Nhân của nguyên tử

Nhân nguyên tử là cấu trúc vật chất đậm đặc chiếm phần lớn khối lượng của nguyên tử. Theo các nghiên cứu hiện tại, nhân nguyên tử có bán kính khoảng 10 m, gồm hai thành phần chính:

• Proton: hạt mang điện tích +1, khối lượng 1.67262158 × 10 kg (938.278 MeV/c²) và spin +1/2. Trong tiếng Hy Lạp, proton nghĩa là 'thứ nhất'. Proton tự do có tuổi thọ rất lớn, gần như vĩnh cửu, dù điều này vẫn còn tranh cãi trong vật lý hiện đại.
• Neutron: hạt không mang điện, khối lượng 1.67492716 × 10 kg (939.571 MeV/c²) và spin +1/2, lớn hơn proton chút ít. Neutron tự do có thời gian sống khoảng 10-15 phút, sau đó phân rã thành một proton, một electron (electron) và một phản neutrino.

Lịch sử

Được phát hiện vào năm 1911 bởi nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học Ernest Rutherford qua thí nghiệm lá vàng Geiger–Marsden để kiểm chứng mô hình pudding của J.J. Thomson trên nguyên tử. Sử dụng góc chiếu của chùm tia alpha (helium nuclei) lên một miếng kim loại mỏng.

Sau khi neutron được phát hiện vào năm 1932, mô hình hạt nhân nguyên tử bao gồm proton và neutron được phát triển bởi nhà khoa học Dmitri Ivanenko và Werner Heisenberg. Theo mô hình, nguyên tử bao gồm nucleus mang điện tích dương với đám mây electron mang điện tích âm xung quanh, tương tác với nhau bằng lực tĩnh điện. Gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử nằm trong nucleus, với một phần nhỏ từ đám mây electron.

Đường kính của hạt nhân nguyên tử (nucleus) dao động từ 1.70 fm (1.70×10 m) đối với hydrogen (đường kính của proton) đến 11.7 fm đối với uranium. Những mô hình này nhỏ hơn đường kính thực của nguyên tử (nucleus + đám mây electron) với hệ số 26,634. Ví dụ: bán kính nucleus của uranium khoảng 156 pm (156×10 m) lên đến 60,250 (bán kính Bohr của hydrogen là khoảng 52.92 pm).

Nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử là một nhánh của vật lý hạt nhân để khám phá và hiểu rõ hơn về cấu trúc và các lực kết nối chúng.

Từ nguyên học

Thuật ngữ nucleus - hạt nhân nguyên tử, xuất phát từ tiếng Latin, nghĩa là hạt bên trong một loại quả mọng (như quả hồng). Năm 1844, Michael Faraday sử dụng thuật ngữ này để chỉ ''điểm trung tâm của nguyên tử''. Mô hình nguyên tử hiện đại được Ernest Rutherford khởi xướng vào năm 1912. Sự phổ biến của thuật ngữ ''nucleus'' trong thuyết nguyên tử thời đó chưa hoàn toàn phổ biến. Năm 1916, Gilbert N. Lewis đã viết quyển sách The Atom and the Molecule (Nguyên tử và Phân Tử), trong đó ông mô tả nguyên tử là tổng hợp của nhân điều hành (kernel) và phần vỏ ngoài. Thuật ngữ kern cũng được dùng để chỉ nucleus trong tiếng Hà Lan và tiếng Đức.

Sự hình thành của hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử (nucleus) của nguyên tử được tạo thành từ neutron và proton. Các neutron và proton được tạo từ các hạt siêu nhỏ gọi là quark. Các quark liên kết với nhau nhờ lực tương tác mạnh trong một tổng hợp Hadron, gọi là các Baryon. Lực hạt nhân mạnh lan tỏa giữa các baryon để kết nối neutron và proton, tạo ra lực đối kháng với lực tĩnh điện âm của các proton mang điện tích dương. Lực hạt nhân mạnh có phạm vi hoạt động ngắn và giảm về 0 khi ra ngoài rìa hạt nhân.

Khả năng lưu trữ của các hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương là giữ các hạt electron điện tích âm trong quỹ đạo quanh hạt nhân. Tổng số electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân tạo thành ái lực. Ái lực này có mô hình và số lượng electron nhất định xoay quanh hạt nhân.

