Tài liệu Cấu tạo chất đại cương lâm ngọc thiềm

ĨỌ C TH Ư V IỆ N THIÉM DẠI IIỌC TI1UỶ SẢN Đ 5 4 1 ,2 L 120 Th IU tao chát • THU VIEN DAI HOC THU V SAN 1000009521 OKI GQG HáMội NHÀ XUẤT BÀN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI LÂM NGỌC THIỂM CẤU TẠO CHẤT ĐẠI CƯƠNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Q u ố c GIA HÀ NỘI - 2001 C hiu trá c h n h iệm x u ấ t bản: Giám đốc: NGUYÊN v ă n t h ỏ a Tổng biên tập: NGUYÊN t h i ệ n g i á p N gười n h ậ n xét: PGS. TS TRẦN THÀNH HUẾ PGS. TS PHẠM VĂN NHIÊN PGS. TS TRẦN HIỆP HẢI B iên tâ p : LÊ KIM LONG T rìn h bày bìa: Quốc THẢNG CẤU TẠO CHẤT ĐẠI CƯƠNG Mã số: 01.73. ĐH 2001 - 33.2001 In 1000 bản, tại Nhà in Đại học Quốc gia Hà Nội Số xuất bản: 226/33/CXB. Số trích ngang 205 In xong và nộp lưu chiểu Quý 3năm 2001 KH/XB. Lời nói đầu Cấu tạo nguyên tử, p h ân tử được xây dựng trên cơ sở của cơ học lượng tử là một lí th u y ết trừ u tượng, phức tạp và tương đối khó. Giảng dạy giáo trìn h này cho sinh viên năm th ứ n h ấ t đại học đang là công việc được nhiều n h à sư phạm quan tâm . Lượng thông tin cung cấp cho sinh viên năm đầu vừa mới chuyển từ phổ thông lên, phải đầy đủ, chính xác, dễ hiểu. Đây thực sự là một bài toán khó. Để đáp ứng yêu cầu này, chúng tôi cho rằng nội dung bài giảng phải được thể hiện dưới dạng mô tả bằng bảng biểụ, đồ thị, hình vẽ trực giác, trá n h những dẫn giải rườm rà hoặc sa vào các th u ậ t toán không cần thiết, làm lu mờ ý nghĩa khoa học của vấn đề. Sau mỗi chương có phần tóm lược những nội dung cơ bản nhất-dưối tiêu đề "N h ữ n g điểm trọng yếu". Cùng với giáo trìn h này sẽ có cuốn hướng dẫn riêng đê giải các dạng bài tập, nên trong sách này không có câu hỏi và bài tập. Với suy nghĩ như vậy, chúng tôi hy vọng cuốn sách cấu tạo ch ất đại cương đã được Hội đồng chuyên ngành ĐHQG thẩm định thông qua sẽ đáp ứng được yêu cầu là xây dựng các khái niệm cơ sở cho sinh viên ngay ở những năm đầu tiên bậc đại học. N hững ai tiếp tục theo chuyên ngành hóa sẽ được học ở những năm tiếp theo môn cơ sở hóa học lượng tử sâu sắc hơn. Do thời gian có h ạ n và k inh nghiệm chưa nhiều, chúng tôi rấ t mong sự đóng góp về mọi m ặt của độc giả để cuốn sách ngày càng hoàn th iện hơn. Tháng 9 năm 1999 Tác giả Phần I CẤU TẠO N G U Y Ê N TỬ H Ệ T H Ố N G T U Ầ N H O À N CÁC N G U Y Ê N T ố Chương I KHÁI QUÁT VỀ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ 1.1 Mở đầu Từ lâu các nhà triế t học cổ Hy Lạp đã giả th iết nguyên tử tồn tạ i như những h ạ t vô cùng nhỏ không th ể nhìn thấy, không th ể chia nhỏ được. N hững k hái niệm này còn bị nghi ngờ và tra n h cãi, nhưng đến nay sự tồn tạ i của nguyên tử đã được xác n h ậ n bằng thực nghiệm. Đ ến cuổĩ th ế kỷ 19 và đầu thê kỷ 20 hàng loạt các phát m inh quan trọng về vật lý được xác lập như sự khám phá ra tia X, hiện tượng phóng