Trong cả hai trường hợp đều có thể thu được góc lệch lớn, nhưng như chỉ rõ trong hinh m, hạt alpha phải hướng gần như thẳng về phía hạt nhân đồng để có cùng góc lệch như xảy ra với nhữ[r]
(1)2.3 Số nguyên tử
Như nói tới câu hỏi thảo luận phần trước, nhà khoa học thuộc giai đoạn có ý tưởng gần có đơn vị điện tích nằm hạt nhân nguyên tố hóa học khác Mặc dù ngày liên tưởng số đơn vị điện tích hạt nhân với vị trí nguyên tố bảng tuần hồn hóa học, gọi số ngun tử, họ khơng có ý tưởng mối quan hệ Bảng tuần hoàn Mendeleev trơng cơng cụ mang tính tổ chức hóa, khơng có tầm quan trọng vật lí cần thiết Và thứ mà Mendeleec làm hợp lí bạn chuyển lộn ngược bảng lại, đảo phía bên trái bên phải nó, hay chí bạn muốn đánh số nguyên tố liên tiếp với số nguyên có tình trạng cho bạn làm Bảng tuần hoàn gốc Mendeleev thực tế lộn ngược so với bảng tuần hoàn
Trong thời kì sau khám phá hạt nhân, nhà vật lí có ước tính thơ điện tích hạt nhân khác Trong trường hợp hạt nhân nhẹ nhất, họ dễ dàng tìm số electron tối đa mà họ bứt phương pháp khác nhau: phản ứng hóa học, cho phóng điện, chiếu ánh sáng cực tím, vân vân Ví dụ, họ dễ dàng bóc hai electron khỏi helium, tạo He+
hay He++, không tạo He+++, đốn chừng điện tích hạt nhân helium +2e Thật không may, có vài nguyên tố nhẹ bị bóc hồn tồn, có nhiều electron bị bứt ra, electron tích điện âm cịn lại bị giữ chặt Số nguyên tử ngun tố nặng ngoại suy thơ từ nguyên tố nhẹ, số nguyên tử vào khoảng phân nửa khối lượng nguyên tử biểu diễn đơn vị khối lượng nguyên tử hydrogen Ví dụ, vàng có khối lượng gấp khoảng 197 lần hydrogen, nên số ngun tử ước tính khoảng phân nửa giá trị đó, hay 100 Ngày biết 79
(2)Một thí nghiệm, sử dụng tia X, thực chàng trai trẻ Henry Mosely, người có tài khoa học sớm hi sinh trận đánh đế quốc châu Âu tranh giành quyền sở hữu xứ Dardanelles, xung đột vô nghĩa gọi chiến nhằm kết thúc chiến, ngày gọi Thế chiến thứ
l/ Hạt alpha tiến gần nhiều đến sát hạt nhân đồng điện tích thấp để bị lệch qua góc Vì phân tích Mosely yêu cầu vài khái niệm mà đến bạn chưa quen thuộc, nên thay vậy, mô tả kĩ thuật James Chadwick sử dụng vào khoảng thời gian Một lợi việc mơ tả thí nghiệm Chadwick chúng báo trước đời kĩ thuật đại quan trọng nghiên cứu va chạm hạt hạ nguyên tử Ở trường đại học, làm việc với vị giáo sư có cố vấn cố vấn luận án ông Chadwick, ông kể số mẫu chuyện lí thú nhà khoa học Chadwick nhìn bên ngồi bảnh trai hồn tồn cuồng tín với khoa học, ông bị bắt giữ nhà tù Đức Thế chiến thứ hai, ông phỉnh phờ kẻ giam giữ ông cho phép ông “chôm” phận radio vỡ nát để ơng cố gắng thực thí nghiệm vật lí
(3)bạn đo tần suất hạt alpha bị tán xạ hạt nhân đồng số góc định, ví dụ 19 20 độ, tiến hành phép đo góc với hạt nhân vàng, bạn thu tỉ lệ phần trăm cho vàng cao nhiều so với cho đồng
Trên thực tế, tỉ số điện tích hai hạt nhân thu từ tỉ số xác định thực nghiệm Sử dụng kí hiệu chuẩn Z cho số nguyên tử (điện tích hạt nhân chia cho e), phương trình sau chứng minh (ví dụ 1):
m/ Hạt alpha phải hướng thẳng tới vịng trịn phía trước ống hình trụ tưởng tượng để tạo tán xạ góc 19 20 độ Diện tích vịng tròn gọi “tiết diện” cho tán xạ
ở góc 19-20 độ, diện tích lát cắt ngang ống trụ
