Hạt nhân nguyên tử – Cấu trúc, tương tác, đồng vị, spin

Năm 1909, Ernest Rutherford phát hiện proton và vào năm 1911, ông đã đưa ra mô hình hành tinh nguyên tử mới. Bằng cách quan sát hiện tượng tán xạ của các hạt khi chúng đi qua lá vàng mỏng, ông đã khám phá ra rằng toàn bộ điện tích dương của nguyên tố và hầu hết khối lượng của nguyên tử tập trung tại một khu vực nhỏ tại trung tâm gọi là hạt nhân nguyên tử, trong khi các điện tử xoay quanh hạt nhân này trên các quỹ đạo cụ thể.

Sau khi Chadwick khám phá ra nơtron năm 1932, Ivanenko dựa trên hệ thức bất định Heisenberg, vào năm 1934 xác định mẫu hạt nhân gồm hai loại hạt proton và notron, có tên gọi chung là nuclon.

Proton là hạt mang điện tích dương, về trị số bằng điện tích của electron e = 1,6.10-19C, có khối lượng là mp = 1,6724.10-27 kg.

Nơtron là một hạt trung hoà về điện, có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một chút, cụ thể là mn=1,6748.10-27 kg.

Thể tích của hạt nhân nguyên tử chỉ vào khoảng 10-14 thể tích nguyên tử, nhưng do khối lượng của electron rất nhỏ: me = 9,1095.10-31 kg nên khối lượng của nguyên tử lại chủ yếu tập trung ở hạt nhân nguyên tử.

Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong hệ thống tuần hoàn Menđeleev.

• Z được gọi là số điện tích hay nguyên tử số.
• A là tổng số các nuclon trong hạt nhân gọi là số khối lượng.

Như vậy: A = Z + N trong đó N là số notron.

Hạt nhân nguyên tử được ký hiệu bằng ZXA, trong đó X là ký hiệu tên nguyên tử tương ứng. Ví dụ hạt nhân liti: 3Li7 có 3 proton và 4 notron. Mẫu cấu tạo nguyên tử như vậy gọi là mẫu hành tinh nguyên tử.

Các bạn có thể ôn lại các kiến thức cơ bản này ở video sau:

Sự tương tác giữa các proton và notron tuân theo sự trao đổi hạt mezon. Có ba loại hạt mezon là:

• e+ có điện tích bằng điện tích proton
• e- có điện tích bằng điện tích electron
• e0 là hạt không mang điện.

Khối lượng của ba hạt trên bằng cỡ 200 – 300 lần khối lượng electron tức là khoảng 0,25.10-27kg. Sụ tương tác giữa các proton và notron thực hiện bằng cách trao đổi các mezon như được mô tả dưới đây:

• Proton nhả e+ thành nơtron.
• Proton hấp thu e- thành nơtron.
• Proton có thể cho ra e0 và proton khác.
• Nơtron nhả e- thành proton: n é- p Nơtron hấp thụ e+ thành proton: n + e+ p
• Nơtron có thể cho ra é0 và nơtron khác.

MEZON-loại hạt sơ cấp không bền. Có 3 loại mezon: mezon muy, mezon pi và mezon k. Các mezon tạo thành từ một cặp quac và phản quac. Mezon ƒđ được Powell tìm thấy vào năm 1947.

Theo hệ thức bất định về năng lượng ta có:

Trong đó:

• h là hằng số Planck
• t là thời gian sống của hạt mezon

Trong thời gian sống đó hạt mezon đi được một đoạn:

L = 0,466.10-23(s)3.108(m/s) = 1,399.10-15m.

Giá trị này cũng gần bằng bán kính của hạt nhân, cho nên L đôi khi còn được gọi là bán kính điện bởi nó xác định miền bị chắn bởi các hạt điện tích trong hạt nhân.

Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học nhưng có khối lượng khác nhau. Hạt nhân của các đồng vị có cùng số proton Z nhưng có số nơtron N khác nhau.

Ví dụ: Hyđro có ba đồng vị là: 1H1, 1D2, 1T3. Các hạt nhân của ba đồng vị của hyđro đều có 1 proton nhưng hyđro thường 1H1 có nơtron, đơteri 1D2 có 1 nơtron và triti 1T3 có 2 nơtron.