xạ, các h ạ t cơ bản: electron, proton, nơtron... K ết quả của các p h á t m inh này đã cho phép chúng ta thêm sáng tỏ nguyên tử, phân tử là các hệ vi mô khá phức tạp. Đầu tiên, Thomson - Lorentz đã đưa ra mẫu nguyên tử ở dạng hình cầu vổí đường kính d = 10‘10m = 1A°. Tâm hĩnh cầu là hạt nhân tích-điện dương, các electron chuyển động quanh h ạt nhân. Tiếp sau, vào năm 1911 R utherford đề x u ất m ẫu h àn h tin h . Ông ví trá i đất và các h à n h tin h khác như các electron quay quanh m ặt trời được coi là h ạ t nhân. M ẫu h àn h tin h do R utherford đề xướng được hoàn thiện thêm một bước bởi lý th u y ế t của Bohr - Sommerfeld và đã th u được một số k ết quả đáng ghi n hận. Đe có một h ìn h ản h tương đối hoàn chỉnh về cấu trú c nguyên tử phải chờ cho đến khi lý th u y ết về cơ học lượng tử 5 ra đòi (1926). D ựa vào lý th u y ế t lượng tử và các tiế n bộ khoa học và kỹ th u ậ t, người ta ngày càng sán g tỏ thêm về sự phức tạ p của cấu trú c nguyên tử. Có th ể nói rằ n g nguyên tử là do các h ạ t cơ b ả n cấu th à n h . N guyên tử đặc trư n g cho m ột nguyên tô" hóa học với m ột giá trị điện tích h ạ t n h â n z xác định. N hư vậy - Đơn c h ấ t là do các nguyên tử của cùng m ột nguyên tô" hợp th à n h n h ư 0 2, N 2... - Hợp c h ấ t là do n h iều nguyên tử của các nguyên tô tạo nên n h ư H 20 , CH 4, C2H 5OH... - Sự k ết hợp các nguyên tử khác n h a u d ẫn tới sự h ìn h th à n h p h â n tử có dạng XnYp. 1.2. Một sô định luật hóa học quan trọng T rong quá trìn h p h á t triể n của hóa học, đã có n h iều định lu ậ t được h ìn h th à n h n h ư đ ịn h lu ậ t tỉ sô" không đổi của P ro u st (1801) địn h lu ậ t tỷ lệ bội sô" củ a D alton (1804), đ ịn h lu ậ t bảo to à n khôi lượng của L avoisier - Lomonoscv, đ ịn h lu ậ t A vagadro... 1.2.2 Định luật bảo khôi lượng N ăm 1756, lầ n đ ầu tiên , n h à bác học người Nga Lomonosov, sau đó vào năm 1789 n h à bác học lỗi lạc người P h á p Lavoisier độc lập vối n h a u đều đưa r a p h á t k iến của m ình về đ ịn h lu ậ t bảo to àn khối lượng. Nội dung của đ ịn h lu ậ t này là: Tông khối lượng của các chất th a m g ia và h ìn h th à n h trong m ộ t quá trìn h hóa học là luôn luôn không đổi 1.2.2 Định luật tỉ lệ bội sô Dalton T rong nhữ ng điều k iện xác đ ịn h khi h a i nguyên tô" k ế t hợp vối n h a u cho m ột hợp c h ấ t hóa học th ì ứng với cùng m ột khối lượng n guyên tô" này, các khối lượng nguyên tô k ia tỉ lệ vối n h a u được xem n h ư những sô" nguyên đơn giản. 6 Để làm sáng tỏ p h át kiến của mình, D alton đã giả th iế t rằn g nguyên tử là những vi h ạ t cấu th à n h các chất, nó không có khả năng chia nhỏ hơn nữa bằng các phương pháp hóa học thông thường. 