Bài giảng Điện học (Phần 10) pot

Bài giảng Điện học (Phần 10) 2.4 Cấu trúc của hạt nhân Proton Thựctế điện tích hạt nhânđều là bội số nguyên củae khiếnnhiềunhà vậtlí nghĩ rằng hạtnhân cólẽ gồm những hạt nhỏ hơn có điện tích riêng là+e, chứ khôngphải là một chất điểm.Bằng chứngủng hộ cho ý tưởngnày xuất hiện không bao lâusau đó. Rutherfordgiải thíchnếu ôngbắn phácác nguyên tử của một nguyêntố rấtnhẹ bằng hạt alpha,thì điện tích nhỏ củahạt nhânbia sẽ manglại lực đẩy rất yếu. Cólẽ một vài hạt alpha đó sẽ đến va chạmtrực diện, tiến gần đếnnỗi chúng xâm nhập thậtsự vào một số hạt nhânbia. Hạt alpha chính là một hạt nhân, nên đây sẽ là vachạmgiữa haihạt nhân, và sự va chạm diễnra dữ dội do tốc độ cao. Rutherfordđã đàotrúng mỏ vàng trongmột thínghiệmvới hạt alphađập vào bia chứa các nguyêntử nitrogen. Cáchạt tích điện được pháthiện bayra khỏi bia giống như các phần bayrakhỏi chiếc xe hơi trong một vụ tai nạn vachạm tốc độ cao. Phép đo sự lệch của những hạt này trong điện trường và từ trườngcho thấy chúng có cùngtỉ số điện tíchtrênkhối lượng như các nguyên tử hydrogenbị ion hóa một lần. Rutherfordkếtluận rằng có những hạt tích điện riêngphỏng đoán đã giữ điện tích của hạt nhân, và saunày chúng được đặt tênlà proton. Hạtnhân hydrogen gồm một proton, và nói chung, số nguyêntử của một nguyên tố cho biết số proton chứa trong từng hạt nhân của nó.Khối lượng của protonlớn hơnkhối lượng của electron khoảng 1800lần. Neutron Sẽ thật đẹp và đơn giản nếunhư mọi hạt nhân đều có thể cấu thànhchỉ từ các proton, nhưngkhôngphải như vậy. Nếu bạn chịu mấtchút ít thời gianquan sát bảngtuầnhoàn hóa học, bạnsẽ sớm lưuý thấy mặcdù một số khối lượng nguyên tử rất gần với bội số nguyêncủa khối lượng nguyên tử hydrogen,nhưng nhiều nguyêntử khác thìkhông như vậy.Ngay cả khi khối lượng nguyêntử gần với số nguyênnhất,thì khối lượngcủa một nguyên tố ngoài hydrogenluôn lớnhơn số nguyêntử của nó, chứ không bằng số nguyêntử. Chẳng hạn, nguyên tử helium có hai proton, nhưngkhối lượngcủa nó gấp 4 lầnkhối lượng nguyêntử hydrogen. Chadwick làm sáng tỏ tình trạng lộnxộn bằng cách chứng minhsự tồn tại của một hạthạ nguyêntử mới. Không giốngnhư electron và protonlà những hạt mang điện, hạtnày trunghòavề điện, và ôngđặt têncho nó là neutron.Thí nghiệm của Chadwickđược môtả chi tiết trongchương4, quyển 2 củaloạt bài giảngnày, nhưng nói chungphươngpháp đó là phơi mộtmẫunguyêntố nhẹ berylliumtrước dònghạt alphaphátra từ một cục radium.Beryllium chỉ có 4 proton,nên một hạt alpha tình cờ nhắm thẳngtới một hạtnhân beryllium có thể thật sự va chạm với nó chứ không bị lực đẩy điện đẩy lệch sang va chạm bên. Các neutronđược quansát thấydưới dạngmột dạng bức xạ mới phát ratừ va chạm, vàChadwick suyluận đúngđắn rằngchúng là nhữngthànhphần không còn nghingờ gì nữa của hạt nhân đã bị khám phá ra.Như đã mô tả trong cuốn Các định luật bảo toàn, Chadwickcũng đã xác định được khối lượng củaneutron, 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 củaneutron giải thích khối lượngbí ẩncủa cácnguyêntố. Chẳng hạn, heliumcókhốilượng rất gần với bốnlần khối lượng hydrogen.