Nguyên tố hóa học của một nguyên tử được xác định bởi tổng số proton trong hạt nhân; nguyên tử trung hòa có số electron cân bằng xoay quanh hạt nhân. Các nguyên tố hóa học riêng biệt có thể tạo ra các mô hình electron bền hơn thông qua việc cộng hưởng và chuyển giao electron. Sự chuyển giao này tạo nên các quỹ đạo điện từ bền vững quanh hạt nhân, hình thành các chất hóa học trong thế giới của chúng ta.

Proton xác định điện tính của hạt nhân nguyên tử và đặc tính hóa học của nó. Neutron không mang điện tích nhưng đóng góp vào khối lượng tổng thể của hạt nhân gần bằng electron (và thay đổi theo số lượng neutron). Neutron giải thích sự dị biến của đồng vị (cùng số hạt nhân nhưng khác khối lượng). Vai trò chính của neutron là giảm lực đối kháng tĩnh điện bên trong hạt nhân.

Tổng thể và hình dạng

Proton và neutron là các Fermion, với số lượng tử isospin mạnh khác nhau. Khi ở trạng thái lượng tử không xác định, hai proton và hai neutron có thể chia sẻ cùng chuyển động sóng trong không gian. Tuy nhiên, đôi khi chúng được định dạng là hai trạng thái lượng tử khác nhau trong cùng một hạt, gọi là nucleon. Hai Fermion, như: hai proton, hoặc hai electron, hoặc một proton và một electron (gọi là deuteron), có thể hiển thị theo mô hình hạt boson khi chúng tương tác theo cặp và xoay theo số nguyên.

Trong những trường hợp hiếm hoi, ví dụ như siêu hạt nhân nguyên tử (hypernucleus) có chứa baryon thứ ba gọi là hyperon, sở hữu một hoặc nhiều hạt quark lạ (strange quark) hoặc các hạt quark biến dị khác, cũng có thể chia sẻ hoạt động bước sóng. Tuy nhiên, loại hạt nhân nguyên tử này rất không ổn định và không thể tìm thấy trên Trái Đất mà chỉ có thể tạo ra trong các thí nghiệm vật lý năng lượng cao.

Neutron có lõi dương với bán kính khoảng 0.3 fm, được bao quanh bởi một lớp cân bằng điện tích âm có bán kính từ 0.3 fm đến 2 fm. Proton mang điện tích dương có khả năng phân chia theo cấp số nhân trong một khoảng nhất định với bán kính trung bình khoảng 0.8 fm.

Nguyên tử có thể có hình dạng cầu, hình bầu dục (chuyển dạng dài), hình đĩa bay (chuyển dạng dẹt), hình tinh chế triaxial (kết hợp giữa hình đĩa bay và hình dài) hoặc hình quả lê.

Các lực

Nguyên tử được kết nối bởi các lực hạt nhân mạnh, là phần còn lại của lực tương tác mạnh giúp liên kết các hạt quark tạo thành proton và neutron. Lực này yếu hơn giữa các neutron và proton vì chúng gần như bị vô hiệu hóa trong vùng liên kết hạt nhân; tương tự như cách lực Van der Waals giữa hai nguyên tử khí trơ yếu hơn so với lực điện từ giữ các electron trong một nguyên tử.

Lực hạt nhân có tính hấp dẫn mạnh trong các khoảng cách giữa các nucleon điển hình, và nó thắng lực đẩy của các proton do lực điện từ, giúp hình thành hạt nhân. Tuy nhiên, lực dư mạnh này chỉ hiệu quả trong khoảng cách ngắn vì tính phân rã nhanh theo không gian (tham khảo định luật Yukawa).

Chỉ những hạt nhân nhỏ hơn một kích thước nhất định mới có thể hoàn toàn ổn định. Hạt nhân lớn nhất được biết đến có tính ổn định tuyệt đối (bền với phân rã alpha, beta và gamma) là chì-208 với 208 nucleon (126 neutron và 82 proton). Các hạt nhân lớn hơn không ổn định và tồn tại trong thời gian nhất định với số nucleon nhiều hơn. Tuy nhiên, bismuth-209 được xem là bền với phân rã beta và có chu kỳ bán rã alpha dài nhất trong các đồng vị đã biết, ước tính dài hơn tuổi của vũ trụ hàng tỷ lần.