1.2.3 Định luật Gay - Lussac về thể tích Khi đề cập đến thể tích các khí tham gia và tạo th àn h trong quá trìn h hóa học, Gay - Lussác (1808) đã đưa ra định lu ậ t và được p h át biểu như sau: Ở cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, tỉ sô' các th ể tích của các k h í tham gia và hình thành trong m ột quá trình hóa học là tỉ sô'của các sô'nguyên đơn giản 1.2.3 Định I uật A vogadro Căn cứ vào nội dung các định lu ậ t vừa nêu trên, n h ấ t là định lu ậ t Gay - Lussác về th ể tích khí, năm 1811 Avogadro, nhà vật lý Ita lia đã tổng hợp th à n h m ột định lu ật quan trọng với nội dung: Ở cùng những điều kiện về nhiệt độ và áp suất, những thê tích bằng nhau của các chất k h í đều chứa cùng sô'phân tử. Từ định lu ậ t này, lần đầu tiên, Avogadro đã đưa ra khái niệm về phân t'ử như những hệ vi mô độc lập của một chất chứa ít n h ấ t là hai nguyên tử (trừ trường hợp khí trơ). Ví dụ phân tử hidro H 2, phân tử Clo Cl2, phân tử oxi 0 2 v.v... 1.3 Hệ thống khối lượng nguyên tử, phân tử Trước khi xem xét cấu tạo nguyên tử ta cần nắm vững hệ thống khối lượụg nguyên tử, p h â n tử. 1.3.2 Sô Avogadro (N) Ngày nay người ta quan niệm sô' nguyên tử cacbon 12 chứa tro n g 0,012 kg 12c gọi là sô' Avogadro được kí hiệu là N. 7 N = 6,02. IO23 K hi chia N /m ol ta có h ằ n g số’Avogadro được k í h iệu là NA. N a = — = 6,02.10 23 m oi “1 mol 1.3.2 Khái niệm về mol Theo hệ đơn vị SI (System e in te rn a tio n n a l), mol là 1 tro n g 7 đơn vị cơ b ả n của hệ n à y và được đ ịnh nghĩa như sau: M ol là lượng c h ấ t chứ a 6,02.10 23 h ạ t vi mô. Từ đ ịn h n g h ĩa n ày kh i dùng k h á i niệm mol cần chỉ rõ cụ th ể loại h ạ t vi mô. Ví dụ: lm o l nguyên tử H; lm o l p h â n tử H 2; lm o l ion H + v.v... D ựa vào k h á i niệm mol ta cũng có th ể nói: Sô" p h ầ n tử h ạ t vi mô (nguyên tử, p h â n tử ...) có tro n g 1 mol c h ấ t ch ín h là số Avogadro. 1.3.3 Đơn vị khối lượng nguyên tửịu) Từ 1961 người ta đã chọn 1 hệ đơn vị th ố n g n h ấ t để biểu diễn khối lượng nguyên tử th a y cho kg. Đơn vị đó là khối lượng nguyên tử (kí h iêu là u) u b ằn g — khối lượng của đồng vị cacbon 12 (i2C) _ 1 „ 1 1 2 . 1 0 3 kg r v - 2 7 1 ____c a , n - 2 4 „ u = — m c = —- . ------ ------ — = 1 ,66.10 kg = 1 ,66.10 g 12 c 12 N s Từ k h á i niệm u ta có th ể r ú t ra: - Khối lượng nguyên tử tu y ệ t đối (ma). Đ ó là khôi lượng th ự c của m ột nguyên tử được tín h ra g. Ví dụ: mc = 12,001 l u = 1,992.10'23g - Khối lượng p h â n tử tu y ệ t đối (mM) Ví dụ: m Ha =2.1,008u - 3,346.10-24 g 8 - Khối lượng nguyên tử tương đối (A) Ta nói khôi lượng nguyên tử tương đốì là muốn chỉ rõ khối lượng nguyên tử của một nguyên tô" nào đó đang xem xét gấp bao nhiêu lần khôi lượng được chọn làm khôi lượng so sánh. Vì vậy giá trị th u được không có th ứ nguyên. Ví dụ: A(C) = 12,0011 hay c = 12,0011 Từ khái niệm này ta có thể nói số’đo của khôi lượng nguyên tử tín h ra u gọi là nguyên tử khôi. 1.3.4 Khởi lượng mol nguyên tủ, khối lượng mol