Bạn đã bao giờ tự hỏi vì sao vàng là vàng còn chì là chì, dù cả hai đều được tạo nên từ những hạt nhỏ xíu giống nhau? Câu trả lời nằm ở trung tâm của mỗi nguyên tử — hạt nhân. Hạt nhân chỉ nhỏ bằng một phần trăm nghìn nguyên tử, vậy mà nó chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử và quyết định nguyên tử đó thuộc nguyên tố nào. Chỉ cần thay đổi một hạt trong hạt nhân, bạn đã có một nguyên tố hoàn toàn khác, với tính chất hóa học khác hẳn.
Bài viết này sẽ giúp bạn nắm chắc cấu tạo hạt nhân một cách có hệ thống: hạt nhân gồm những hạt nào, công thức liên hệ giữa số khối, số proton và số neutron, cách đọc kí hiệu hạt nhân, khái niệm đồng vị, cùng 4 ví dụ tính từng bước và 5 bài tập trắc nghiệm có đáp án giải thích chi tiết. Đây là bài học nền tảng của chương Hạt nhân nguyên tử — nắm vững nó, bạn sẽ học rất nhẹ nhàng các bài về độ hụt khối, năng lượng liên kết và phóng xạ ở phía sau.
Cấu tạo hạt nhân: proton, neutron và công thức A = Z + N
Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ hai loại hạt gọi chung là nuclôn: proton mang điện tích dương và neutron không mang điện. Proton có điện tích +e, khối lượng xấp xỉ 1,0073 u. Neutron không mang điện, khối lượng xấp xỉ 1,0087 u. Hai loại hạt này có khối lượng gần bằng nhau và đều lớn hơn khối lượng electron khoảng 1836 lần, vì vậy gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân. Các nuclôn liên kết với nhau bằng lực hạt nhân — một lực hút rất mạnh ở khoảng cách rất ngắn, đủ để thắng lực đẩy tĩnh điện giữa các proton cùng dấu.
Số proton trong hạt nhân được kí hiệu là Z, còn gọi là số hiệu nguyên tử hay số nguyên tử. Chính Z quyết định nguyên tử thuộc nguyên tố hóa học nào: mọi nguyên tử có cùng Z đều là cùng một nguyên tố, dù số neutron của chúng có thể khác nhau. Ví dụ, mọi nguyên tử có Z = 6 đều là cacbon, mọi nguyên tử có Z = 92 đều là urani. Số neutron trong hạt nhân được kí hiệu là N. Tổng số nuclôn trong hạt nhân, tức là tổng số proton và số neutron, được gọi là số khối và kí hiệu là A. Ba đại lượng này liên hệ với nhau bằng công thức rất đơn giản: A = Z + N. Từ công thức này, bạn có thể tính số neutron khi biết số khối và số proton: N = A − Z. Bạn cũng có thể tính số proton khi biết số khối và số neutron: Z = A − N.
Hạt nhân được kí hiệu bằng cách viết số khối A ở phía trên bên trái và số hiệu nguyên tử Z ở phía dưới bên trái của kí hiệu nguyên tố X, tức là ᴬZX. Ví dụ, hạt nhân cacbon-14 được viết là ¹⁴₆C, nghĩa là A = 14, Z = 6, suy ra N = 14 − 6 = 8. Hạt nhân urani-238 được viết là ²³⁸₉₂U, nghĩa là A = 238, Z = 92, suy ra N = 238 − 92 = 146. Trong nhiều bài tập, người ta chỉ viết ¹⁴C hay ²³⁸U mà không ghi số Z, vì bạn có thể tra Z trong bảng tuần hoàn: cacbon luôn có Z = 6, urani luôn có Z = 92. Bạn cần nhớ: số khối A luôn là số nguyên, vì nó đếm số hạt; khối lượng nguyên tử tính bằng đơn vị u thì không nhất thiết là số nguyên.
