Cấu tạo hạt nhân và đồng vị

Sau bài này, em đọc được kí hiệu hạt nhân $^{A}_{Z}X$ để xác định số proton, số neutron và số khối của một hạt nhân, giải thích được thế nào là đồng vị, và nhận ra hai hạt nhân có phải đồng vị của nhau hay không chỉ từ kí hiệu của chúng.

Từ những năm THCS em đã biết nguyên tử gồm một hạt nhân mang điện dương ở tâm và các electron mang điện âm chuyển động xung quanh; hạt nhân chiếm gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử nhưng có kích thước nhỏ hơn nguyên tử hàng chục nghìn lần. Bài này đi sâu vào chính hạt nhân đó — nó được tạo nên từ những hạt nào, và vì sao cùng một nguyên tố hoá học lại có thể tồn tại ở nhiều "phiên bản" khối lượng khác nhau.

Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ hai loại hạt, gọi chung là **nucleon**: proton (điện tích $+e$, khối lượng xấp xỉ 1u) và neutron (không mang điện, khối lượng gần bằng khối lượng proton). Để mô tả đầy đủ một hạt nhân, người ta dùng kí hiệu $^{A}_{Z}X$, trong đó $X$ là kí hiệu hoá học của nguyên tố, $Z$ — số ghi ở dưới, gọi là **số hiệu nguyên tử** — là số proton trong hạt nhân, và $A$ — số ghi ở trên, gọi là **số khối** — là tổng số nucleon, tức $A = Z + N$ với $N$ là số neutron. Từ đó suy ra ngay số neutron của một hạt nhân bất kì: $N = A - Z$. Chính $Z$ quyết định đó là nguyên tố nào, vì $Z$ bằng đúng số electron của nguyên tử trung hoà, mà tính chất hoá học phụ thuộc gần như hoàn toàn vào lớp electron này. Hai hạt nhân của cùng một nguyên tố luôn có cùng $Z$, nhưng hoàn toàn có thể khác nhau về $A$ — nghĩa là khác nhau về số neutron $N$. Hai hạt nhân như vậy, cùng số proton $Z$ nhưng khác số khối $A$, được gọi là hai **đồng vị** của cùng một nguyên tố. Các đồng vị có tính chất hoá học gần như giống hệt nhau, nhưng khối lượng và độ bền hạt nhân của chúng có thể khác nhau rõ rệt — đây chính là chủ đề của toàn bộ khoá học này. Quay lại câu hỏi khởi động: carbon trong tự nhiên chủ yếu tồn tại dưới dạng $^{12}_{6}C$ (chiếm khoảng 98,9% số nguyên tử carbon), nhưng vẫn có một lượng nhỏ $^{14}_{6}C$, hạt nhân có thêm 2 neutron so với $^{12}_{6}C$. Cả hai đều có $Z=6$ nên đều là carbon, nhưng nặng khác nhau — đó là lí do khi cân một mẫu carbon lớn, khối lượng trung bình của mỗi nguyên tử không phải một số nguyên tuyệt đối. Đồng vị không chỉ là khái niệm trên giấy. Hydro trong tự nhiên tồn tại dưới ba đồng vị quen thuộc: $^{1}_{1}H$ (phổ biến nhất, không có neutron), $^{2}_{1}H$ (đơteri, có 1 neutron) và $^{3}_{1}H$ (triti, có 2 neutron). Vì cùng $Z=1$, cả ba đều là hydro và tham gia đúng các phản ứng hoá học của hydro, nhưng đơteri và triti nặng hơn hẳn — và triti còn có thêm một điểm khác biệt lớn: nó không bền, tự phân rã theo thời gian, trong khi $^{1}_{1}H$ thì không. Một ví dụ quen thuộc khác là $^{14}_{6}C$ vừa nhắc ở trên: đồng vị này cũng không bền, và chính tính "không bền theo thời gian" của nó được dùng để xác định tuổi của các mẫu vật hữu cơ cổ — phương pháp định tuổi bằng carbon phóng xạ. Vì sao một số đồng vị bền còn một số khác thì không, đó là câu hỏi mà khoá học sau sẽ trả lời; ở đây em chỉ cần nắm chắc: đồng vị là cùng nguyên tố, khác khối lượng.