cấu thành chỉ từ các proton, nhưng không phải như vậy. Nếu bạn chịu mất chút ít thời gian quan sát bảng tuần hoàn hóa học, bạn sẽ sớm lưu ý thấy mặc dù một số khối lượng nguyên tử rất gần với bội số nguyên của khối lượng nguyên tử hydrogen, nhưng nhiều nguyên tử khác thì không như vậy. Ngay cả khi khối lượng nguyên tử gần với số nguyên nhất, thì khối lượng của một nguyên tố ngoài hydrogen luôn lớn hơn số nguyên tử của nó, chứ không bằng số nguyên tử. Chẳng hạn, nguyên tử helium có hai proton, nhưng khối lượng của nó gấp 4 lần khối lượng nguyên tử hydrogen.

Chadwick làm sáng tỏ tình trạng lộn xộn bằng cách chứng minh sự tồn tại của một hạt hạ nguyên tử mới. Không giống như electron và proton là những hạt mang điện, hạt này trung hòa về điện, và ông đặt tên cho nó là neutron. Thí nghiệm của Chadwick được mô tả chi tiết trong chương 4, quyển 2 của loạt bài giảng này, nhưng nói chung phương pháp đó là phơi một mẫu nguyên tố nhẹ beryllium trước dòng hạt alpha phát ra từ một cục radium. Beryllium chỉ có 4 proton, nên một hạt alpha tình cờ nhắm thẳng tới một hạt nhân beryllium có thể thật sự va chạm với nó chứ không bị lực đẩy điện đẩy lệch sang va chạm bên. Các neutron được quan sát thấy dưới dạng một dạng bức xạ mới phát ra từ va chạm, và Chadwick suy luận đúng đắn rằng chúng là những thành phần không còn nghi ngờ gì nữa của hạt nhân đã bị khám phá ra. Như đã mô tả trong cuốn Các định luật bảo toàn, Chadwick cũng đã xác định được khối lượng của neutron, nó rất gần với khối lượng của proton.

Tóm lại, nguyên tử cấu thành từ ba loại hạt sau:

m/ Ví dụ cấu trúc của nguyên tử hydrogen (hình trên) và helium (hình dưới). Ở kích cỡ này, quỹ đạo của electron sẽ có kích thước cỡ sân trường.

Sự tồn tại của neutron giải thích khối lượng bí ẩn của các nguyên tố. Chẳng hạn, helium có khối lượng rất gần với bốn lần khối lượng hydrogen. Đấy là do ngoài hai proton của nó ra, nó còn chứa thêm hai neutron. Khối lượng của một nguyên tử về cơ bản được xác định bằng tổng số neutron và proton. Tổng số neutron và proton do đó thường được gọi là số khối của nguyên tử.

Đồng vị

Bây giờ chúng ta đã có cách hiểu rõ ràng của thực tế là helium nặng gần gấp bốn lần hydrogen, và tương tự cho tất cả số nguyên tử gần với một bội số nguyên lần khối lượng của hydrogen. Nhưng chẳng hạn còn đồng thì sao, nó có khối lượng nguyên tử gấp 63,5 lần hydrogen ? Rõ ràng không thể nào nghĩ rằng có nó thêm một nửa neutron nữa! Lời giải được tìm ra bằng cách đo tỉ số khối lượng trên điện tích của các nguyên tử bị ion hóa bậc một (các nguyên tử mất đi một electron). Kĩ thuật về cơ bản giống như kĩ thuật mà Thomson sử dụng cho tia catôt, ngoại trừ ở chỗ toàn bộ các nguyên tử không tự phát bứt ra khỏi bề mặt vật như các electron thỉnh thoảng vẫn làm. Hình o cho một ví dụ các ion được tạo ra và bơm vào giữa hai bản tích điện như thế nào để gia tốc.

o/ Một mẫu thiết bị Thomson cải tiến dùng đo tỉ số khối lượng trên điện tích của các ion chứ không phải electron. Một mẫu nhỏ của nguyên tố đang nghi vấn, trong ví dụ của chúng ta là đồng, được đun sôi trong lò để tạo ra một lớp hơi mỏng. (Một ống chân không liên tục hút lên buồng chính, giữ nó khỏi bị tích góp đủ chất khí làm dừng chùm ion). Một số nguyên tử hơi bị ion hóa bởi tia lửa điện hoặc tia cực tím. Các ion đi ra khỏi miệng vòi và đi vào vùng giữa các bản tích điện khi đó được gia tốc hướng lên phía trên của hình. Như trong thí nghiệm Thomson, tỉ số khối lượng trên điện tích được suy ra từ độ lệch của chùm tia.