Bằng cách tiến hành phép đo bia xây dựng từ tất nguyên tố, người ta suy tỉ số tất số nguyên tử, số nguyên tử nguyên tố nhẹ biết, nên số nguyên tử gán cho tồn bảng hệ thống tuần hoàn Theo Mosely, số nguyên tử đồng, bạc platinum 29, 47 78, tương ứng tốt với vị trí chúng bảng tuần hồn Số liệu Chadwick cho ba nguyên tố 29,3; 46,3 77,4, với sai số khoảng 1,5 lần điện tích nguyên tố, nên hai thí nghiệm phù hợp tốt với
(4)alpha tán xạ khỏi vàng góc lớn, Chadwick xác nhận xác định số nguyên tử Rutherford cách đo tiết diện tán xạ hạt alpha
Ví dụ Bằng chứng cho mối quan hệ Z tán xạ
Phương trình thu nhận từ chứng không chặt chẽ sau Để làm lệch hạt alpha góc định, cần phải có thành phần động lượng định theo hướng vng góc với động lượng ban đầu Mặc dù lực hạt nhân tác dụng lên hạt alpha số, giả sử xấp xỉ số thời gian hạt alpha khoảng cách, nói ví dụ, 150% khoảng cách tới điểm gần nhất, lực không trước sau phần chuyển động (Nếu chọn 120% hay 200%, khơng có chênh lệch kết cuối cùng, kết cuối tỉ số nên ảnh hưởng lên tử mẫu số triệt tiêu lẫn nhau) Trong gần lực không đổi, độ biến thiên thành phần vng góc hạt alpha FDt Định luật Coulomb cho phát biểu lực tỉ lệ với Z/r2 Mặc dù r thật thay đổi chút khoảng thời gian chọn, xem số khơng đổi, tính tỉ số hai kết thí nghiệm Vì lấy gần lực tác dụng theo thời gian khoảng cách không lớn so với khoảng cách đến điểm gần nhất, nên khoảng thời gian Dt phải tỉ lệ với r, xung lượng ngang truyền cho hạt alpha, FDt, tỉ lệ với (Z/r2)r hay Z/r Nếu so sánh hạt alpha tán xạ góc từ vàng đồng, Dp hai trường hợp, hệ thức DpaZ/r cho biết hạt alpha bị tán xạ từ đồng góc phải hướng theo đường thẳng nằm gần trục khoảng với Zvàng/Zđồng Nếu bạn tưởng tượng “vịng phóng tiêu” nơi mà hạt alpha phải chạm tới, vịng trịn cho thí nghiệm vàng cân xứng vịng trịn cho thí nghiệm đồng, lớn Zvàng/Zđồng lần Nghĩa là, khơng bán kính vịng trịn lớn chừng ấy, mà chiều dày vòng bên ngồi lớn theo tỉ lệ với bán kính nó, khơng giống vịng bảng phóng tiêu bình thường Khi bạn làm cho hình dạng quy mô vật lớn theo kiểu chụp ảnh phóng to, diện tích tăng tỉ lệ với bình phương hệ số phóng đại, nên diện tích vịng phóng tiêu thí nghiệm vàng tăng lên (Zvàng/Zđồng)2 lần Vì hạt alpha nhắm hoàn toàn ngẫu nhiên, nên hội cho hạt alpha chạm vịng tỉ lệ với diện tích vịng, điều chứng minh cho phương trình cho
(5)hạt Va chạm thu với hạt nhân bia mạnh nên hai hạt nhân bị phá hủy hoàn toàn, nhưng, Einstein chứng minh, lượng chuyển hóa thành vật chất, lượng va chạm tạo chùm hạt phóng xạ, kì lạ, giống trận mưa mạt gỗ chết người đạn pháo gây trận đánh thủy kiểu xưa Trong số hạt có số quark top Tiết diện đo tiết diện cho sản sinh kết hợp định hạt thứ cấp Tuy khác chi tiết, nguyên tắc giống sử dụng hồi đầu kỉ: bạn đập thứ vào xem mảnh vỡ bay để nhìn thấy bên chúng Phương pháp sánh dùng súng trường bắn vào đồng hồ nghiên cứu mảnh vỡ bay để tìm hiểu xem đồng hồ hoạt động
Câu hỏi thảo luận
A Biểu đồ trên, biểu diễn hạt alpha bị hạt nhân vàng làm lệch đi, vẽ với giả định hạt alpha đến theo đường thẳng nằm khoảng cách khác tính từ hạt nhân Tại chúng khơng đến dọc theo đường thẳng, chúng từ ống ?
