Mục lục
Hạt nhân: nơi tập trung gần như toàn bộ khối lượng
Hạt nhân được cấu tạo từ:
- Proton mang điện tích dương.
- Neutron không mang điện tích.
Khối lượng của proton và neutron lớn hơn electron khoảng 2.000 lần, vì vậy gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử nằm trong hạt nhân.
Mặc dù chứa hầu hết khối lượng, hạt nhân lại vô cùng nhỏ so với kích thước tổng thể của nguyên tử.
Electron tạo nên "kích thước" của nguyên tử
Electron không chuyển động theo các quỹ đạo cố định như các mô hình minh họa đơn giản.
Thay vào đó, chúng tồn tại trong những vùng không gian xác định bởi cơ học lượng tử, được gọi là orbital.
Các electron sắp xếp thành những lớp năng lượng khác nhau:
- Lớp s
- Lớp p
- Lớp d
- Lớp f
Chính cách sắp xếp này quyết định tính chất hóa học của mỗi nguyên tố.
Hai con số xác định mọi nguyên tử
Số hiệu nguyên tử (Z)
Z là số proton trong hạt nhân.
Đây là con số quyết định nguyên tố hóa học.
Ví dụ:
- Hydro: Z = 1
- Carbon: Z = 6
- Oxy: Z = 8
Chỉ cần thay đổi số proton, nguyên tử sẽ trở thành một nguyên tố hoàn toàn khác.
Số khối (A)
Số khối bằng:
Proton + Neutron
Số neutron được tính bằng:
A − Z
Hai nguyên tử có cùng Z nhưng khác số neutron được gọi là đồng vị.
Đồng vị: cùng nguyên tố, khác số neutron
Carbon luôn có 6 proton nhưng có thể tồn tại dưới nhiều dạng đồng vị:
- Carbon-12 (¹²C): 6 neutron
- Carbon-13 (¹³C): 7 neutron
- Carbon-14 (¹⁴C): 8 neutron
Trong đó:
- Carbon-12 và Carbon-13 là đồng vị bền.
- Carbon-14 là đồng vị phóng xạ, được sử dụng để xác định tuổi của các mẫu vật cổ.
Vì sao khối lượng nguyên tử không cộng lại vừa khít?
Nếu cộng riêng khối lượng của tất cả proton, neutron và electron trong nguyên tử carbon-12, kết quả sẽ lớn hơn khối lượng thực tế của nguyên tử.
Phần khối lượng "thiếu" này được gọi là:
Độ hụt khối
Theo công thức nổi tiếng của Einstein:
E = mc²
Phần khối lượng mất đi đã được chuyển hóa thành năng lượng liên kết hạt nhân, giúp giữ các proton và neutron gắn chặt với nhau.
Năng lượng trong hạt nhân đến từ đâu?
Mỗi hạt nhân đều chứa một lượng năng lượng liên kết nhất định.
Khi các hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau trong quá trình nhiệt hạch, hoặc hạt nhân nặng bị tách ra trong quá trình phân hạch, một phần năng lượng liên kết được giải phóng.
Đó là nguồn năng lượng:
- Cung cấp ánh sáng và nhiệt cho Mặt Trời.
- Vận hành các nhà máy điện hạt nhân.
- Tạo nên những vụ nổ hạt nhân mạnh nhất từng được con người tạo ra.
Những proton, neutron và electron tuy vô hình với mắt thường nhưng chính chúng đã tạo nên mọi vật chất trong vũ trụ. Từ các nguyên tử đơn giản nhất cho đến những ngôi sao khổng lồ, tất cả đều được xây dựng từ những hạt cơ bản này.
Đọc thêm
Nguồn tham khảo
- [1]The NUBASE2020 evaluation of nuclear physics properties — F. G. Kondev và cs., Chinese Physics C 45 (2021) 030001 (2021)
- [2]Live Chart of Nuclides — dữ liệu trạng thái cơ bản (ENSDF / NUBASE2020) — IAEA Nuclear Data Section (2026)
- [3]Standard Atomic Weights & Isotopic Compositions of the Elements 2024 — IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW) (2024)
- [4]CODATA Internationally recommended 2022 values of the Fundamental Physical Constants — NIST / CODATA (2024)
- [5]Periodic Table of Elements (bản 4 May 2022) — IUPAC (2022)
- [6]Atomic Spectroscopy — Atomic States, Shells, and Configurations — NIST Physical Measurement Laboratory (W. C. Martin, W. L. Wiese) (2019)
- [7]Atomic Weights and Isotopic Compositions — Column Descriptions — NIST Physical Measurement Laboratory (2015)
- [8]Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements (NIST SRD 144) — NIST Physical Measurement Laboratory (2015)
- [9]Nuclear Charge Radii — bảng khuyến nghị (Angeli & Marinova, ADNDT 99, 69–95) — IAEA Nuclear Data Section (2013)
- [10]Ground Levels and Ionization Energies for the Neutral Atoms (NIST SRD 111) — NIST Physical Measurement Laboratory (2013)
Ảnh: Pivoslav Chipsov - Unsplash
