Bài 21: Cấu trúc hạt nhân và đồng vị
Vì sao các nguyên tử cùng nguyên tố có thể có số neutron khác nhau?
Lý thuyết · Ví dụ · Sơ đồ tư duy
Học xong bài này, em sẽ
- Đọc kí hiệu hạt nhân A và Z
- Tính số proton/neutron
- Phân biệt đồng vị, nguyên tử và hạt nhân
Kiến thức và cách hiểu
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Số khối hạt nhân
Z là số proton, N là số neutron; A là tổng nucleon.
Bán kính hạt nhân gần đúng
r₀ ≈ 1,2 fm; mô hình gần đúng theo số khối.
Proton, neutron, nucleon
Hạt nhân được cấu tạo từ Z proton tích điện +e và N neutron không mang điện. Tổng số nucleon A=Z+N. Nguyên tử trung hoà có Z electron bên ngoài hạt nhân, nhưng electron không phải là thành phần cấu tạo hạt nhân.
Kí hiệu và đồng vị
Kí hiệu hạt nhân ᴬ_ZX giúp nhận biết nguyên tố bằng Z và đồng vị bằng A. Hai đồng vị có cùng số proton nhưng khác neutron. Ví dụ carbon-12 và carbon-14 đều có Z=6, nhưng số neutron lần lượt là 6 và 8.
Khối lượng và kích thước
Bán kính hạt nhân có thể ước tính R≈r₀A^(1/3) với r₀≈1,2 fm (1 fm=10⁻¹⁵ m). Đây là xấp xỉ thống kê cho hạt nhân. Khối lượng hạt nhân không đơn giản đúng bằng tổng khối lượng nucleon tự do vì có độ hụt khối liên kết.
Điện tích của hạt nhân
Điện tích hạt nhân là +Ze với e≈1,602×10⁻¹⁹ C. Ion có thêm hoặc mất electron nên điện tích ion thay đổi, nhưng điện tích hạt nhân không đổi khi chỉ ion hoá.
Ví dụ có lời giải
Hạt nhân nhôm-27 có Z=13 và A=27. Số proton bằng 13, số neutron N=27−13=14, điện tích hạt nhân +13e≈2,08×10⁻¹⁸ C. Nguyên tử Al trung hòa có 13 electron.
Bài 21: Kiến thức nâng cao và hướng dẫn giải
Nội dung được viết lại theo tiến trình: khái niệm → điều kiện áp dụng → lập hệ thức → kiểm tra kết quả. Những mục sau mở rộng phần tổng kết hiện có, giúp em ôn đủ dạng trong Chương 4.
Nắm vững lý thuyết và điều kiện áp dụng
Thí nghiệm tán xạ hạt alpha và cấu trúc nguyên tử
Trong thí nghiệm Rutherford, chùm hạt alpha bắn vào lá vàng mỏng. Phần lớn đi gần thẳng, một số lệch mạnh và rất ít bật ngược. Kết quả cho thấy nguyên tử hầu như trống rỗng và điện tích dương, phần lớn khối lượng tập trung trong vùng hạt nhân có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử.
Không nên diễn giải rằng hạt alpha “va vào hạt nhân cứng” rồi bật ngược như quả bóng; tương tác Coulomb giữa điện tích dương alpha và hạt nhân giải thích phần lớn sự tán xạ.
Proton, neutron và kí hiệu hạt nhân
Hạt nhân cấu tạo từ proton mang điện tích +e và neutron không mang điện, gọi chung là nucleon. Kí hiệu AZX cho biết Z là số proton, A là tổng proton+neutron, N=A−Z là số neutron. Điện tích hạt nhân bằng +Ze, với e≈1,602×10⁻¹⁹ C.
Hạt nhân không chứa electron như thành phần cấu trúc bền thường trực. Khi nguyên tử trung hòa, số electron trong vỏ bằng Z; khi thành ion, số electron thay đổi nhưng Z trong hạt nhân không đổi do ion hóa thông thường.
Đồng vị và cách đọc bảng nguyên tố
Hai đồng vị cùng nguyên tố có cùng Z nhưng khác số neutron N, do đó A khác nhau. Ví dụ carbon-12 và carbon-14 đều có Z=6, lần lượt N=6 và 8. Khối lượng nguyên tử tương đối trong bảng tuần hoàn của nguyên tố có thể là trung bình theo tỉ lệ đồng vị tự nhiên, không phải luôn bằng số khối một đồng vị.
