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

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

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

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).