phân tủ Khối lượng mol nguyên tử đưực xác dịnh bằng tỉ số của khôi lượng nguyên tử tín h ra gam chia cho lượng chất tín h theo moỉ. Do vậy dơn vị nhận được là g/mol Ví dụ: Khôi lượng mol của cacbon là: 12,0011 g/mol Cũng định nghĩa một cách tương tự ta sẽ có khái niệm khôi lượng mol phân tử. Ví dụ: khối lượng mol phân tử H 20 là: 18,0158g/mol 1.3.5 Thê tích moi phân tử của các khí Từ định lu ật Avogadro ta có th ể suy ra rằng thể tích mol p h ân tử là th ể tích chiếm bởi một mol phân tử khí. Ở điều kiện tiêu chuẩn (0°C) và latm ) th ể tích mol phân tử của mọi chất khí (kê cả hỗn hợp khí) đều bằng 22,4 lít. 1.4 T h àn h ph ần cấ u tr ú c c ủ a n g u y ên tử 1.4.1 Khôi lượng và điện tích các hạt trong nguyên tử Đến nay người ta đã biết mỗi nguvên tử được cấu tạo từ một h ạ t nhân m ang điện tích dương bao gồm h ạ t proton, nơtron và lớp vỏ gồm một hay nhiều electron m ang điện tích âm chuyển động xung quanh h ạ t nhân. 9 N gày nay, nhò các phương p h á p h iện đại của v ậ t lý người ta đã xác đ ịn h được khối lượng (m) và điện tích (q) của các h ạ t cấu tạo n ên nguyên tử. Các giá tr ị m và q được ghi ở b ản g 1.1 Bảng 1.1 Khối lượng và điện tích của các hạt cấu thành nguyên tử Đ iệ n tích q K h ố i lượng m Loại hạt u kg (c) e le ctro n 9 ,1 0 9 .1 0 '31 * 5 , 5 5 . 10 -* 1 ,6 0 2 .1 0 19 = -e 0 p ro to n 1 ,6 7 2 .1 0 ’27 ~ 1,007 + 1 ,6 0 2 .10‘19 = + e„ nơtron 1 .6 7 5 .1 0 -27 « 1 ,009 0 Vì h ạ t n h â n nguyên tử có kích thước r ấ t nhỏ (cỡ 10"13cm -M0"l2cm) so vối kích thước của nguyên tử (cỡ 1er8 em) nên giữa h ạ t n h â n và lớp vỏ electron là kh o ản g rỗng. M ặt kh ác, do khôi lượng của electron lại r ấ t nhỏ so với khối lượng của proton và nơtron (khoảng 1836 lần) n ên khôi lượng của nguyên tử có th ể coi n h ư tậ p tru n g tạ i h ạ t n h â n nguyên tử. 1.4.2 Sô điện tích hạt nhân z N hư đã nói ở trê n , tro n g h ạ t n h â n có h ai loại h ạ t là proton và nơtron. Do nơtron không m an g điện tích nên điện tích của h ạ t n h â n ch ín h là điện tích của proton. M ặt khác, do nguyên tử tru n g hòa về điện nên sô" proton bằng sô" electron quay q u an h h ạ t n h ân . Ngoài ra, theo lý th u y ế t cấu tạo nguyên tử th ì sô electron ở lốp vỏ nguyên tử sẽ quyết địn h tín h c h ấ t hóa học của nguyên tử. N hư vậy: Đ iện tích h ạ t n h â n = sô" proton = sô" electron = sô" th ứ tự của nguyên tô" tro n g b ả n g tu ầ n hoàn, và mỗi giá trị sô" th ứ tự xác đ ịn h m ột nguyên tố hóa học. z z Để xác đ ịn h số th ứ tự z, M oseley đã tiế n h à n h xác đ ịn h sô" sóng V của các tia X bức xạ ra k h i b ắ n p h á h ạ t n h â n . N ăm 10 1913, trê n cơ sở các số liệu th u đuợc, Moseley đã đưa ra công thức liên hệ giữa sô sóng vạch quang phổ tia X và Z: V? = a (Z -b ) a, b - là các hằng sô' Dựa vào các sô' liệu V quan sát được và dùng phương pháp th ị Moseley đã p hát hiện được các nguyên tố mới (xem hình 1 . 