Lực dư mạnh tác động trong phạm vi rất ngắn (thường chỉ vài femtometre (fm); khoảng một hoặc hai đường kính nucleon) và gây ra lực hấp dẫn giữa bất kỳ cặp nucleon nào. Ví dụ, giữa proton và neutron để tạo thành deuteron [NP], cũng như giữa proton với proton, và neutron với neutron.

Phát xạ hạt nhân và giới hạn phạm vi lực hạt nhân

Giới hạn hiệu dụng của lực hạt nhân (hay dư lực mạnh) được minh họa qua các hạt nhân phát xạ như lithium-11 hoặc boron-14. Các hạt này có dineutron hoặc các nhóm neutron khác quay quanh ở khoảng cách 10 fm, tương đương bán kính 8 fm của uranium-238. Những hạt nhân này không có mật độ cực đại và nằm ở rìa biểu đồ nuclide, nơi giải phóng neutron và proton. Chúng không ổn định và có chu kỳ bán rã ngắn, ví dụ lithium-11 chỉ có chu kỳ bán rã 8,8 ms.

Phát xạ biểu thị trạng thái năng lượng cao của các nucleon trong lớp vỏ lượng tử. Có thể là neutron [NN, NNN] hoặc proton [PP, PPP]. Các hạt nhân có neutron phát xạ bao gồm 11Be và 19C, còn hai neutron phát xạ như 6He, 11Li, 17B, 19B, 22C. Những hạt nhân này tách thành ba mảnh, gọi là Borromean. 8He và 14Be biểu thị bốn neutron phát xạ. Các hạt nhân có proton phát xạ như 8B và 26P, còn hai proton như 17Ne và 27S. Quầng sáng proton hiếm và không ổn định hơn neutron do lực đẩy điện từ.

Mô hình hạt nhân

Mặc dù mô hình chuẩn của vật lý mô tả hạt nhân gần như hoàn hảo, nhưng dự đoán lý thuyết lại phức tạp hơn nhiều so với các lĩnh vực khác của vật lý hạt. Điều này do hai lý do:

• Về lý thuyết, tính chất bên trong hạt nhân có thể xuất phát hoàn toàn từ sắc động lực học lượng tử (QCD). Tuy nhiên, thực tế hiện tại các phương pháp giải QCD trong hệ thống năng lượng thấp còn rất hạn chế do sự chuyển pha giữa vật chất quark năng lượng cao và vật chất hadronic năng lượng thấp, khiến các kỹ thuật nhiễu loạn không thể áp dụng và gây khó khăn trong việc xây dựng mô hình lực giữa các nucleon. Các phương pháp hiện tại chỉ dừng lại ở mô hình hiện tượng học như điện thế Argonne v18 hoặc thuyết nhiễu cấu trúc.

• Mặc dù lực hạt nhân bị giới hạn, việc tính toán chính xác các đặc tính cơ bản của hạt nhân đòi hỏi nhiều phép tính phức tạp. Những tiến bộ trong lý thuyết đa vật thể hiện nay có thể áp dụng cho nhiều hạt nhân có khối lượng thấp và ổn định, nhưng cần cải tiến thêm về các phép tính và phương pháp toán học để giải quyết được các hạt nhân nặng hoặc không ổn định.

Lịch sử cho thấy các thí nghiệm thường so sánh với các mô hình phổ thông có tính không hoàn hảo. Không có mô hình nào có thể giải thích hoàn toàn dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc hạt nhân.

Bán kính hạt nhân (R) là một đại lượng cơ bản mà bất kỳ mô hình nào cũng phải dự đoán. Đối với các hạt nhân ổn định, bán kính này tỷ lệ thuận với gốc bậc ba của số khối (A) của hạt nhân, và đặc biệt với các hạt nhân nhiều nucleon thường có dạng hình cầu:

Hạt nhân bền có khối lượng riêng xấp xỉ không đổi, do đó bán kính hạt nhân R có thể được ước tính gần đúng bằng công thức sau:

Khi A = tổng số khối của nguyên tử (bao gồm số proton Z và số neutron N) và r₀ = 1,25 fm = 1,25 × 10 m. Trong công thức này, 'hằng số' r₀ thay đổi khoảng 0,2 fm tùy thuộc vào hạt nhân được xem xét, nhưng sự thay đổi này dưới 20% so với giá trị của hằng số.