B Tại phải hiểu, rõ hình, quỹ đạo tán xạ cắt góc 19o
20o ? C Rutherford biết vận tốc hạt alpha radium phát ra, dự đốn phần tích điện dương ngun tử vàng có điện tích khoảng +100e (ngày biết +79e) Xét thực tế số hạt alpha bị lệch 180o, làm ơng sử dụng bảo toàn lượng để thu giới hạn cho kích thước hạt nhân vàng ? (Để đơn giản, giả sử kích thước hạt alpha không đáng kể so với hạt nhân vàng, bỏ qua thực tế hạt nhân vàng giật lùi chút va chạm, lấy thêm động năng)
2.4 Cấu trúc hạt nhân Proton
(6)Neutron
Sẽ thật đẹp đơn giản hạt nhân cấu thành từ proton, khơng phải Nếu bạn chịu chút thời gian quan sát bảng tuần hồn hóa học, bạn sớm lưu ý thấy số khối lượng nguyên tử gần với bội số nguyên khối lượng nguyên tử hydrogen, nhiều nguyên tử khác không Ngay khối lượng nguyên tử gần với số nguyên nhất, khối lượng ngun tố ngồi hydrogen ln lớn số ngun tử nó, khơng số ngun tử Chẳng hạn, nguyên tử helium có hai proton, khối lượng gấp lần khối lượng nguyên tử hydrogen
Chadwick làm sáng tỏ tình trạng lộn xộn cách chứng minh tồn hạt hạ nguyên tử Không giống electron proton hạt mang điện, hạt trung hòa điện, ơng đặt tên cho neutron Thí nghiệm Chadwick mô tả chi tiết chương 4, loạt giảng này, nói chung phương pháp phơi mẫu nguyên tố nhẹ beryllium trước dòng hạt alpha phát từ cục radium Beryllium có proton, nên hạt alpha tình cờ nhắm thẳng tới hạt nhân beryllium thật va chạm với khơng bị lực đẩy điện đẩy lệch sang va chạm bên Các neutron quan sát thấy dạng dạng xạ phát từ va chạm, Chadwick suy luận đắn chúng thành phần khơng cịn nghi ngờ hạt nhân bị khám phá Như mô tả Các định luật bảo toàn, Chadwick xác định khối lượng neutron, gần với khối lượng proton
Tóm lại, nguyên tử cấu thành từ ba loại hạt sau:
(7)Sự tồn neutron giải thích khối lượng bí ẩn nguyên tố Chẳng hạn, helium có khối lượng gần với bốn lần khối lượng hydrogen Đấy ngồi hai proton ra, cịn chứa thêm hai neutron Khối lượng nguyên tử xác định tổng số neutron proton Tổng số neutron proton thường gọi số khối nguyên tử Đồng vị
Bây có cách hiểu rõ ràng thực tế helium nặng gần gấp bốn lần hydrogen, tương tự cho tất số nguyên tử gần với bội số nguyên lần khối lượng hydrogen Nhưng chẳng hạn cịn đồng sao, có khối lượng nguyên tử gấp 63,5 lần hydrogen ? Rõ ràng khơng thể nghĩ có thêm nửa neutron nữa! Lời giải tìm cách đo tỉ số khối lượng điện tích nguyên tử bị ion hóa bậc (các nguyên tử electron) Kĩ thuật giống kĩ thuật mà Thomson sử dụng cho tia catôt, ngoại trừ chỗ tồn ngun tử khơng tự phát bứt khỏi bề mặt vật electron làm Hình o cho ví dụ ion tạo bơm vào hai tích điện để gia tốc
