Bài giảng Điện học (Phần9) 2.3 Số nguyên tử Như đã nói tớitrong câu hỏi thảo luận trong một phần trước, cácnhà khoa học thuộc giaiđoạn này đã có một ý tưởng rất gần đúng có bao nhiêu đơnvị điện tích nằm trong hạt nhân của các nguyên tố hóa học khác nhau.Mặc dù ngày nay chúng ta liên tưởngsố đơn vị điện tích hạt nhânvới vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học, và gọi nólà số nguyên tử, nhưng họ thì không hề có ý tưởnggì về một mối quanhệ như thế. Bảng tuần hoàn của Mendeleevtrôngchỉ như một côngcụ mang tínhtổ chứchóa,chứ khôngcótầm quantrọngvậtlí cầnthiết nàocả. Và mọi thứ mà Mendeleec đã làm cũnghợp lí nếunhư bạn chuyểnlộn ngược bảng lại, hoặc đảo phía bên trái và bên phải của nó, haythậm chí bạn muốn đánhsố nguyêntố liên tiếp với nhữngsố nguyên thì cũngcó tình trạng chobạn làm như vậy. Bảng tuần hoàn gốc của Mendeleev trongthực tế là lộn ngượcso với bảng tuần hoàn hiện nay. Trongthời kì ngaysau khi khám phára hạt nhân, các nhàvật lí chỉ có sự ước tính thô về điện tích của nhữnghạt nhân khác nhau. Trong trườnghợp củahạt nhânnhẹ nhất, họ dễ dàng tìm đượcsố electron tối đamàhọ có thể bứt rabằng những phươngpháp khác nhau: phản ứng hóa học, cho phóng điện, chiếu ánh sáng cực tím, và vânvân. Ví dụ, họ có thể dễ dàng bóc ra một hoặc hai electron khỏi helium, tạo raHe + hay He ++ , nhưngkhông aitạo ra được He +++ , có thể đoán chừng là do điện tích hạt nhân củaheliumchỉ là +2e. Thậtkhôngmay, chỉ cómột vài nguyêntố nhẹ nhất cóthể bị bóc ra hoàn toàn, vì càng có nhiều electronbị bứt ra, thì cácelectron tích điện âm còn lại sẽ bị giữ càng chặt. Số nguyên tử của các nguyêntố nặngchỉ có thể ngoại suythôtừ các nguyên tố nhẹ, trongđó số nguyên tử vào khoảngphân nửakhối lượngnguyêntử biểu diễn bằng đơn vị khối lượng nguyêntử hydrogen. Ví dụ, vàng cókhối lượng gấp khoảng197 lần hydrogen,nên số nguyên tử của nó được ước tínhlà khoảng phân nửa giátrị đó, hayđâu đó trên dưới100. Ngàynay chúng ta biết nólà 79. Cuối cùng, chúng ta giải quyết vấn đề đó như thế nào? Bứcmàn bí ẩn của điện tíchhạt nhân cuối cùng đã bị chọc thủngthành công bằng haikĩ thuật khác nhau, cho kết quả phù hợp nhau.Một bộ thí nghiệm,sử dụng tia X, đượcthực hiện bởi chàng trai trẻ Henry Mosely,người có tài năng khoahọc sớmhi sinh trong một trận đánh giữa các đế quốc châu Âutranh giành quyền sở hữu xứ Dardanelles, trong cuộc xungđột vô nghĩa khiấygọi là cuộc chiến nhằm kết thúc mọi cuộc chiến, còn ngày nay gọilà Thế chiến thứ nhất. l/ Hạt alphatiến gần hơn nhiều đến sát hạt nhânđồng điện tích thấp để bị lệch qua góc như nhau. Vì phântích củaMoselyyêucầu một vài khái niệm màđến đây bạnvẫn chưa quen thuộc,nên thayvì vậy, chúngta sẽ mô tả kĩ thuật do JamesChadwicksử dụng vào khoảng thời gianđó. Một cáilợi nữacủa việc mô tả những thí nghiệmcủa Chadwick làchúng báo trướcsự ra đời của kĩ thuật hiện đạiquan trọng nghiên cứu sự va chạm của các hạt hạ nguyêntử. Ở trường đạihọc, tôi đã từng làm việc với một vị giáo sư có cố vấn củacố vấn luận án của ông là Chadwick, và ông đã kể một số mẫu chuyện lí thú về nhà khoahọcđó. Chadwick nhìn bên ngoài hơi bảnh trai và hoàntoàn cuồng tínvới