1) đồ 'v Ẳ a .0 1* ÌC 40 50 ÍO ĨQ Hình 1.1 Sự phụ thuộc yỊv vào điện tích hạt nhân z 1.4.3 Khái niệm vê khôi A Q uan hệ giữa số khối A vói tổng proton p và nơtron N được biểu diễn bằng hệ thức: A=p +N (1.2) ở đây cần phân biệt khái niệm sô' khốỉ A và khối lượng nguyên tử tương đối (nguyên tử khối) Sô khôi A chỉ tổng sô' h ạ t proton và nơtron (hay sô' nuclêon) của một nguyên tử nên nó phải là một sô' nguyên. 11 N guyên tử khốĩ do b iết tổ n g sô khối lượng của proton và nơ tro n n ên đại lượng n ày thư ờ ng là số lẻ. Trong th ự c t ế nguyên tử khối của m ột n g u y ên tố là nguyên tử khối tru n g b ìn h của m ột hỗn hợp đồng vị (xem m ục I. 4.4) Ví dụ: Đối với cacbon c Sô" khôi A (gồm 6p và 6n) = 12 N guyên tử khôi tru n g b ìn h là 12,0011 Từ hệ thứ c (1.2) ta dễ d àn g xác đ ịnh được N kh i b iết A và Z: N = A -P h a y A-Z N hư vậy A và z được xem n h ư nhữ ng đặc trư n g của nguyên tử. T ừ đó ta ký hiệu nguyên tử X là: v íd ụ ^ C 1.4.4 Khái niệm vê đồng vị Ta có th ể địn h nghĩa đồng vị n h ư sau: N hững d ạn g khác n h a u của m ột nguyên tô" hóa học có cùng điện tích h ạ t n h â n z n hư ng có sô" khôi A khác n h au được gọi là n h ữ n g đồng vị của nguyên tô" đó. Ví dụ: Đối với hidro có 3 đồng vị Ị H ; ‘ị H ; 1 H với oxi cũng có 3 đồng vị ]gO ; ; ’gO H iện tạ i nguyên tô" hóa học có ~109, song đồng vị th ì con sô ấy có th ể tín h b ằn g h àn g nghìn. Do p h ầ n lớn các nguyên tô" hóa học là hỗn hợp của nh iều đồng vị cấu th à n h nên tro n g th ự c t ế người ta thường xác định nguyên tử khôi tru n g b ìn h của hỗn hợp đồng vị. Ví d ụ nguyên tố Đồng có 2 đồng vị là 29Cu và 29 Cu lần lượt chiếm p h ầ n tră m khối lượng là: 73 và 27. Từ đó ta suy ra n guyên tử khổì tru n g b ìn h của Cu là: 12 ^M = 63.73 + 65.27 rA 1223212221211 = 63.54 100 N hững điểu vừa trìn h bày trê n đây ta có thể hiểu nguyên tô" hóa học là các dạng nguyên tử có cùng điện tích h ạt nhân. 1.5 Đ ịn h lu ậ t liê n h ệ giữ a k h ô i lư ợng và n ă n g lượng Mọi người đều rõ khôi lượng và năng lượng E là những thuộc tín h quan trọng của vật chất. Xét về m ặt lý thuyôt, trong một quá trìn h hóa học nào đó, khôi lượng các chất tham gia phản ứng không thực sự được bảo toàn mà nó biến đôi vì phản ứng xảy ra với sự giải phóng hay hấp th ụ năng lượng, nghĩa là nó có sự chuyển hóa qua lại giữa n ăn g lượng và khôi lượng. Vì vậy, về một khía cạnh nào đó, các định lu ậ t bảo toàn năng lượng và bảo toàn khôi lượng không th ậ t hoàn toàn chính xác. Theo Einstein, quan hệ giữa khối lượng và năng lượng của một vật th ể có thể dược biểu diễn bằng hệ thức: E = mc 2 (1.3) Trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không c ~ 3.108m/s. Với b ất kỳ một quá trìn h nào, sự biến thiên vê năng lương AE luôn luôn kèm theo sự biến thiên về