o/ Một mẫu thiết bị Thomson cải tiến dùng đo tỉ số khối lượng điện tích ion electron Một mẫu nhỏ nguyên tố nghi vấn, ví dụ đồng, đun sơi lị để tạo lớp mỏng (Một ống chân không liên tục hút lên buồng chính, giữ khỏi bị tích góp đủ chất khí làm dừng chùm ion) Một số nguyên tử bị ion hóa tia lửa điện tia cực tím Các ion khỏi miệng vịi vào vùng tích điện gia tốc hướng lên phía hình Như thí nghiệm Thomson,
(8)Bơm chùm ion đồng vào dụng cụ đó, tìm thấy điều thật ngạc nhiên – chùm tia bị tách làm hai phần ! Các nhà hóa học vốn nâng cao đức tin vào giả định nguyên tử nguyên tố cho trước đồng nhất, tìm thấy 69% nguyên tử đồng có khối lượng, 31% lại có khối lượng khác Khơng thế, hai khối lượng gần với bội số nguyên khối lượng hydrogen (lần lượt 63 65) Đồng có đồng hóa tính từ số proton hạt nhân nó, 29, phản ứng hóa học hoạt động lực điện Nhưng rõ ràng số nguyên tử đồng có 63 – 29 = 34 neutron, số khác có 65 – 29 = 36 neutron Số nguyên tử đồng - 63,5 – phản ánh tỉ lệ loại khối lượng 63 loại khối lượng 65 Các trạng thái khối lượng khác nguyên tố cho trước gọi đồng vị nguyên tố
Các đồng vị gọi tên cách thêm số khối vào góc bên trái kí hiệu nguyên tố, ví dụ 65Cu Ví dụ:
Tại điện tích dương điện tích âm gia tốc thiết bị tách đồng vị lại đảo ngược so với thiết bị Thomson ?
Các phản ứng hóa học trao đổi chia sẻ electron: hạt nhân phải ngồi ngồi trị khiêu vũ lực đẩy điện ngăn cản chúng tiến tới đủ gần để tiếp xúc với Mặc dù proton thật có ảnh hưởng vơ quan trọng lên q trình hóa học lực điện chúng, neutron khơng có ảnh hưởng lên phản ứng hóa học nguyên tử Chẳng hạn, tách 63Cu khỏi 65Cu phản ứng hóa học Đây lí nhà hóa học chưa nhận tồn đồng vị khác (Những đồng vị khác nhau, xác hồn tồn phải xử khác nhau, nguyên tử nặng chuyển động chậm, phản ứng khác chút cường độ Sự khác biệt nhỏ sử dụng, chẳng hạn, để tách đồng vị uranium cần thiết cho chế tạo bom nguyên tử Tính nhỏ yếu hiệu ứng khiến cho trình tách trình chậm chạp khó khăn, điều phải cảm ơn nhờ mà vũ khí hạt nhân khơng chế tạo nhóm băng đảng khủng bố hành tinh)
Kích thước hình dạng hạt nhân
(9)quen thuộc hạt nhân cầu nhỏ, hóa nhiều hạt nhân lại có dạng thon dài, giống bóng bầu dục Mĩ, số có hình dạng khơng đối xứng cách kì lạ giống lê, hay kiwi
Câu hỏi thảo luận
A Giả sử toàn vũ trụ hộp ngũ cốc (rất lớn), nhãn hàng hóa giả sử cho khách hàng thần thánh biết phần trăm bên hàng hóa hạt nhân Như vậy, đại khái có phần trăm hạt nhân dán nhãn theo khối lượng ? Còn dán nhãn theo thể tích ?