Trong bài tính số hạt, nếu mẫu gồm nhiều đồng vị phải biết thành phần để suy khối lượng mol trung bình. Không dùng khối lượng mol gần số nguyên A cho bài yêu cầu độ chính xác năng lượng liên kết.
Khối lượng hạt nhân và đơn vị u
1 u (đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất) bằng 1/12 khối lượng nguyên tử carbon-12, xấp xỉ 1,66054×10⁻²⁷ kg. Khối lượng proton ≈1,007276 u, neutron ≈1,008665 u; khối lượng hạt nhân thực tế nhỏ hơn tổng nucleon rời vì năng lượng liên kết.
Với bài tính số hạt của mẫu vật chất, Nhạt nhân=nNA=mNA/M. Kiểm tra m, M có cùng đơn vị và lượng mẫu có đúng một nguyên tử của nguyên tố trên một đơn vị công thức hay không.
Bán kính và mật độ hạt nhân
Bán kính hạt nhân gần đúng R=r₀A1/3, r₀≈1,2 fm=1,2×10⁻¹⁵ m. Khi A tăng 8 lần, R tăng 2 lần. Thể tích hạt nhân theo gần đúng hình cầu tỉ lệ A, vì vậy mật độ khối lượng hạt nhân xấp xỉ cùng bậc giữa các nguyên tố, khác hẳn mật độ vật chất thông thường.
Đây là mô hình bình quân cho hạt nhân; kích thước và hình dạng thực có hiệu ứng lớp hạt, biến dạng và dao động.
Tám dạng bài tính có lời giải từng bước
Em nên tự xác định công thức và làm trên giấy trước khi bấm mở lời giải.
N=A−Z
Hạt nhân có số khối A=56, số proton Z=26. Số neutron N bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị neutron, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: N=A−Z.
- Dữ kiện để thế số: a = 56; z = 26.
- Kết luận: 30 neutron. Soát lại đơn vị.
q_hạt nhân=+Ze
Hạt nhân có Z=26. Điện tích hạt nhân theo đơn vị e bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị e, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: q_hạt nhân=+Ze.
- Dữ kiện để thế số: z = 26.
- Kết luận: 26 e. Soát lại đơn vị.
N/Z=(A−Z)/Z
Hạt nhân có Z=26, A=56. Tỉ số neutron/proton N/Z bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị lần, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: N/Z=(A−Z)/Z.
- Dữ kiện để thế số: z = 26; a = 56.
- Kết luận: 1.154 lần. Soát lại đơn vị.
R=r₀A^(1/3)
Hạt nhân có A=216. Lấy r₀=1,2 fm. Bán kính gần đúng R=r₀A^(1/3) là bao nhiêu fm?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị fm, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: R=r₀A^(1/3).
- Dữ kiện để thế số: a = 216.
- Kết luận: 7.2 fm. Soát lại đơn vị.
Số electron ban đầu Z
Nguyên tử trung hòa Z=26 mất 2 electron. Số electron còn lại là bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị electron, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: Số electron ban đầu Z; khi mất electron, trừ số đã mất.
- Dữ kiện để thế số: z = 26; loss = 2.
- Kết luận: 24 electron. Soát lại đơn vị.
N=nN_A
Một mẫu chứa n=2 mol nguyên tử của một đồng vị tinh khiết. Lấy N_A≈6×10²³. Số hạt nhân theo ×10²³ là bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị ×10²³ hạt, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: N=nN_A.
- Dữ kiện để thế số: n = 2.
- Kết luận: 12 ×10²³ hạt. Soát lại đơn vị.
m≈nA g với M≈A g/mol
Đồng vị X có A=40, mẫu n=1.5 mol, lấy M≈A g/mol. Khối lượng mẫu khoảng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị g, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: m≈nA g với M≈A g/mol.
- Dữ kiện để thế số: a = 40; n = 1.5.
- Kết luận: 60 g. Soát lại đơn vị.
Trung bình theo tỉ lệ số nguyên tử
Hai đồng vị có số khối A₁=63, A₂=65, đồng vị thứ nhất chiếm 25% số nguyên tử. Số khối trung bình xấp xỉ bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị u, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: Trung bình theo tỉ lệ số nguyên tử.
- Dữ kiện để thế số: a = 63; b = 65; pct = 25.