khôi lượng Am của hệ. Ta có AE = Amc2 (1.4) Theo hệ thức này, vì c có giá trị rấ t lớn nên sự biến thiên khôi lượng Am chỉ đáng kể trong những quá trìn h có kèm theo sự biến thiên năng lượng AE lớn như trong các phản ứng h ạt nhân. Đôl với các quá trìn h thông thường, chẳng h ạn phản ứng hóa học, có AE nhỏ th ì sự biến thiên Am là không đáng kể. C hính vì lý do này, nên trong thực tế, định lu ậ t bảo toàn khôi lượng vẫn được xem như là phù hợp. 13ọ Đơn vị n ă n g lượng được sử d ụ n g cho hệ vi mô thường là "electrón - volt (eV)". Đó c h ín h là n ă n g lượng của 1 electrón ch u y ển động tro n g đ iện trư ờ n g với h iệu điện th ế u = IV. Do vậy leV = 1,6.10'19C X IV = 1,6.10-19 Joule hay lM eV = 1,6.1013J Áp dụng hệ thức E in ste in ta có: 1 í r 3 XÍ11 0 8 12 E(MeV) = — —— — - = 931,5 MeV . Suy ra 6,02.1023x 1,6.1CT13 _ MeV lu = 931,5—— c2 M ặt khác, cũng th eo th u y ế t tương đối của E in ste in giữa khối lượng tĩn h m 0 và khôi lượng của v ậ t k h i ch uyển động m v với v ận tốc V có q u an hệ tro n g hệ thức: mv = (1.5) Theo hệ thức n ày ta n h ậ n thấy: K hi vận tốc của v ậ t tă n g th ì khôi lượng của nó cũng tăng, k h i V = 0 th ì khôi lượng ở d ạn g nghỉ = m 0. Đôl với các v ậ t th ể vĩ mô, do tốc độ chuyển động q u á nhỏ so với tốc độ á n h sán g nên th ự c t ế khối lượng ch u y ển động và khối lượng nghỉ là n h ư n h au . Sự h iệu ch ỉn h khôi lượng tro n g trư ờ ng hợp này h o àn to àn khô n g cần th iế t. Đối với các vật th ể vi mô (electrón, proton...), tốc độ chuyển động của nó kh á lốn nên sự hiệu chỉnh khôi lượng phải chú ý tới. N ếu V2 > c th ì biểu thứ c dưới căn 1 - ~ < 0 . Đ iều này c2 k h ông có ý nghĩa. T ừ đó ta nói rằ n g không có v ậ t th ể nào ch u y ển động với v ận tốc lớn hơn tốc độ á n h sáng. 14 V N h ữ n g đ iể m t r ọ n g y ê u c h ư ơ n g 1 1. Nguyên tử được cấu tạo bởi h ạ t n h ân (p và n) và lớp vỏ electron (e) bao quanh Nguyên tố được ký hiệu 2X với A=z +N z= p = e 2. Mol là lượng ch ất chứa 6,02.1023 h ạ t vi mô. Sô' phần tử cấu trúc (nguyên tử, phân tử) có trong 1 mol chất chính là số’ Avogadro NA = 6,02.1023 moi"1. Đơn vị khối lượng nguyên tử u^ m i 2c = l, 66 . 10 “27kg 3. Khối lượng mol nguyên tử hay khốĩ lượng mol p h ân tử bằng tỉ số giữa khối lượng nguyên tử hay phân tử tín h ra (g) trê n lượng chất tín h theo mol: C: 12,0011 g/mol H 20 : 18,0158 g/mol. Nguyên tử khôi của một nguyên tô là nguyên tử khôi tru n g b ìn h của một hỗn hợp các đồng vị tạo thành. 