khoahọc,cho tới khiông bị bắt giữ trong nhàtù Đức trong Thế chiến thứ hai, ông vẫn phỉnhphờ nhữngkẻ giam giữ ôngchophép ông “chôm”những bộ phận radiovỡ nát để ông có thể cố gắng thực hiện nhữngthí nghiệmvật lí. Thí nghiệmcủa Chadwickhoạt độngnhư thế này. Giả sử bạn tiến hànhhai phép đo tán xạ hạt alphatheo kiểuRutherford,thí nghiệm đầu với lá vànglàm bia như trong thí nghiệmgốc của Rutherford, vàthí nghiệm thứ hai vớimột lá đồng. Trongcả haitrường hợp đều có thể thu được góclệch lớn,nhưng như chỉ rõtrong hinh m, hạtalpha phải hướnggầnnhư thẳngvề phía hạt nhân đồng để có cùnggóc lệch như xảy ra với những hạt alphaở xamục tiêu hơn nhiều; điện tích của hạt nhânvàng lớn hơn nhiều sovới điệntích của hạt nhân đồng,nên nó tácdụng lực lớn lênhạt alphangaycả khi hạt này ở xa. Tình huống rất giốngvới một người bịt mắtchơi trò ném phi tiêu. Giốngnhư khôngthể nhắm một hạt alphalênmột hạt nhânnào đó trên bia,người bị bịt mắt thậtsự không thể nào nhắmđượcphi tiêu. Thu được một va chạmrất gần với hạt nhânđồng tươngtự như ném lọt vào vòng tròn trongtrên bảngphóng tiêu. Còn na náhơn nữalà ngườita luôn cócơ may ném trúngvòngtrònngoài, nó bao phủ số inchvuônglớn hơn. Tươngtự, nếubạn đo tầnsuất hạt alphabị tán xạ bởi hạt nhânđồng ở một số góc nhất định, ví dụ giữa19 và 20 độ, và rồi tiến hành cùngphép đo ở cùng góc đó với hạt nhânvàng, bạn sẽ thu được tỉ lệ phần trăm cho vàng cao hơn nhiều so với cho đồng. Trênthực tế, tỉ số điện tích của haihạt nhân có thể thu được từ tỉ số cùng được xác địnhbằng thực nghiệm này. Sử dụng kíhiệu chuẩn Z chosố nguyên tử (điệntích củahạt nhân chia cho e), phươngtrình saucó thể chứng minh được (ví dụ 1): m/ Hạt alpha phảihướng thẳng tới vòng tròn ở phía trước ống hình trụ tưởng tượng để tạo ra sự tán xạ ở góc giữa 19và 20 độ. Diệntích củavòng tròn này được gọi là “tiết diện”cho sự tán xạ ở góc 19-20độ,vì nólà diện tích lát cắt ngang củaống trụ. Bằng cách tiến hành nhữngphép đo như thế đối với bia xâydựngtừ tất cả các nguyêntố, ngườita có thể suy ratỉ số củatất cả các số nguyêntử, vàvì số nguyêntử của những nguyên tố nhẹ nhấtđã được biết,nên số nguyên tử có thể gán cho toàn bộ bảng hệ thống tuần hoàn.Theo Mosely, số nguyêntử củađồng, bạc vàplatinumlà 29,47 và 78,tương ứngtốt với vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn. Số liệu của Chadwick cho ba nguyêntố trên là 29,3; 46,3và77,4, với sai số khoảng 1,5lầnđiện tích nguyên tố, nên hai thí nghiệmphù hợp tốt vớinhau. Ở đây, không nhất thiết bạn phải sẵn sàngđưa những con số vàophương trìnhở trên chomột bài tập ở nhà haygiải bài toán!Mục tiêu tổngthể của tôi trong chương nàylà giải thíchlàm sao chúngta biết được những gìchúngta biết về các nguyêntử. Mộtlợi thế của việc mô tả thí nghiệm của Chadwick là phương pháp đó rất giống vớiphươngpháp sử dụng trongnhững thí nghiệm vật lí hạt hiện đại, vàý tưởng dùng trong phép phân tích đó quan hệ gần gũi với khái niệm ngàynay gặp ở mọingócngách,đó là kháiniệm“tiếtdiện”.Trongsự tươngtự với bảngphóng tiêu, tiết diện sẽ là diện tíchcủa vòng tròn mà bạnném tới. Lí do tiềm ẩn sauphát minh ra từ “tiết diện” có thể hình dungnhư trong