Một khái niệm quan trọng gắn liền với cấu tạo hạt nhân là đồng vị. Đồng vị là các hạt nhân của cùng một nguyên tố, tức là có cùng số proton Z, nhưng có số neutron N khác nhau nên số khối A cũng khác nhau. Ví dụ, hiđro có ba đồng vị: ¹H (proti, N = 0), ²H (đơteri, N = 1) và ³H (triti, N = 2). Cả ba đều có Z = 1 nên đều là hiđro, có tính chất hóa học gần như giống nhau, nhưng khối lượng khác nhau và triti thì phóng xạ. Cacbon có hai đồng vị bền là ¹²C và ¹³C, cùng với đồng vị phóng xạ ¹⁴C dùng để xác định tuổi cổ vật. Khi làm bài tập, bạn hãy nhớ: đồng vị giống nhau ở Z, khác nhau ở N và A. Nếu hai hạt nhân có cùng A nhưng khác Z thì đó là hai nguyên tố khác nhau, không phải đồng vị của nhau. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
Vì sao công thức A = Z + N lại quan trọng đến vậy? Vì nó là chìa khóa để bạn đọc được mọi thông tin về một hạt nhân chỉ từ kí hiệu của nó. Từ kí hiệu ᴬZX, bạn biết ngay số proton (Z), số neutron (A − Z) và tổng số nuclôn (A). Từ đó, bạn có thể tính tiếp khối lượng hạt nhân, độ hụt khối, năng lượng liên kết, và dự đoán hạt nhân đó có bền hay phóng xạ. Trong chương này, hầu như bài tập nào cũng bắt đầu bằng việc xác định Z và N từ kí hiệu hạt nhân, vì vậy bạn hãy luyện cho thật nhuần nhuyễn thao tác này. Nếu muốn ôn lại cách đếm số hạt trong nguyên tử, bạn hãy xem bài công thức tính số hạt trong nguyên tử.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Hạt nhân ²³⁸U có Z = 92. Tính số neutron N của hạt nhân này.
Bạn áp dụng trực tiếp công thức A = Z + N, suy ra N = A − Z. Hạt nhân ²³⁸U có số khối A = 238 và số proton Z = 92. Thay số: N = 238 − 92 = 146. Vậy hạt nhân urani-238 có 146 neutron. Bạn hãy để ý: số neutron 146 lớn hơn số proton 92 khá nhiều — đây là đặc điểm chung của các hạt nhân nặng: để giữ các proton không bị đẩy văng ra bởi lực đẩy tĩnh điện, hạt nhân nặng cần nhiều neutron hơn proton để lực hạt nhân đủ mạnh giữ hạt nhân bền vững. Tỉ số N/Z của ²³⁸U bằng 146/92 ≈ 1,59, trong khi các hạt nhân nhẹ bền thường có N/Z gần bằng 1.
Ví dụ 2 (tìm số neutron của cacbon-14): Hạt nhân ¹⁴C có Z = 6. Tính số neutron và cho biết ¹⁴C có bao nhiêu nuclôn.
Bạn đọc kí hiệu ¹⁴C: số khối A = 14, số hiệu nguyên tử Z = 6. Áp dụng công thức N = A − Z = 14 − 6 = 8. Vậy hạt nhân cacbon-14 có 8 neutron. Tổng số nuclôn trong hạt nhân chính là số khối A = 14, gồm 6 proton và 8 neutron. Bạn hãy đối chiếu với cacbon-12 bền: ¹²C có A = 12, Z = 6, N = 6. Hai hạt nhân ¹²C và ¹⁴C đều có Z = 6 nên đều là cacbon, là đồng vị của nhau, nhưng ¹⁴C có thêm 2 neutron nên nặng hơn và không bền — nó phân rã phóng xạ với chu kì bán rã khoảng 5730 năm, chính nhờ đó các nhà khảo cổ mới xác định được tuổi của cổ vật chứa cacbon.
Ví dụ 3 (tìm số proton khi biết số khối và số neutron): Hạt nhân sắt-56 có số khối A = 56 và số neutron N = 30. Tính số proton Z và xác định nguyên tố.
Bạn áp dụng công thức A = Z + N, suy ra Z = A − N = 56 − 30 = 26. Vậy hạt nhân có 26 proton. Tra bảng tuần hoàn, nguyên tố có Z = 26 là sắt (Fe), nên hạt nhân này là ⁵⁶Fe. Bạn kiểm tra lại: ⁵⁶Fe có 26 proton và 30 neutron, tổng 56 nuclôn, đúng bằng số khối. Sắt-56 là đồng vị phổ biến nhất của sắt, chiếm hơn 90% sắt tự nhiên, và là một trong những hạt nhân bền nhất trong tự nhiên — năng lượng liên kết riêng của nó gần như cao nhất trong các hạt nhân, đó là lí do vì sao các ngôi sao "dừng lại" ở sắt khi tổng hợp hạt nhân.