Đấylà do ngoài haiproton của nó ra, nó còn chứa thêm hai neutron. Khối lượngcủamột nguyêntử về cơ bản được xác định bằng tổng số neutron và proton.Tổng số neutron và protondo đó thườngđượcgọi làsố khối của nguyên tử. Đồng vị Bây giờ chúngta đã có cáchhiểu rõràng củathực tế là heliumnặng gần gấp bốn lần hydrogen, và tươngtự cho tất cả số nguyên tử gần với mộtbội số nguyên lần khốilượng của hydrogen.Nhưng chẳng hạn còn đồng thì sao, nó có khối lượng nguyêntử gấp 63,5 lầnhydrogen ? Rõràng không thể nào nghĩ rằng có nó thêm một nửa neutronnữa! Lời giải đượctìm rabằng cáchđo tỉ số khối lượng trên điện tích của các nguyên tử bị ionhóabậc một(các nguyên tử mất đi một electron).Kĩ thuật về cơ bản giống như kĩ thuật mà Thomson sử dụngcho tia catôt, ngoại trừ ở chỗ toàn bộ các nguyên tử khôngtự phát bứt ra khỏi bề mặt vật như các electron thỉnhthoảng vẫn làm. Hình ocho mộtví dụ các ion được tạo ravà bơm vào giữa hai bản tích điện như thế nào để gia tốc. o/ Một mẫu thiết bị Thomsoncải tiến dùng đotỉ số khối lượng trênđiện tích của cácion chứ khôngphảielectron. Mộtmẫu nhỏ của nguyên tố đang nghivấn, trong ví dụ của chúng ta là đồng,được đunsôi trong lò để tạo ramột lớp hơi mỏng. (Mộtống chân không liên tụchút lên buồng chính,giữ nó khỏi bị tích góp đủ chất khí làmdừngchùm ion).Một số nguyên tử hơi bị ion hóa bởi tia lửa điện hoặc tia cực tím.Các ion đi rakhỏi miệngvòi và đi vào vùng giữacácbản tích điện khi đó được gia tốc hướng lênphía trêncủa hình.Như trong thí nghiệm Thomson, tỉ số khối lượngtrên điện tích đượcsuy ra từ độ lệch của chùmtia. Bơm một chùm ionđồng vào dụng cụ đó, chúngta tìmthấy mộtđiều thật ngạc nhiên – chùmtia bị tách ra làm haiphần ! Cácnhà hóa họcvốnđã nâng cao đức tinvào sự giả địnhrằngmọi nguyên tử của một nguyên tố cho trước làđồng nhất,nhưng chúng ta tìmthấy 69%nguyêntử đồng có mộtkhối lượng, và 31%lại có khối lượngkhác. Khôngnhững thế, cả hai khốilượng đều rất gầnvới bội số nguyêncủa khối lượnghydrogen (lần lượtlà 63 và 65). Đồng có được sự đồng nhất hóa tínhcủa nó từ số proton trong hạt nhân của nó, 29,vì các phản ứng hóa học hoạt động bằng lựcđiện. Nhưngrõ rànglà mộtsố nguyên tử đồng có 63– 29 = 34 neutron,trong khimột số khác có 65– 29= 36 neutron. Số nguyên tử của đồng - 63,5 –phản ánh tỉ lệ củaloại khối lượng 63và loại khối lượng 65.Các trạng thái khối lượng khác nhau củamột nguyên tố cho trước đượcgọi là đồngvị của nguyên tố đó. Các đồng vị có thể được gọi tên bằngcách thêm số khối vào góc trên bêntrái của kíhiệu nguyên tố, ví dụ 65 Cu. 