Bài 21: Cấu trúc hạt nhân

1. Kiến thức trọng tâm

Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các nuclôn, gồm prôtôn mang điện tích dương và nơtron không mang điện. Số prôtôn trong hạt nhân gọi là số hiệu nguyên tử $Z$, quyết định tính chất hoá học của nguyên tố. Tổng số nuclôn trong hạt nhân gọi là số khối $A = Z + N$, trong đó $N$ là số nơtron. Kí hiệu hạt nhân là ${}^{A}_{Z}X$, trong đó $X$ là kí hiệu hoá học của nguyên tố.

Các nguyên tử có cùng số prôtôn nhưng khác số nơtron gọi là các đồng vị của một nguyên tố. Ví dụ hiđrô có ba đồng vị là ${}^{1}{1}\text{H}$(prôti),${}^{2}{1}\text{H}$(đơteri) và${}^{3}_{1}\text{H}$(triti). Đơn vị khối lượng nguyên tử là$u$, với$1u = 1{,}66055 \times 10^{-27},\text{kg}$, tương đương năng lượng$931{,}5,\text{MeV}$theo hệ thức Anh-xtanh$E = mc^2$.

Khối lượng của hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclôn riêng lẻ tạo thành nó. Hiệu số đó gọi là độ hụt khối $\Delta m = Zm_p + Nm_n - m_X$, trong đó $m_p$ là khối lượng prôtôn, $m_n$ là khối lượng nơtron, $m_X$ là khối lượng hạt nhân. Năng lượng liên kết của hạt nhân là $W_{lk} = \Delta m, c^2$, cho biết năng lượng cần thiết để tách hạt nhân thành các nuclôn riêng lẻ.

2. Ví dụ minh họa

Hạt nhân ${}^{4}{2}\text{He}$có$Z = 2$prôtôn,$N = 4 - 2 = 2$nơtron. Với$m_p = 1{,}0073u$,$m_n = 1{,}0087u$,$m{\text{He}} = 4{,}0015u$, độ hụt khối là$\Delta m = 2 \times 1{,}0073 + 2 \times 1{,}0087 - 4{,}0015 = 0{,}0305u$. Năng lượng liên kết của hạt nhân heli là$W_{lk} = 0{,}0305 \times 931{,}5 \approx 28{,}4,\text{MeV}$, còn năng lượng liên kết riêng là$\dfrac{28{,}4}{4} \approx 7{,}1,\text{MeV/nuclôn}$. Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.

3. Ghi nhớ

• Hạt nhân gồm prôtôn và nơtron; kí hiệu ${}^{A}_{Z}X$ với $A = Z + N$.
• Đồng vị: cùng $Z$, khác $N$ (khác số nơtron).
• Đơn vị khối lượng nguyên tử: $1u = 931{,}5,\text{MeV}/c^2$.
• Độ hụt khối: $\Delta m = Zm_p + Nm_n - m_X$.
• Năng lượng liên kết: $W_{lk} = \Delta m, c^2$; năng lượng liên kết riêng càng lớn, hạt nhân càng bền.