- Kết luận: 64.5 u. Soát lại đơn vị.
Cách xử lí hiện tượng và lỗi sai thường gặp
Đồng vị trong y học
Một số đồng vị phóng xạ dùng làm chất đánh dấu và chẩn đoán trong điều kiện kiểm soát an toàn.
Xác định số hạt
Mẫu 0,5 mol nguyên tử bất kỳ chứa xấp xỉ 3,011×10²³ nguyên tử; số neutron còn phụ thuộc đồng vị cụ thể.
Ba câu hỏi tự soát trước khi nộp
- Em có mắc lỗi: Nhầm số khối A là số proton hoặc số neutron.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Cho electron nằm trong hạt nhân.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Tính số neutron của nguyên tố khi chưa biết đồng vị và A.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
Tám câu mẫu tự kiểm trước khi vào Học & Thi
Các câu dưới đây chỉ để kiểm tra nhanh sau khi đọc; bộ Học & Thi đầy đủ có thêm các câu vận dụng và tự luận.
Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo chủ yếu bởi những hạt nào?
Đáp án và lời giải
A. Hạt nhân chứa các nucleon gồm proton, neutron.
Số khối A bằng tổng những số nào?
Đáp án và lời giải
A. A=Z+N.
Số điện tích hạt nhân Z bằng số gì?
Đáp án và lời giải
A. Z là số proton trong hạt nhân.
Hai đồng vị có số khối A₁=14, A₂=15, đồng vị thứ nhất chiếm 60% số nguyên tử. Số khối trung bình xấp xỉ bao nhiêu? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.)
Đáp án và lời giải
A. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: Trung bình theo tỉ lệ số nguyên tử. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: a = 14; b = 15; pct = 60. Bước 3 – Thế số: (((14 × 60) + (15 × (100 − 60))) ÷ 100) = 14.4 u. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Xét nhóm nhận định 5 về Cấu trúc hạt nhân và đồng vị, chú ý điều kiện mô hình và đơn vị. Chọn Đúng/Sai cho từng ý.
Đáp án và lời giải
a: Đúng; b: Sai; c: Đúng; d: Sai. a) Đúng — Đồng vị cùng nguyên tố có cùng Z nhưng khác số neutron. Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
b) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Đồng vị cùng nguyên tố có cùng Z nhưng khác số neutron.
c) Đúng — Bán kính hạt nhân gần đúng tỉ lệ A^(1/3). Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
d) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Bán kính hạt nhân gần đúng tỉ lệ A^(1/3).
Nguyên tử trung hòa Z=12 mất 2 electron. Số electron còn lại là bao nhiêu? Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
10. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: Số electron ban đầu Z; khi mất electron, trừ số đã mất. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: z = 12; loss = 2. Bước 3 – Thế số: (12 − 2) = 10 electron. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Nguyên tử trung hòa Z=13 mất 3 electron. Số electron còn lại là bao nhiêu? Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
10. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: Số electron ban đầu Z; khi mất electron, trừ số đã mất. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: z = 13; loss = 3. Bước 3 – Thế số: (13 − 3) = 10 electron. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Nguyên tử trung hòa Z=26 mất 2 electron. Số electron còn lại là bao nhiêu? Trình bày rõ các bước, công thức, đổi đơn vị và kết luận.
Đáp án và lời giải
Tự luận – chấm theo các bước trình bày. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: Số electron ban đầu Z; khi mất electron, trừ số đã mất. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: z = 26; loss = 2. Bước 3 – Thế số: (26 − 2) = 24 electron. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Sơ đồ tư duy đầy đủ 6 nhánh
Sơ đồ SVG được biên soạn theo các ý trọng tâm của bài, phóng to vẫn sắc nét, có thể mở xem riêng.
Điểm dễ nhầm và cách tránh
- Lấy A là số neutron
- Cho electron vào hạt nhân
- Nhầm nguyên tử trung hòa với ion và điện tích hạt nhân
Sơ đồ tư duy Bài 21
Nhìn từ trung tâm ra bốn nhánh, phân biệt định nghĩa – công thức – điều kiện – ứng dụng. Sơ đồ vector sắc nét trên PC và điện thoại.
Ôn tập sau khi học
Ghi nhớ công thức trong điều kiện áp dụng, thử tự giải ví dụ và kiểm tra câu chưa chắc trước khi mở lời giải.