Thí nghiệm của Rutherford và hiện tượng phóng xạ

20

Thí nghiệm của Rutherford và hiện tượng phóng xạ

Các thí nghiệm của Rutherford, được mô tả ở § 93 của Vật lý 10, có liên quan kép đến hiện tượng phóng xạ. Một mặt, trong các thí nghiệm này, các hạt alpha tích điện dương nhanh phát ra từ các chất phóng xạ được sử dụng để bắn phá các nguyên tử của các nguyên tố nặng. Do đó, phóng xạ là dành cho các thí nghiệm. Mặt khác, kết quả thí nghiệm của Rutherford dẫn đến việc tạo ra mô hình hành tinh của nguyên tử, giúp người ta có thể tiếp cận cách giải thích về chính hiện tượng phóng xạ, vốn trước đây cực kỳ bí ẩn.

Từ các thí nghiệm của Rutherford, người ta phát hiện ra rằng nguyên tử của bất kỳ nguyên tố nào đều bao gồm một hạt nhân tích điện dương, kích thước của hạt nhân này nhỏ hơn nguyên tử mười hoặc thậm chí hàng trăm nghìn lần và các electron tích điện âm tạo thành vỏ electron. Hóa ra điện tích của hạt nhân, nếu biểu thị dưới dạng điện tích của electron, lấy bằng 1, thì bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Trong ký hiệu ký hiệu của hạt nhân, điện tích của chúng được biểu thị bằng một số sê-ri, được viết dưới dạng chỉ số dưới khi ký hiệu cho nguyên tố. Chỉ số trên biểu thị khối lượng của hạt nhân, được biểu thị bằng đơn vị khối lượng nguyên tử. Ví dụ, hạt nhân của nguyên tử sắt và vàng được viết tượng trưng như sau:

$$\frac{56}{26}\text{Fe}; \frac{197}{79}\text{Au}.$$

Phóng xạ là một hiện tượng hạt nhân. Quá trình xảy ra ở phần nào của nguyên tử - hạt nhân hay vỏ electron - dẫn đến sự phát xạ bức xạ phóng xạ (bức xạ alpha, beta và gamma)?

Không khó hiểu rằng tất cả đều xoay quanh lõi nguyên tử. Trước hết, điều này có thể được nhận thấy từ thực tế là một trong những loại bức xạ - bức xạ alpha - là một dòng gồm các hạt tích điện dương nhanh, và đơn giản là không có trong vỏ electron. Đúng, một loại bức xạ khác - bức xạ beta, bao gồm các electron - về nguyên tắc

21

cũng có thể đến từ lớp vỏ electron. Tuy nhiên, thứ hai, năng lượng của các hạt beta quá cao (lên tới hàng triệu electron) nên rõ ràng lớp vỏ electron không thể cung cấp năng lượng như vậy. Ví dụ, người ta đã biết rằng trong các phản ứng hóa học trong đó các nguyên tử tham gia với lớp vỏ electron của chúng, năng lượng trên mỗi nguyên tử xấp xỉ 1 eV. Năng lượng của lượng tử ánh sáng khả kiến, chắc chắn phát sinh trong lớp vỏ electron, cũng vào khoảng 1 eV. Chỉ có năng lượng của lượng tử xuyên qua các tia (chúng cũng được phát ra từ lớp vỏ electron) mới có thể đạt tới thậm chí mười nghìn electron. Lớp vỏ electron không thể truyền các electron “của riêng” nó tới các electron.

Do đó, cả hạt alpha và hạt beta chỉ có thể được phát ra do một số quá trình trong hạt nhân nguyên tử. Điều tương tự cũng có thể nói về bức xạ Gamma.

Sự biến đổi phóng xạ. Vì vậy, bức xạ phóng xạ được phát ra từ hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ. Điện tích của hạt nhân bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Khi đó, định luật bảo toàn điện tích suy ra rằng khi bất kỳ hạt nhân nào phát ra một hạt tích điện thì điện tích của hạt nhân đó phải thay đổi. Điều này có nghĩa là nó biến thành lõi nguyên tử của một nguyên tố khác chiếm giữ một ô khác của bảng.

Như chúng ta đã biết, hạt alpha có điện tích dương, gấp đôi điện tích của electron và có khối lượng bên trong lớn hơn đơn vị khối lượng nguyên tử. Do đó, hạt nhân phát ra hạt alpha biến thành hạt nhân của một nguyên tố nguyên tử, có số nguyên tử nhỏ hơn hạt ban đầu hai đơn vị và khối lượng của nó nhỏ hơn bốn đơn vị. Ví dụ, nếu một nguyên tố phóng xạ hoàn chỉnh có số sê-ri 84 và khối lượng nguyên tử tương đối là 218 phát ra hạt alpha thì nó sẽ biến thành hạt nhân của một nguyên tử của nguyên tố chiếm ô số 82 của bảng (đây là chì) có khối lượng nguyên tử tương đối là 214:

$$\text{Po} \rightarrow \text{Pb} + \alpha.$$

Vì hạt α đại diện cho hạt nhân của nguyên tử gel nên quá trình này có thể được viết khác:

$$\text{Po} \rightarrow \text{Pb} + \frac{1}{2} \text{He}.$$

Điều gì xảy ra, như người ta nói, chia lõi polonium thành hai phần - lõi chì và lõi gel.

Tình huống hơi khác khi hạt nhân phát ra hạt beta, tức là hạt electron nhanh. Nó không làm điện tích hạt nhân giảm mà làm điện tích tăng lên một đơn vị và,