Đáp án Vật lí 12 chân trời Bài 14: Hạt nhân và mô hình nguyên tử

CHƯƠNG 4: VẬT LÍ HẠT NHÂN

BÀI 14. HẠT NHÂN VÀ MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Hơn 2000 năm trước, Democritus (Đêmôcrít), một triết gia người Hy Lạp, đã đưa ra ý tưởng vật chất được cấu tạo từ các hạt không thể chia nhỏ, được gọi là nguyên tử. Vào đầu thế kỉ XX, những quan sát thực nghiệm đã chứng tỏ nguyên tử có cấu tạo từ hạt nhân và các electron. Vật, kết quả thí nghiệm nào đã giúp các nhà khoa học khẳng định được sự tồn tại của hạt nhân? Từ đó, nguyên tử được mô hình hóa như thế nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Kết quả thí nghiệm sử dụng chùm hạt alpha bắn phá một lá vàng mỏng của Rutherford, Geiger và Marsden giúp các nhà khoa học khẳng định được sự tồn tại của hạt nhân.

Mô hình nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương và các hạt electron mang điện tích âm di chuyển theo quỹ đạo tròn xung quanh hạt nhân.

+ Hạt nhân: mang điện tích dương, có kích thước nhỏ, gần như tập trung toàn bộ khối lượng nguyên tử.

+ Electron: mang điện tích âm, có khối lượng nhỏ hơn hạt nhân, quay xung quanh hạt nhân trên những quỹ đạo nhất định.

1. GIỚI THIỆU VỀ THÍ NGHIỆM TÁN XẠ HẠT ALPHA

Thảo luận 1: Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, nguồn phát hạt alpha trong thí nghiệm phải được đặt trong buồng chứa được hút chân không. Hãy cho biết, nếu buồng chứa không được hút chân không (còn chứa không khí) thì kết quả thí nghiệm sẽ bị ảnh hưởng như thế nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Alpha là hạt chỉ mang điện tích dương. Sở dĩ các hạt alpha có thể xuyên qua nguyên tử vàng vì bán kính của nguyên tử vàng lớn (khoảng cách giữa hạt nhân và các hạt electron lớn), tạo ra lỗ hổng đủ to để alpha xuyên qua. Trong không khí có các nguyên tử có bán kính nhỏ hơn nhiều so với vàng, các điện tích dương của hạt alpha sẽ bị hút bởi các hạt electron của nguyên tử khí đó nếu buồng chứa có lẫn không khí.

Kết quả thí nghiệm: ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, dẫn đến sai số trong kết quả thí nghiệm.

Thảo luận 2: Từ kết quả thí nghiệm tán xạ của Rutherford, thảo luận để trả lời câu hỏi:

a) Nguyên tử có cấu trục đặc hoàn toàn như mô hình của Thompson không? Giải thích.

b) Nguyên nhân nào có thể số ít hạt alpha bị lệch khỏi phương truyền thẳng (bị tán xạ)?

Hướng dẫn chi tiết:

a) Nguyên tử không có cấu trục đặc hoàn toàn mà sẽ có những vùng trống. 

Vì phần lớn các hạt alpha xuyên thẳng qua tấm vàng mỏng mà không xảy ra tương tác với nguyên tử vàng cho thấy phần lớn thể tích nguyên tử là khảong trống. 

b) Một số ít hạt alpha lệch khỏi phương truyền thẳng do đã tương tác với các hạt khác mang điện tích dương nằm bên trong nguyên tử vàng. Mức độ lệch hướng của hạt alpha phụ thuộc vào khối lượng, điện tích và góc va chạm với hạt nhân nguyên tử.

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày sơ lược về mô hình nguyên tử hiện đại.

Hướng dẫn chi tiết:

Trong vật lý nguyên tử, Mô hình nguyên tử của Bohr mô tả nguyên tử gồm một hạt nhân nhỏ, mang điện tích dương có các electron di chuyển xung quanh trên các quỹ đạo tròn - tương tự cấu trúc của hệ Mặt Trời nhưng lực hấp dẫn được thay bằng lực tĩnh điện. Các điểm chính trong mô hình nguyên tử Bohr:

- Trong nguyên tử hydrogen, electron chỉ chuyển động trên một số quỹ đạo tròn nhất định, được gọi là các quỹ đạo trạng thái dừng, gọi tắt là quỹ đạo dừng;

- Khi đang ở một quỹ đạo dừng nào đó, electron có năng lượng xác định, gọi là năng lượng trạng thái dừng. Nói cách khác, nguyên tử không hấp thu hoặc phát xạ năng lượng khi electron chuyển động trên một quỹ đạo dừng;

- Nguyên tử chỉ hấp thu hay phát xạ năng lượng khi electron chuyển từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo dừng khác.