4. Q uan hệ giữa khối lượng m và năng lượng E được xác định bằng biểu thức của E instein E = mc 2 15 Chương II ĐẠI CƯƠNG VỂ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 11.1 K h ái q u á t v ề h ạ t n h â n 11.1.1 Thành phần cấu trúc của hạt nhân Khi tiế n h à n h th í nghiệm b ắ n phá h ạ t n h â n nguyên tử bằng h ạ t 01(9 He ) người ta n h ậ n th ấ y rằ n g h ạ t n h â n nguyên tử được cấu tạo bởi hai loại hạt: a. P roton : h ạ t này do R u th erfo rd khám p h á ra nãm 1911 theo p h ả n ứng sau: 2 H e + ^ N - > ]ẴO + IH B ằng các phép đo ch ín h xác, người ta dã xác dịnh được khôi lượng và điện tích của proton là: m p = 1,672.10~27 kg = 1,0072 u gấp 1836 lần khôi lượng của electron. qp = 1,602.10'19 = +e„. b. N ơ tro n C hadw ick dùng tia a b ắn p h á h ạ t n h â n Be đi đến n h ậ n xét rằng: Trong h ạ t n h â n n guyên tử ngoài proton còn tồn tại một loại h ạ t không m ang điện tích và có khôi lượng gần b ằn g m ột dơn vị khối lượng nguyên tử u, đó là h ạ t cơ b ả n nơtron. 2 He + 4 Be -> K ết quả xác đ ịn h m n và qn là: m n = 1,675.10"27 kg = l,0 0 8 6 u qn = 0 16 + ịn N hư vậy trong h ạ t n h â n có hai loại hạt: proton và nơtron, do nơtron tru n g hòa điện tích nên điện tích của h ạ t n h ân chính là điện tích của proton. M ặt khác, trong nguyên tử số proton bằng sô" electron nên ta có th ể viết: z = sô" điện tích h ạ t n h ân = sô" proton = sô" electron II. 1.2 Kích thước của hạt nhân Từ các k ết quả xác định khổĩ lượng của các h ạ t cơ bản, ta biết rằn g khối lượng của proton gấp 1836 lần khối lượng electron nên m ột cách gần đúng có th ể nói rằn g khốĩ lượng của nguyên tử h ầ u như tập trung ở h ạ t nhân. Giữa h ạ t n h ân và electron là m ột khoảng rỗng. B ằng nhiều các k ế t quả nghiên cứu thực nghiệm người ta rú t ra rằng bán k ính h ạ t nhân nguyên tử tu â n theo công thức gần đúng sau: R = ^Ỉ2‘Ì[Ã. 10 “15m (2.1) A - sô" khối Ví dụ với 232Th, b án kính h ạ t n h ân có giá trị 1.10'14m, bán k ín h nguyên tử xấp xỉ là 10"10m. Tỉ sô" Rh/n R„/tử 10~14 1(T10 1 10.000 N hư vậy b án kín h nguyên tử lớn hơn b án k ín h h ạ t n h ân khoảng 10.000 lần. Do khôi lượng của nguyên tử hầu như tập tru n g ở h ạ t nhân; th ể tích h ạ t n h â n lại vô cùng nhỏ so vói nguyên tử nên tỉ khôi d của h ạ t n h â n r ấ t lớn. Mỗi cm 3 h a t n h ân có khối lượng khoảng - 1 3 0 triệ u tấn. 17 II.1.3 Spiìt của hạt nhân Theo cơ học lượng tử, m ôm en động lượng riê n g của h ạ t n h â n (nuclêon) được xác đ ịn h b ằ n g biểu thức M ị = Ạ ( I + l) h (2.2) I - số’lượng tử spin của h ạ t n h â n T ừ các sô’ liệu thực nghiệm người ta n h ậ n th ấ y rằ n g các h ạ t n h â n có số khối A ch ẵn sẽ tương ứng với I nguyên, còn các h ạ t n h â n có A lẻ th ì I th u được là b á n nguyên. Do spin h ạ t n h â n gây ra m ột m ôm en từ h ạ t n h â n trê n m ột phương tro n g từ trư ờ ng n ên nó sẽ ả n h hưởng đến ch uyên động của electron tro n g lớp vỏ và có tác động p h ụ th êm tro n g hiện tượng q u a n g phổ tế vi (sự tá ch n h ữ n g vạch ph ổ nguyên tử). II.2 Lực liên kết và năng lượng hạt nhân II.2.1 Lực liên kết T a b iế t rằ n g h ạ t n h â n gồm h a i h ạ t là proton và nơtron làm th à n h nucleon. V