hình m. Theongôn ngữ này, phát minh ra mẫuhànhtinh củaRutherfordđếntừ khám phá bất ngờ của ôngrằngcó một tiết diện khác không cho hạt alphatán xạ khỏi vàng ở nhữnggóc lớn, vàChadwick xác nhậnsự xác định số nguyên tử của Rutherfordbằng cách đo tiếtdiện tán xạ hạt alpha. Ví dụ 1. Bằng chứng cho mối quan hệ giữa Z và sự tán xạ Phương trình ở trên có thể thu nhận từ bằng chứng không chặt chẽ lắm sau đây. Để làm lệch hạt alpha ở một gócnhất định,cần phải cómột thành phần động lượng nhất định theohướng vuông góc với động lượngban đầu củanó. Mặc dù lực do hạt nhân tác dụnglên hạtalphakhông phải là một hằngsố, nhưng chúngta có thể giả sử nó xấp xỉ là mộthằng số trongthời gian hạt alphaở trong khoảng cách, nói ví dụ, bằng150%khoảng cách của nó tới điểm gần nhất, và lựclà bằngkhông trướcvà sau phần chuyển động đó.(Nếu chúngta chọn 120% hay200%,thì không có sự chênh lệch nàotrong kết quả cuối cùng, vì kếtquả cuối cùng làmộttỉ số nên các ảnhhưởnglên tử và mẫusố sẽ triệt tiêulẫn nhau).Trongsự gần đúngvề lực khôngđổi, độ biến thiên thànhphần vuônggóc của hạt alphakhiđó bằng FDt.Định luật Coulomb cho phát biểu lựctỉ lệ với Z/r 2 . Mặc dù r thật sự thay đổi một chút trong khoảngthời gian đã chọn, nhưngvẫncó thể xem nó là một số không đổi,vì chúng ta chỉ tính tỉ số giữa hai kếtquả thí nghiệm. Vì chúng ta lấy gần đúng lực tác dụngtheo thời gian trong khikhoảngcách không quá lớnso với khoảng cách đến điểm gần nhất,nên khoảngthời gian Dt phải tỉ lệ với r, và xunglượng ngang truyền cho hạt alpha,FDt, tỉ lệ với (Z/r 2 )r hay Z/r.Nếu chúng ta sosánh hạt alpha tán xạ ở cùng góctừ vàng và đồng,thì Dpbằng nhau trong cả hai trường hợp, vàhệ thức DpaZ/r chochúng ta biết hạt alphabị tán xạ từ đồngở góc đó phải hướng theo một đườngthẳngnằm gầntrụcchính giữa hơn mộtkhoảng bằng với Z vàng /Z đồng . Nếu bạn tưởng tượng “vòng phóng tiêu” là nơi màhạt alphaphải chạm tới, thì vòng tròn cho thí nghiệm vàng cũng cân xứng như vòng tròn cho thí nghiệm đồng, nhưng nólớn hơnZ vàng /Z đồng lần. Nghĩalà, không những bánkính củavòng tròn lớn hơn chừng ấy, mà chiều dàycủa vòng bên ngoài của lớnhơn theo tỉ lệ với bán kính của nó, chứ khônggiống như các vòng trong bảngphóngtiêu bình thường. Khi bạn làmcho hìnhdạngvà quymô của vật lớn hơn theokiểu như chụp ảnh phóng to, thì diệntíchcủa nó tăng tỉ lệ với bình phươngcủa hệ số phóng đại, nên diệntích của vòng phóng tiêu trong thí nghiệm vàng tăng lên(Z vàng /Z đồng ) 2 lần. Vì hạtalpha đượcnhắm hoàntoàn ngẫu nhiên, nên cơ hội cho mộthạt alphachạm trong vòngtỉ lệ với diện tích của vòng, điều đó chứngminh cho phươngtrình đã cho ở trên. Như một ví dụ cho việc sử dụng hiệnđại thí nghiệm tán xạ và phép đo tiết diện, cólẽ bạn đã từng nghenói tới bằng chứng thựcnghiệmgần đây cho sự tồn tại của một hạtgọi là quark top. Trongsố 12 hạt hạ nguyêntử hiệnnay được tin là những thành phần nhỏ nhất củavật chất, 6dạng thuộc mộthọ gọi là quark, khác với 6dạng kiaở chỗ lực hút mạnhlàm cho các quarkdính chặt vàonhau (Sáu hạt kia gồm có electroncộng với năm hạt nữa,kì lạ hơn). Chỉ có hailoại quarkđược tìm thấy vốndĩ tự nhiêntrongvật chất là“quarktop” và “quark down”, chúng là hạt cấuthànhnên proton và neutron,còn 4hạt kia trên lí thuyết được tiên đoánlà tồn tại, nên cộnglại có 6 hạt.