2. HẠT NHÂN CỦA NGUYÊN TỬ

Thảo luận 3: Nêu những tính chất cơ bản của các hạt proton và neutron.

Hướng dẫn chi tiết:

* Proton được kí hiệu là p, 

+ có điện tích dương

+ có độ lớn đúng bằng điện tích nguyên tố q_p = +e 1,6.10^-19 C 

+ có khối lượng m_p 1,673.10^-27 kg.

* Neutron được kí hiệu là n,

+ trung hòa về điện

+ có khối lượng m_n 1,675.10^-27 kg.

Thảo luận 4: Dựa vào Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, xác định số hiệu nguyên tử các hạt nhân của nguyên tử đối với nguyên tố carbon (C), sắt (Fe) và vàng (Au).

Hướng dẫn chi tiết:

Số hiệu nguyên tử của C: 6

Số hiệu nguyên tử của Fe: 26

Số hiệu nguyên tử của Au: 79

Thảo luận 5: Hãy biểu diễn kí hiệu hạt nhân của năm nguyên tố trong Bảng 14.1.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có bảng về số hiệu nguyên tử và số khối của các hạt nhân.

Kí hiệu hạt nhân của năm nguyên tố trong Bảng 14.1 là:

 ₁¹H; ₂⁴He; ₃⁷Li; ₆¹²C; ₇¹⁴N

Thảo luận 6: So sánh bán kính hạt nhân của hai đồng vị của nguyên tố carbon: ₆¹²C, ₆¹⁴C.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có công thức của bán kính hạt nhân:  r .

Vì A_12C < A_14C → r_12C < r_14C

Vậy bán kính hạt nhân của đồng vị nguyên tố carbon C12 nhỏ hơn bán kính hạt nhân của đồng vị nguyên tố carbon C14.

Luyện tập:

a) Hãy nêu tên gọi, số hiệu nguyên tử, số khối và số neutron của các hạt nhân sau: ₁¹H, ₂⁴He, ₁₂²⁴Mg, ₂₀⁴⁰Ca.

b) Hãy viết kí hiệu hạt nhân X, biết trong hạt nhân X có 14 neutron và 13 proton. Dựa vào Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hãy gọi tên nguyên tố X.

Hướng dẫn chi tiết:

a) 

b) A = Z + N = 13 + 14 = 27 → Kí hiệu: ₁₃²⁷Al

Z = 13 → Số hiệu nguyên tử của X là 13 → X là Al (nhôm)

Vận dụng: Tìm hiểu về lịch sử khám phá hạt proton và neutron trong hạt nhân.

Hướng dẫn chi tiết:

Hạt proton: Lịch sử Ernest Rutherford được xem là người đầu tiên khám phá ra proton. Năm 1918, Rutherford nhận thấy rằng khi các hạt alpha bắn vào hơi nitơ, máy đo sự nhấp nháy chỉ ra dấu hiệu của hạt nhân hydro. Rutherford tin rằng hạt nhân hydro này chỉ có thể đến từ nitơ, và vì vậy nitơ phải chứa hạt nhân hydro.

Hạt neutron: Trong khi tiến hành một thí nghiệm vào năm 1932, James đã tiến hành một thử nghiệm tán xạ các hạt alpha bằng cách bắn phá các hạt này bằng tia berili. Sau đó ông phát hiện ra bên trong hạt nhân nguyên tử có các hạt trung tính, mà sau này ông đặt tên là hạt neutron.

BÀI TẬP

1. Hạt nhân nguyên tử có thể được cấu tạo từ

A. nucleon, electron.                                    B. proton, electron.

C. neutron, electron.                                    D. proton, neutron.

Hướng dẫn chi tiết:

Đáp án D là chính xác.

2. Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có

A. số neutron và bán kính hạt nhân bằng nhau.

B. số proton bằng nhau nhưng khác số neutron.

C. số neutron bằng nhau nhưng khác số proton.

D. số proton và bán kính hạt nhân bằng nhau.

Hướng dẫn chi tiết:

Đáp án B là chính xác.

Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số proton Z nhưng có số neutron N khác nhau.

3. Tìm số proton và số neutron trong các hạt nhân sau đây: ₃⁷Li, ₁₉³⁹K, ₆¹²C, ₁²H, ₁₅³¹P.

Hướng dẫn chi tiết:

4. Một hạt nhân X có điện tích hạt nhân là +26e và số neutron nhiều hơn số proton là 2. Hãy gọi tên hạt nhân và viết kí hiệu hạt nhân X.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta cóL: p = Z = 26 → X là Fe (sắt) 

Mà n = p + 2 = 26 + 2 = 28 → A = Z + N = 26 + 28 = 54

Kí hiệu hạt nhân: ₂₆⁵⁴Fe

Vậy tên hạt nhân là Sắt và kí hiệu hạt nhân  ₂₆⁵⁴Fe