ậy tạ i sao h ai h ạ t này lại tồn tạ i với nhau? Để tr ả lời câu hỏi n ày n h iề u công trìn h n ghiên cứu về h ạ t n h â n đã chỉ rõ lực tương tác giữa các h ạ t tro n g h ạ t n h â n là loại tương tác k h á m ạ n h ở k h o ản g cách nhỏ. Lực này x u ấ t h iện là do m ột q ú a trìn h chuyển hóa liên tục từ proton san g nơtron và ngược lại. T a có th ẻ b iểu diễn q u á trìn h n ày theo giả th u y ế t của Iv an en k o n h ư sau: Ồn ^ Ịp + e~ + u 0 e* là n ê g a tro n x u ấ t h iệ n tro n g q u á trìn h chuyển hóa ị n *=* ¿p + e + + u 0 e+ là positron u 0 là nơtrino c ó m « l/5 0 0 m e và cũng kh ông m an g điện. 18 v ề vấn đề này cũng còn tồn tạ i một số giả th iế t khác nữa. Cho đến nay, bản chất của lực liên k ết h ạ t n h ân vẫn còn là đề tà i th ảo luận. II.2.2 Năng lượng liên kết hạt nhân. D ù th ế nào đi chăng nữa, m uốn phá vỡ h ạ t nhân, nghĩa là phá vỡ lực liên k ết h ạ t n h ân cũng cần một năng lượng. Các phương pháp v ật lý dùng để xác định khối lượng của nucléon và của h ạ t n h â n đã chỉ rõ khối lượng của h ạ t nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khôi lượng của các nucléon tham gia tạo th à n h h ạ t nhân. Điều này có th ể biểu diễn như sau: Am = [Zmp + (A -Z )m n j - m hn (2.3) Am gọi là sự h ụ t khối lượng. Am tương ứng với một năng lượng được giải phóng ra khi hìn h th à n h h ạt nhân từ các nucléon. Theo E instein năng lượng giải phóng ra được tín h theo công thức: E = Amc2 (2.4) E th u được chính là năng lượng h ạ t nhân. Như th ế rõ ràng m uốn p h á vỡ h ạ t n h ân người ta p hải cung cấp một năng lượng tối th iể u bằng E. Để m inh hoạ cho điều này ta lấy một ví dụ sau đây: T hí dụ: h ạ t nhân He có hai proton và hai nơtron. Khối lượng của h ạ t n h ân bằng 4,0026u. Am = m p + m n - mHe = 2.1,0072 + 2.1,0086 - 4,0026 = 0,029u E . A m ,2 . 0.029.1.66.10-^3,108>a = 27.04.i0« eV 1,602.10~19 Vậy h ạ t n h â n Heli có năng lượng liên k ết là: E = 27,04 MeV 19 Đ ể th ấ y n ă n g lượng h ạ t n h â n giải phóng ra lớn như th ế nào, ta làm phép so s á n h sa u đây: EWn = 27,04.106 eV tươ ng ứ ng với 4,33.10 ‘ 12 J. T rong 1 mol h ạ t n h â n n ă n g lượng đó là: 4 ,3 3 .10"12J.6 ,0 2 .1 0 23 = 2,6.10+12J/m ol = 2,6.10 9kJ/m ol M ặt khác, ta lạ i b iế t k h i đốt th a n (1 mol cacbon) th ì n ăn g lượng to ả ra: c + 0 2 —» C 0 2 với 390,41 kJ/m ol N h ư vậy m uôn có nguồn n ă n g lượng trê n ta cần đốt khoảng 80 tấ n th a n . 80 tấn 4g 11.2.3 Năng lượng liên kết riêng Er E r được xác đ ịn h theo hệ thứ c R = E Er A A - số nuclêon (số khối) Ví dụ đối với 2 H e th ì Er là E = 27>Q4_M ev 4 N h ư th ế E r càng lớn th ì E càng nhỏ và h ạ t n h â n càng bên. Người ta biểu diễn q u a n hệ E r và A theo đồ th ị (h ìn h 2.1). Từ đồ th ị k h i A ~ 56 th ì E r đ ạ t giá tr ị cực đại sau đó giảm vổi các ng u y ên tô' có A lớn. 20