Nói cách khác, việc gộp các proton và neutron trong hạt nhân cho kết quả kích thước tổng cộng gần bằng tổng các hạt hình cầu có tính ổn định và kích thước không đổi (có thể hình dung như viên bi) vào một cấu trúc hình cầu hoặc gần hình cầu (một số hạt nhân ổn định có hình phỏng cầu).

Cấu trúc mô hình hạt nhân bao gồm:

Mô hình giọt nước.

Các mô hình ban đầu về hạt nhân coi hạt nhân như một giọt chất lỏng có tính chất dao động. Trong mô hình này, sự tương tác của lực điện từ tầm xa và lực hạt nhân tầm ngắn tương tự nhau, tạo ra hiện tượng giống như lực căng bề mặt trong các giọt chất lỏng. Công thức này giải thích nhiều hiện tượng quan trọng của hạt nhân như năng lượng liên kết thay đổi khi kích thước và thành phần của chúng thay đổi (xem công thức khối lượng bán thực nghiệm). Tuy nhiên, nó không giải thích được tính ổn định đặc biệt xảy ra khi hạt nhân có 'số phép thuật' của proton hoặc neutron.

Các thuật ngữ trong công thức khối lượng bán thực nghiệm có thể ước tính gần đúng năng lượng liên kết của nhiều hạt nhân, được xem là tổng của năm loại năng lượng (xem hình dưới). Theo mô hình lý thuyết này, hạt nhân được mô tả như một giọt chất lỏng không nén được, gần như giải thích cho sự biến thiên của các thể trong nghiên cứu năng lượng liên kết hạt nhân:

Ứng dụng

Năng lượng thể tích (volume energy) : Khi một tập hợp các nucleon cùng kích thước được nén lại thành thể tích nhỏ nhất, trong mô hình này, một nucleon sẽ tiếp xúc với nhiều nucleon khác. Do đó, năng lượng hạt nhân này tỷ lệ với khối lượng.

Năng lượng bề mặt (surface energy) : Một nucleon ở bề mặt hạt nhân sẽ tương tác với ít nucleon hơn so với một nucleon nằm bên trong hạt nhân. Do đó, năng lượng liên kết của nó nhỏ hơn. Thuật ngữ năng lượng bề mặt này được giải thích là một giá trị âm và tỷ lệ với diện tích bề mặt.

Năng lượng Coulomb (Coulomb energy): Lực tĩnh điện giữa các cặp proton trong hạt nhân góp phần làm giảm năng lượng liên kết của hạt nhân.

Năng lượng không tương đồng (còn gọi là Năng lượng Pauli). Một dạng năng lượng hình thành dựa trên nguyên lý loại trừ Pauli. Khi vật chất hạt nhân ổn định nhất có cùng số neutron và proton, năng lượng không tương đồng sẽ phát sinh nếu số lượng neutron và proton không bằng nhau, làm cho các mức năng lượng cao hơn bị lấp đầy bởi một loại hạt, trong khi các mức năng lượng thấp hơn cho loại hạt còn lại.

Năng lượng ghép nối. Đây là một thuật ngữ hiệu chỉnh năng lượng phát sinh từ xu hướng xuất hiện các cặp proton và cặp neutron. Số hạt chẵn bền hơn số hạt lẻ.

Mô hình vỏ và các mô hình lượng tử khác.

đọc thêm : Mô hình vỏ hạt nhân.

Một số mô hình hạt nhân đã được đề xuất thêm, trong đó có mô hình các nucleon nằm trong các quỹ đạo, tương tự như các quỹ đạo electron trong lý thuyết nguyên tử. Các mô hình này mô phỏng nucleon như các hạt điểm siêu nhỏ trong các không gian xoáy thế năng, hoặc các sóng xác suất khác nhau, quay quanh một cách không ma sát ở tốc độ cao trong các không gian xoáy thế năng.

Trong các mô hình này, các nucleon có thể nằm ở các quỹ đạo theo cặp, được gọi là các fermion, giúp giải thích các hiệu ứng Z và N chẵn/lẻ trong các thí nghiệm trước đây.

• Vật lý hạt nhân
• Y học hạt nhân

Liên kết ngoài

• Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân SCK.CEN tại Mol, Bỉ