(Thuật ngữ kì quái “quark” có nguồngốc từ một dòng trong truyện củaJamesJoyce “Ba quarkcho ngài Mark”).Mãi cho đếngần đây, chỉ có 5 loại quark được chứng minh là tồn tại qua cácthí nghiệm, và quark thứ sáu, quark top, chỉ có trên lí thuyết. Không có tiahi vọng nào choviệcphát hiệnquark top mộtcách trực tiếp, vì nó có tính phóng xạ và chỉ tồn tại trongmột phần vô cùng nhỏ của một giây trước khi bốc hơi. Thay vì vậy, các nhànghiên cứutìmkiếm nó tại Phòng thínghiệm máy gia tốc quốcgia Fermigần Chicago, Mĩ, đotiết diện tán xạ của hạt nhân khỏi hạt nhân khác. Thí nghiệmrất giống vớithí nghiệm của RutherfordvàChadwick,ngoại trừ chỗ hạt nhân tới phải được nâng lên đếntốc độ cao hơnnhiều trong một máy gia tốc hạt. Va chạm thuđượcvới hạt nhân bia quá mạnhnên cả hai hạt nhân bị pháhủy hoàn toàn, nhưng, như Einstein chứngminh, năng lượngcó thể chuyển hóa thành vật chất, và nănglượng của vachạmtạo ra một chùmhạtphóngxạ, kì lạ, giống như trận mưa mạt gỗ chết người do một quả đạn pháo gây ra trong một trận đánhthủy kiểu xưa. Trongsố những hạt này có một số quark top. Tiếtdiện đo đượclà tiết diện cho sự sản sinh những kết hợp nhất địnhcủa nhữnghạt thứ cấp này.Tuykhác về chi tiết, nhưng nguyên tắc là giống nhaunhư đã sử dụng hồi đầu thế kỉ:bạn đập thứ gìđó vào nhauvà xemcác mảnhvỡ bay ra để nhìn thấycái bêntrongchúng. Phươngpháp đó có thể sánh như dùng súng trườngbắn vào cái đồng hồ và rồi nghiên cứu các mảnh vỡ bay ra để tìm hiểu xemđồng hồ hoạt động như thế nào. Câu hỏi thảo luận A. Biểu đồ ở trên, biểu diễn các hạt alphabị hạt nhân vàng làm lệch đi,được vẽ với giả định rằng các hạt alphađến theo những đường thẳng nằm ở những khoảng cách khác nhau tính từ hạt nhân. Tại sao chúngkhôngđếndọc theo cùng một đường thẳng,vì chúng đềucùng đi ra từ cùng một ống? B. Tạisao phải hiểu, như chỉ rõtronghình, rằngcác quỹ đạo tán xạ cắt nhau góc 19 o và 20 o ? C. Rutherford đã biết vận tốc của hạt alphado radiumphát ra,vàdự đoán phần tíchđiệndương củanguyên tử vàngcó điệntích khoảng+100e (ngàynay chúng ta biết là +79e).Xétthực tế là một số hạt alphabị lệch 180 o , làmthế nào khi đó ông có thể sử dụng sự bảotoàn năng lượng để thu đượcmột giới hạn trên cho kíchthước củahạt nhân vàng? (Để đơn giản, giả sử kích thước của hạt alphalà khôngđáng kể so với hạt nhân vàng, và bỏ qua thựctế là hạt nhân vàng giật lùi một chútdo vachạm, lấy thêmmộtít động năng). . Bài giảng Điện học (Phần9 ) 2.3 Số nguyên tử Như đã nói tớitrong câu hỏi thảo luận trong một phần trước, cácnhà khoa học thuộc giaiđoạn này đã có một ý tưởng rất gần đúng có bao nhiêu đơnvị điện tích. trong hạt nhân của các nguyên tố hóa học khác nhau.Mặc dù ngày nay chúng ta liên tưởngsố đơn vị điện tích hạt nhânvới vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học, và gọi nólà số nguyên tử, nhưng. số khoảng 1,5lầnđiện tích nguyên tố, nên hai thí nghiệmphù hợp tốt vớinhau. Ở đây, không nhất thiết bạn phải sẵn sàngđưa những con số vàophương trìnhở trên chomột bài tập ở nhà haygiải bài toán!Mục