Bài 21. Cấu trúc hạt nhân trang 91, 92, 93 Vật lý 12 Kết nối tri thức: Kích thước nguyên tử nhỏ tới mức kính hiển vi quang học hiện đại nhất cũng không thể giúp chúng ta quan sát rõ...

Câu hỏi:

Kích thước nguyên tử nhỏ tới mức kính hiển vi quang học hiện đại nhất cũng không thể giúp chúng ta quan sát rõ. Hạt nhân có kích thước còn nhỏ hơn rất nhiều (khoảng 0,0001 lần) so với nguyên tử. Các nhà khoa học đã làm thế nào để phát hiện ra điều đó?

Hướng dẫn giải :

Tìm hiểu qua báo đài, internet

Lời giải chi tiết :

Các nhà khoa học đã làm như sau

- Phân rã phóng xạ:

+ Các nhà khoa học nghiên cứu sự phân rã phóng xạ của các nguyên tử.

+ Khi một nguyên tử phóng xạ, nó phát ra các hạt alpha (α) hoặc beta (β).

+ Hạt alpha là hạt nhân heli, có kích thước lớn hơn nhiều so với hạt nhân nguyên tử.

+ Khi hạt alpha đi qua một lớp vật liệu mỏng, nó sẽ ion hóa các nguyên tử trong vật liệu đó.

+ Bằng cách đo độ dài đường đi của hạt alpha trước khi nó bị dừng lại, các nhà khoa học có thể ước tính được kích thước của hạt nhân nguyên tử.

- Thí nghiệm Rutherford:

+ Năm 1911, Ernest Rutherford thực hiện thí nghiệm bắn phá lá vàng bằng hạt alpha.

+ Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.

+ Tuy nhiên, một số ít hạt alpha bị lệch hướng rất lớn.

+ Rutherford giải thích kết quả này bằng cách cho rằng nguyên tử có một hạt nhân nhỏ, tích điện dương, tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử.

+ Hạt alpha bị lệch hướng khi đi qua gần hạt nhân do tương tác điện từ giữa các hạt tích điện.

- Hiệu ứng Zeeman:

+ Hiệu ứng Zeeman là sự tách ra thành nhiều vạch của một vạch quang phổ khi nguyên tử bị đặt trong từ trường.

+ Mức độ tách ra của các vạch quang phổ phụ thuộc vào cường độ từ trường và cấu trúc của hạt nhân.

+ Bằng cách nghiên cứu hiệu ứng Zeeman, các nhà khoa học có thể thu thập thông tin về kích thước và cấu trúc của hạt nhân.

Câu hỏi:

1. Dựa vào kết quả thí nghiệm tán xạ hạt a để trả lời các câu hỏi sau:

a) Tần suất đốm sáng xuất hiện khi kính hiển vi ở vị trí (1) (vị trí đối diện với nguồn phát tia α - Hình 21.2 b) là lớn nhất chứng tỏ điều gì?

b) Tại sao có một số hạt a đổi hướng chuyển động khi đi qua lá vàng?

c) Số hạt α không đi qua lá vàng mà bật lại tới vị trí (2) với tần suất chỉ bằng 10^-4 lần tần suất hạt α đi qua lá vàng tới vị trí (1) chứng tỏ điều gì?

2. Dựa trên thí nghiệm tán xạ hạt a, Rutherford đề xuất một mô hình hành tinh nguyên tử (Hình 21.5 a).

a) Mô tả mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford.

b) Giải thích mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford dựa vào các câu trả lời ở ý 1.

Hướng dẫn giải :

Dựa vào thí nghiệm tán xạ hạt alpha và mô hình hành tinh nguyên tử Rutherford

Lời giải chi tiết :

1. Dựa vào kết quả thí nghiệm tán xạ hạt alpha:

a) Tần suất đốm sáng xuất hiện tại vị trí (1) lớn nhất chứng tỏ:

- Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, chứng tỏ phần lớn nguyên tử là "rỗng”.

b) Lý do một số hạt alpha đổi hướng chuyển động:

- Khi đi qua lá vàng, một số hạt alpha bị lệch hướng do va chạm với các hạt nhân nguyên tử.

- Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử, nhưng lại tập trung hầu hết khối lượng và điện tích dương của nguyên tử.