Cácbon có bẩy đồng vị là: 6C10(T1/2=19,1s), 6C11 (T1/2=20,4phỳt), 6C12(98,892%), 6C13 (1,108%), 6C14 (T1/2=5600năm) , 6C15 (T1/2=2,25s) và 6C16 (T1/2=2,25s).

Đồng vị phóng xạ là đồng vị không bền vững của các nguyên tố có tính phóng xạ. Trong thiên nhiên có chừng 50 đồng vị phóng xạ tự nhiên nằm trong các họ phóng xạ, mà đồng vị khởi đầu là các hạt nhân U235, U238, Th232 và Np237 có chu kỳ bán rã rất lớn và tận cùng là các hạt nhân bền Pb206, Pb207, Pb298 và Bi209.

Ngoài ra người ta có thể tạo ra hàng nghìn đồng vị phóng xạ bằng các phản ứng hạt nhân.

Spin hạt nhân như một đặc trưng lượng tử của hạt nhân, có ý nghĩa tương tự như momen động lượng của một vật quay. Ngoài sự chuyển động trong hạt nhân, các nuclon còn tự quay quanh bản thân nên chúng có spin kí hiệu là S, giá trị spin của nuclon bằng 1/2.

Nuclon cũng có momen xung lượng quỹ đạo vì nó chuyển động xung quanh hạt nhân:

L = [r. P]

Nếu tổng hợp hai chuyển động trên nuclon chuyển động quanh hạt nhân sẽ có momen xung lượng toàn phần là:

J = Li + Si

Trong đó: Li,Si là momen quỹ đạo và momen Spin của nuclon thứ i.

Momen xung lượng toàn phần của hạt nhân bằng tổng momen xung lượng của từng nuclon:

J = J1 + J2 +… + Jn (tổng véc tơ)

J được gọi là momen spin của các hạt nhân.

Hạt nhân tồn tại được là do lực hạt nhân liên kết các nuclon trong một miền nhỏ không gian. Các nuclon tác dụng với nhau bằng hai lực chính. Một là lực đẩy tĩnh điện Culong giữa các proton với nhau. Loại lực thứ hai là một lực hút rất mạnh giữa các nuclon. Đó là một loại lực cho đến nay ta chưa gặp.

Lực này tồn tại cả giữa notron và prton nên không thể là lực tĩnh điện hoặc lực từ vì nếu là lực từ thì nó sẽ chỉ là lực hút đối với một số hướng tương đối nào đó của các hạt mà không phải với mọi điều kiện như thử nghiệm đã chứng tỏ. Lực này lại rất mạnh nên không thể là lực hấp dẫn. Người ta gọi lực này là lực hạt nhân.

Lực hạt nhân là lực trao đổi, sự trao đổi liên tục hạt mezon tạo nên tương tác giữa các nuclon.

Theo nguyên lý Pauli, hạt nhân có momen từ riêng ứng với momen spin của nó nên nó sẽ tác dụng với từ trường tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ, làm sinh ra năng lượng phụ E của electron ở lớp vỏ.

Do tương tác với từ trường được tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ nên năng lượng phụ E phụ thuộc vào trị số momen từ hạt nhân và sự định hướng của từ trường hạt nhân đối với từ trường electron.

Momen từ của hạt nhân bằng tổng momen từ Spin của tất cả hạt nuclon cộng với tổng momen từ quỹ đạo của các proton:

Số hạng thứ nhất ở vế phải của biểu thức trên là tổng momen từ quỹ đạo của các proton thứ i. Số hạng thứ hai ở vế phải của biểu thức trên là tổng momen từ Spin của các proton thứ i. Số hạng thứ ba ở vế phải của biểu thức trên là tổng momen từ Spin của các nơtron thứ i.

Spin và momen từ hạt nhân:

Xem bài viết trước đó: Tổng quan điện hạt nhân, lịch sự phát triển và hiện trạng

Vì nội dung khá dài nên mình sẽ chia ra và trình bày tiếp tục ở phần bài viết tiếp theo.