Ví dụ 4 (nhận biết đồng vị): Trong các hạt nhân sau, những hạt nhân nào là đồng vị của nhau: ¹H, ²H, ³H, ⁴He?
Bạn xác định Z của từng hạt nhân: ¹H, ²H và ³H đều là hiđro nên Z = 1; ⁴He là heli nên Z = 2. Đồng vị là các hạt nhân có cùng Z, vì vậy ¹H, ²H và ³H là đồng vị của nhau — cả ba đều có 1 proton, chỉ khác nhau ở số neutron: ¹H có N = 0, ²H có N = 1, ³H có N = 2. Hạt nhân ⁴He có Z = 2 nên không phải đồng vị của hiđro, dù số khối của nó là 4. Bạn hãy nhớ kĩ: muốn xét đồng vị, bạn so sánh số proton Z, không so sánh số khối A. Hai hạt nhân có cùng A nhưng khác Z, ví dụ ¹⁴C và ¹⁴N, không phải đồng vị của nhau mà là hai nguyên tố khác nhau.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Nhầm số khối A với số proton Z.
Nhiều bạn thấy kí hiệu ²³⁸U thì cho rằng hạt nhân có 238 proton. Cách tránh: bạn hãy nhớ số viết ở phía trên bên trái là số khối A (tổng số nuclôn), số viết ở phía dưới bên trái mới là số proton Z. Với ²³⁸₉₂U, A = 238, Z = 92, N = 146.
Lỗi 2: Tính số neutron bằng A + Z thay vì A − Z.
Nhiều bạn nhớ mang máng công thức A = Z + N rồi khi tìm N lại cộng thêm: N = A + Z. Cách tránh: bạn hãy viết công thức ra giấy rồi chuyển vế cẩn thận: A = Z + N suy ra N = A − Z. Số neutron luôn nhỏ hơn số khối, vì vậy nếu bạn tính ra N lớn hơn A thì chắc chắn đã sai.
Lỗi 3: Cho rằng đồng vị là các hạt nhân có cùng số khối.
Nhiều bạn thấy ¹⁴C và ¹⁴N có cùng A = 14 thì kết luận chúng là đồng vị. Cách tránh: bạn hãy nhớ đồng vị giống nhau ở số proton Z, khác nhau ở số neutron N. ¹⁴C có Z = 6, ¹⁴N có Z = 7 — khác nguyên tố, không phải đồng vị.
Lỗi 4: Nhầm số neutron với số electron.
Nhiều bạn tính số electron của nguyên tử trung hòa thì lấy A − Z, nhưng đó là số neutron. Cách tránh: bạn hãy nhớ nguyên tử trung hòa có số electron bằng số proton Z, còn số neutron là N = A − Z. Hai con số này chỉ bằng nhau khi N = Z, tức là với các hạt nhân nhẹ như ¹²C hay ¹⁶O.
Lỗi 5: Quên rằng số khối luôn là số nguyên.
Nhiều bạn thấy khối lượng nguyên tử của clo là 35,5 u thì cho rằng hạt nhân clo có số khối 35,5. Cách tránh: bạn hãy nhớ 35,5 u là khối lượng nguyên tử trung bình của hỗn hợp hai đồng vị ³⁵Cl và ³⁷Cl trong tự nhiên; mỗi hạt nhân riêng lẻ đều có số khối nguyên: 35 hoặc 37.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ viết công thức A = Z + N ra trước khi thay số.
Câu 1: Hạt nhân ²³⁸U có Z = 92. Số neutron của hạt nhân này bằng bao nhiêu?
A. 92
B. 146
C. 238
D. 330
Câu 2: Hạt nhân có số khối A = 56 và số proton Z = 26. Số neutron của hạt nhân bằng bao nhiêu?
A. 26
B. 30
C. 56
D. 82
Câu 3: Đồng vị là các hạt nhân có cùng đại lượng nào?
A. Số khối A
B. Số neutron N
C. Số proton Z
D. Số nuclôn
Câu 4: Kí hiệu ¹⁴₆C cho biết hạt nhân cacbon-14 có bao nhiêu proton?
A. 14
B. 6
C. 8
D. 20
Câu 5: Hai hạt nhân ²³⁵U và ²³⁸U khác nhau ở đại lượng nào?