- Lực tương tác điện từ giữa hạt alpha (mang điện tích dương) và hạt nhân (mang điện tích dương) khiến một số hạt alpha bị lệch hướng.

c) Số hạt alpha bật lại vị trí (2) chứng tỏ:

- Một số ít hạt alpha va chạm trực diện với hạt nhân nguyên tử, bị đẩy ngược lại với góc lớn.

- Điều này chứng tỏ hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ, nhưng lại có điện tích dương tập trung.

2. Mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford:

a) Mô tả:

- Giống như hệ Mặt Trời, nguyên tử được cấu tạo từ:

+ Hạt nhân: Nằm ở trung tâm, mang điện tích dương, tập trung hầu hết khối lượng nguyên tử.

+ Electron: Quay xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo nhất định, mang điện tích âm.

+ Giữa hạt nhân và electron có khoảng cách rất lớn so với kích thước hạt nhân.

b) Giải thích dựa trên thí nghiệm tán xạ hạt alpha:

- Hầu hết hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng vì phần lớn nguyên tử là "rỗng”, chỉ có hạt nhân ở trung tâm.

- Một số ít hạt alpha bị lệch hướng do va chạm với hạt nhân, chứng tỏ hạt nhân có kích thước nhỏ nhưng tập trung điện tích dương.

- Số hạt alpha bật lại vị trí (2) chứng tỏ hạt nhân có điện tích dương đẩy lùi hạt alpha.

Câu hỏi:

Xác định khối lượng của proton và neutron theo đơn vị amu.

Hướng dẫn giải :

Đổi đơn vị từ kg sang amu: 1 amu = 1,66054.10^-27 kg

Lời giải chi tiết :

m_p = 1,67262.10^-27 kg = 1,007274 amu

m_n = 1,67493.10^-27 kg = 1,008665 amu

Câu hỏi:

Công thức 21.1 cho kết quả tốt hơn với A > 12. Nghiệm lại sự chính xác của công thức này cho các hạt nhân trong Bảng 21.1

Hướng dẫn giải :

Công thức 21.1: \(R = 1,{2.10^{ - 15}}.{A^{\frac{1}{3}}}\)

Lời giải chi tiết :

Công thức 21.1 cho kết quả gần đúng với các nguyên tố Oxigen, Silicon, Sắt, Cadimium, Vàng, Uranium

Câu hỏi:

1. Trong kí hiệu hạt nhân, đại lượng N = A - Z cho biết số lượng của loại hạt nào trong hạt

2. Bằng cách nào có thể tìm được số Z và số N của hạt nhân có kí hiệu dạng \({}^AX\)?

3. Viết kí hiệu hạt nhân vàng (Au), helium (He) và nitrogen (N), biết rằng số lượng nucleon của các hạt nhân này lần lượt là 197; 4 và 14.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết về hạt nhân

Lời giải chi tiết :

1. Đại lượng N cho biết số neutron trong hạt nhân

2. Số hiệu nguyên tử (Z): Z được ghi ở dưới bên trái kí hiệu hạt nhân.

Số neutron (N): N = A – Z, A là số khối, được ghi ở trên bên trái kí hiệu hạt nhân.

3.

- Vàng (Au):

Z = 79 (số proton)

A = 197 (số khối)

N = A - Z = 197 - 79 = 118 (số neutron)

Kí hiệu: \({}_{79}^{197}Au\)

- Helium (He):

Z = 2 (số proton)

A = 4 (số khối)

N = A - Z = 4 - 2 = 2 (số neutron)

Kí hiệu: \({}_2^4He\)

- Nitrogen (N):

Z = 7 (số proton)

A = 14 (số khối)

N = A - Z = 14 - 7 = 7 (số neutron)

Kí hiệu: \({}_7^{14}N\)

Câu hỏi:

Giải thích tại sao các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng khối lượng riêng vẫn có thể khác nhau

Hướng dẫn giải :

Dựa vào sự phụ thuộc của khối lượng riêng vào các yếu tố

Lời giải chi tiết :

Khối lượng riêng của chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

- Cấu tạo nguyên tử

- Cấu trúc mạng tinh thể

- Trạng thái tập hợp

- Các yếu tố khác như nhiệt độ, áp suất, tạp chất

Do đó, các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng có thể có khối lượng riêng khác nhau.