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 ứnghóa học đều là sự traođổi hoặc chiasẻ electron:hạt nhân phải ngồi ngoài tròkhiêu vũ này vì lực đẩy điệnngăn cảnchúngtiến tới đủ gần để tiếp xúc với nhau.Mặc dù proton thật sự có ảnh hưởngvô cùng quan trọng lên quá trìnhhóa học vì lực điện củachúng, nhưng neutroncó thể không có ảnhhưởng nào lên phản ứnghóa học của nguyên tử. Chẳng hạn,không thể nào tách 63 Cu ra khỏi 65 Cu bằng phản ứng hóahọc. Đây là lí do tại saocác nhà hóa họcchưa baogiờ nhậnra sự tồn tại của các đồngvị khác nhau.(Những đồng vị khác nhau,chính xác hoàn toàn phải xử sự hơi khác nhau,vì các nguyêntử càngnặng thìchuyển động càng chậm, và do đó phản ứng hơikhác nhaumộtchút về cường độ. Sự khác biệt rất nhỏ này được sử dụng, chẳng hạn, để tách những đồng vị uraniumcầnthiết cho chế tạo bomnguyên tử.Tínhnhỏ yếucủa hiệu ứngnày khiếnchoquá trìnhtáchlà một quátrình chậm chạp và khó khăn, đó là điều chúng ta phải cảm ơn vìnhờ thế mà vũ khí hạt nhân không được chế tạo bởi từng nhómbăng đảng khủngbố trên hành tinh). Kích thước và hình dạng của hạt nhân Vật chất hầu như đều là hạt nhân nếu chúng ta đếm chúngbằng trọnglượng, nhưng tính theo thể tích thì hạt nhânkhôngnhiều như thế. Bán kính củamột neutron hoặcproton rất gần với1 fm (1 fm = 10 -15 m), cho nên dù là một hạt nhân chì lớn với số khối 208vẫn có đườngkính chỉ khoảng 13fm, nhỏ hơn mười ngàn lần đườngkínhcủa một nguyên tử điển hình. Tráivới hình tượng quenthuộccủa hạt nhân là một quả cầu nhỏ, hóa ra thì nhiều hạt nhân lạicó dạngthon dài, giống như quả bóngbầu dục Mĩ,và mộtsố thì cóhình 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 hànghóa được giả sử là cho khách hàngthần thánh biết là bao nhiêu phần trăm bên trong hàng hóa làhạt nhân. Như vậy, đại khái thì sẽ có bao nhiêu phần trăm hạtnhân nếu dán nhãn theo khối lượng ?Còn khi dán nhãntheo thể tích thì sao ? p/ Nhà máy điện hạt nhân tạiCattenom,Pháp.Khônggiống như các nhà máy chạy thanvà dầu lửa cungcấp đa phần nguồn điệncho nướcMĩ, một nhà máy điện hạt nhânnhư thế này không giải phóng chất độchay các khí nhàkínhvào bầu khí quyển của Trái Đất, và dođó không góp phầnvào sự ấm lên toàn cầu.Khói trắng thoát ratừ nhà máynày là hơi nướckhôngphóngxạ. Mặcdù nhà máy điện hạt nhânlàm phátsinh chất thải hạt nhân có thời giansống lâu dài, nhưng người ta cho rằng chất thải đó ít gây đe dọa cho sinhquyển hơncác khí nhà kính. . Bài giảng Điện học (Phần 10) 2.4 Cấu trúc của hạt nhân Proton Thựctế điện tích hạt nhânđều là bội số nguyên củae khiếnnhiềunhà vậtlí nghĩ rằng hạtnhân cólẽ gồm những hạt nhỏ hơn có điện. và protonlà những hạt mang điện, hạtnày trunghòavề điện, và ôngđặt têncho nó là neutron.Thí nghiệm của Chadwickđược môtả chi tiết trongchương4, quyển 2 củaloạt bài giảngnày, nhưng nói chungphươngpháp. trườngcho thấy chúng có cùngtỉ số điện tíchtrênkhối lượng như các nguyên tử hydrogenbị ion hóa một lần. Rutherfordkếtluận rằng có những hạt tích điện riêngphỏng đoán đã giữ điện tích của hạt nhân, và