p/ Nhà máy điện hạt nhân Cattenom, Pháp Không giống nhà máy chạy than dầu lửa cung cấp đa phần nguồn điện cho nước Mĩ, nhà máy điện hạt nhân khơng giải phóng chất độc hay khí nhà kính vào bầu khí Trái Đất, khơng góp phần vào ấm lên tồn cầu Khói trắng từ nhà máy nước khơng phóng xạ Mặc dù nhà máy điện hạt nhân làm phát sinh chất thải hạt nhân có thời gian sống lâu dài,
người ta cho chất thải gây đe dọa cho sinh khí nhà kính 2.5 Lực hạt nhân mạnh, phân rã alpha phân hạch
(10)hạt nhân mạnh, luôn lực hút, tác dụng neutron với neutron, neutron với proton, proton với proton với độ lớn xấp xỉ Lực hạt nhân mạnh khơng có tác dụng lên electron, lí khơng ảnh hưởng tới phản ứng hóa học
q/ Lực hạt nhân mạnh đột ngột mạnh khoảng cách fm
Khơng giống lực điện, lực có độ lớn cho định luật Coulomb có dạng đơn giản, khơng có cơng thức đơn giản cho mức độ mà lực hạt nhân phụ thuộc vào khoảng cách Nói đại khái, phát huy tác dụng ngưỡng ~ fm, giảm nhanh khoảng cách lớn (nhanh 1/r2 nhiều) Vì bán kính neutron hay proton vào khoảng fm, nghĩa
là bó neutron proton gói chặt vào để hình thành nên hạt nhân, nên lực hạt nhân mạnh hiệu hạt lân cận
(11)r/1 Các lực triệt tiêu Các lực không triệt tiêu Trong hạt nhân nặng, số lượng lớn lực đẩy điện thêm lực so sánh với lực hạt nhân mạnh
4 Phát xạ alpha Sự phân hạch
Trong hạt nhân nặng, r/3, proton rìa có vài lân cận đủ gần để hút đáng kể thông qua lực hạt nhân mạnh, proton khác hạt nhân tác dụng lực đẩy điện lên Nếu hạt nhân đủ lớn, lực đẩy điện tổng hợp đủ để thắng sức hút lực mạnh, hạt nhân nhả proton Tuy nhiên, phát xạ proton hiếm; loại phân rã phóng xạ phổ biến hạt nhân nặng phân rã alpha, minh họa hình r/4 [Phân rã alpha phổ biến hạt alpha xếp bền neutron proton] Sự không cân lực tương tự trên, kẻ bị phóng hạt alpha (hai proton hai neutron) proton
Hạt nhân có khả tách thành hai mảnh có kích thước xấp xỉ nhau, r/5, q trình gọi phân hạch Lưu ý hai mảnh vỡ lớn, cịn có chùm neutron riêng lẻ Trong bom phân hạch hạt nhân lò phản ứng phân hạch hạt nhân, số neutron bay va chạm với hạt nhân khác, làm cho chúng chịu phân hạch Kết phản ứng dây chuyền
(12)Sự ngẫu nhiên vật lí học
Làm nguyên tử định phân rã ? Chúng ta tưởng tượng điều giống nhà bị mối mọt phá hoại ngày suy yếu đi, cuối đến ngày trù định đổ sập xuống Tuy nhiên, thí nghiệm khơng thành cơng việc phát “chiếc đồng hồ tíc tắc” nằm nhà; chứng nguyên tử đồng vị cho trước hoàn toàn đồng Tại nguyên tử uranium lại phân rã vào lúc này, ngày hơm nay, cịn ngun tử sống thêm hàng triệu năm ? Câu trả lời hồn tồn ngẫu nhiên Chúng ta phát biểu chung chung thời gian trung bình cần thiết cho đồng vị định phân rã, hay cần cho phân nửa số nguyên tử vật phân rã (chu kì bán rã nó), chưa tiên đoán hành vi nguyên tử định
khoa học