A. Số proton
B. Số electron
C. Số neutron
D. Điện tích hạt nhân
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | B | B | C | B | C |
Giải thích Câu 1 — Đáp án B đúng: N = A − Z = 238 − 92 = 146. Đáp án A sai vì 92 là số proton Z. Đáp án C sai vì 238 là số khối A, tức là tổng số nuclôn. Đáp án D sai vì 330 là tổng 238 + 92, không có ý nghĩa vật lí nào ở đây.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B đúng: N = A − Z = 56 − 26 = 30. Đáp án A sai vì 26 là số proton Z. Đáp án C sai vì 56 là số khối A. Đáp án D sai vì 82 là tổng 56 + 26.
Giải thích Câu 3 — Đáp án C đúng: Đồng vị là các hạt nhân của cùng một nguyên tố nên có cùng số proton Z, khác nhau ở số neutron N và số khối A. Đáp án A sai vì số khối A của các đồng vị khác nhau. Đáp án B sai vì số neutron N của các đồng vị khác nhau. Đáp án D sai vì số nuclôn chính là số khối A, cũng khác nhau giữa các đồng vị.
Giải thích Câu 4 — Đáp án B đúng: Trong kí hiệu ¹⁴₆C, số 6 viết ở dưới bên trái là số hiệu nguyên tử Z, tức là số proton bằng 6. Đáp án A sai vì 14 là số khối A. Đáp án C sai vì 8 là số neutron N = 14 − 6. Đáp án D sai vì 20 là tổng 14 + 6.
Giải thích Câu 5 — Đáp án C đúng: ²³⁵U và ²³⁸U đều là urani nên có cùng Z = 92, cùng số proton và cùng điện tích hạt nhân; chúng chỉ khác nhau ở số neutron: ²³⁵U có N = 143, ²³⁸U có N = 146. Đáp án A sai vì số proton của hai hạt nhân đều bằng 92. Đáp án B sai vì nguyên tử trung hòa có số electron bằng số proton nên cũng bằng nhau. Đáp án D sai vì điện tích hạt nhân tỉ lệ với Z nên cũng bằng nhau.
Câu hỏi thường gặp về cấu tạo hạt nhân
Hỏi: Vì sao hạt nhân lại mang điện tích dương?
Đáp: Vì hạt nhân chứa các proton mang điện tích dương, còn neutron thì không mang điện. Điện tích của hạt nhân bằng Z lần điện tích nguyên tố e. Nguyên tử trung hòa về điện vì số electron ở vỏ bằng số proton trong hạt nhân.
Hỏi: Lực nào giữ các proton trong hạt nhân không bị đẩy văng ra?
Đáp: Lực hạt nhân, còn gọi là tương tác mạnh. Đây là lực hút rất mạnh ở khoảng cách cỡ kích thước hạt nhân, đủ để thắng lực đẩy tĩnh điện giữa các proton cùng dấu. Ngoài phạm vi hạt nhân, lực này giảm rất nhanh nên bạn không cảm nhận được nó ở thang vĩ mô.
Hỏi: Số khối A có phải là khối lượng của hạt nhân không?
Đáp: Không hoàn toàn. Số khối A chỉ đếm tổng số nuclôn, còn khối lượng thật của hạt nhân tính bằng đơn vị u thì nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclôn riêng lẻ một chút — phần chênh lệch đó gọi là độ hụt khối, và nó liên quan đến năng lượng liên kết của hạt nhân.
Hỏi: Có nguyên tố nào mà hạt nhân không có neutron không?
Đáp: Có, đó là proti ¹H — hạt nhân của nguyên tử hiđro nhẹ nhất chỉ gồm một proton duy nhất, không có neutron nào. Đây là hạt nhân duy nhất trong tự nhiên không chứa neutron.
Hỏi: Học cấu tạo hạt nhân để làm gì trong các bài sau?
Đáp: Từ Z và N, bạn sẽ tính được độ hụt khối, năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng để xét độ bền của hạt nhân, và viết được phương trình phản ứng hạt nhân cũng như định luật phóng xạ. Mọi bài tập của chương Hạt nhân đều bắt đầu từ việc xác định Z và N.
Kết luận
Cấu tạo hạt nhân chỉ gói gọn trong một công thức: A = Z + N, với Z là số proton quyết định nguyên tố, N là số neutron, A là tổng số nuclôn. Bạn hãy nhớ ba điều: đọc đúng vị trí của A và Z trong kí hiệu ᴬZX, tính số neutron bằng N = A − Z, và đồng vị là các hạt nhân cùng Z nhưng khác N. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã có nền tảng vững chắc để bước vào các bài về độ hụt khối, năng lượng liên kết và phóng xạ.