Bơm một chùm ion đồng vào dụng cụ đó, chúng ta tìm thấy một điều thật ngạc nhiên – chùm tia bị tách ra làm hai phần ! Các nhà hóa học vốn đã nâng cao đức tin vào sự giả định rằng mọi nguyên tử của một nguyên tố cho trước là đồng nhất, nhưng chúng ta tìm thấy 69% nguyên tử đồng có một khối lượng, và 31% lại có khối lượng khác. Không những thế, cả hai khối lượng đều rất gần với bội số nguyên của khối lượng hydrogen (lần lượt là 63 và 65). Đồng có được sự đồng nhất hóa tính của nó từ số proton trong hạt nhân của nó, 29, vì các phản ứng hóa học hoạt động bằng lực điện. Nhưng rõ ràng là một số nguyên tử đồng có 63 – 29 = 34 neutron, trong khi một số khác có 65 – 29 = 36 neutron. Số nguyên tử của đồng - 63,5 – phản ánh tỉ lệ của loại khối lượng 63 và loại khối lượng 65. Các trạng thái khối lượng khác nhau của một nguyên tố cho trước được gọi là đồng vị của nguyên tố đó.

Các đồng vị có thể được gọi tên bằng cách thêm số khối vào góc trên bên trái của kí hiệu nguyên tố, ví dụ ⁶⁵Cu. Ví dụ:

Tại sao điện tích dương và điện tích âm của các bản gia tốc trong thiết bị tách đồng vị lại đảo ngược so với thiết bị Thomson ?

Các phản ứng hóa học đều là sự trao đổi hoặc chia sẻ electron: hạt nhân phải ngồi ngoài trò khiêu vũ này vì lực đẩy điện ngăn cản chúng tiến tới đủ gần để tiếp xúc với nhau. Mặc dù proton thật sự có ảnh hưởng vô cùng quan trọng lên quá trình hóa học vì lực điện của chúng, nhưng neutron có thể không có ảnh hưởng nào lên phản ứng hóa học của nguyên tử. Chẳng hạn, không thể nào tách ⁶³Cu ra khỏi ⁶⁵Cu bằng phản ứng hóa học. Đây là lí do tại sao các nhà hóa học chưa bao giờ nhận ra sự tồn tại của các đồng vị khác nhau. (Những đồng vị khác nhau, chính xác hoàn toàn phải xử sự hơi khác nhau, vì các nguyên tử càng nặng thì chuyển động càng chậm, và do đó phản ứng hơi khác nhau một chút về cường độ. Sự khác biệt rất nhỏ này được sử dụng, chẳng hạn, để tách những đồng vị uranium cần thiết cho chế tạo bom nguyên tử. Tính nhỏ yếu của hiệu ứng này khiến cho quá trình tách là một quá trình chậm chạp và khó khăn, đó là điều chúng ta phải cảm ơn vì nhờ thế mà vũ khí hạt nhân không được chế tạo bởi từng nhóm băng đảng khủng bố trên hành tinh).

Kích thước và hình dạng của hạt nhân

Vật chất hầu như đều là hạt nhân nếu chúng ta đếm chúng bằng trọng lượng, nhưng tính theo thể tích thì hạt nhân không nhiều như thế. Bán kính của một neutron hoặc proton rất gần với 1 fm (1 fm = 10^-15 m), cho nên dù là một hạt nhân chì lớn với số khối 208 vẫn có đường kính chỉ khoảng 13 fm, nhỏ hơn mười ngàn lần đường kính của một nguyên tử điển hình. Trái với hình tượng quen thuộc của hạt nhân là một quả cầu nhỏ, hóa ra thì nhiều hạt nhân lại có dạng thon dài, giống như quả bóng bầu dục Mĩ, và một số thì có hình dạng không đối xứng một cách kì lạ giống như quả lê, hay con kiwi.

Câu hỏi thảo luận

A. Giả sử toàn bộ vũ trụ là một chiếc hộp ngũ cốc (rất lớn), và nhãn hàng hóa được giả sử là cho khách hàng thần thánh biết là bao nhiêu phần trăm bên trong hàng hóa là hạt nhân. Như vậy, đại khái thì sẽ có bao nhiêu phần trăm hạt nhân nếu dán nhãn theo khối lượng ? Còn khi dán nhãn theo thể tích thì sao ?

p/ Nhà máy điện hạt nhân tại Cattenom, Pháp. Không giống như các nhà máy chạy than và dầu lửa cung cấp đa phần nguồn điện cho nước Mĩ, một nhà máy điện hạt nhân như thế này không giải phóng chất độc hay các khí nhà kính vào bầu khí quyển của Trái Đất, và do đó không góp phần vào sự ấm lên toàn cầu. Khói trắng thoát ra từ nhà máy này là hơi nước không phóng xạ. Mặc dù nhà máy điện hạt nhân làm phát sinh chất thải hạt nhân có thời gian sống lâu dài, nhưng người ta cho rằng chất thải đó ít gây đe dọa cho sinh quyển hơn các khí nhà kính.

Còn tiếp...

Xem lại Phần 9

Bài trước | Bài kế tiếp