Khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân nguyên tử, bao gồm các hạt proton và neutron. Điều này cho thấy tầm quan trọng của hạt nhân trong góp phần xác định khối lượng toàn bộ của nguyên tử. Mặc dù khối lượng của các electron rất nhỏ và không đáng kể, nhưng chúng vẫn đóng vai trò quan trọng trong tạo cấu trúc và tính chất hóa học của các nguyên tử.
Mục lục bài viết
1. Khối lượng của nguyên tử tập trung ở đâu?
Khối lượng của nguyên tử là tổng khối lượng của các hạt cấu tạo nên nguyên tử, bao gồm proton, neutron và electron. Tuy nhiên, do khối lượng của electron rất nhỏ (khoảng 9,1 x 10^-31 kg) so với khối lượng của proton và neutron (khoảng 1,67 x 10^-27 kg), nên khối lượng của electron có thể bỏ qua được khi tính khối lượng nguyên tử. Các hạt proton và neutron tập trung ở hạt nhân nguyên tử, một vùng trung tâm có bán kính rất nhỏ (khoảng 10^-15 m) so với bán kính nguyên tử (khoảng 10^-10 m). Ví dụ, nguyên tử hidro có 1 proton và không có neutron trong hạt nhân, nên khối lượng nguyên tử hidro gần bằng khối lượng của 1 proton. Nguyên tử heli có 2 proton và 2 neutron trong hạt nhân, nên khối lượng nguyên tử heli gần bằng khối lượng của 4 proton hoặc 4 neutron. Một ví dụ khác là nguyên tử sắt, có 26 proton và 30 neutron trong hạt nhân, nên khối lượng nguyên tử sắt gần bằng khối lượng của 56 proton hoặc 56 neutron. Do đó, có thể nói khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân nguyên tử.
Đây là một trong những kết quả quan trọng của thí nghiệm phóng tia alpha vào lá vàng của Ernest Rutherford vào năm 1911, mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu cấu tạo nguyên tử.
2. Thí nghiệm phóng tia alpha vào lá vàng của Ernest Rutherford vào năm 1911:
Thí nghiệm phóng tia alpha vào lá vàng của Ernest Rutherford vào năm 1911 là một thí nghiệm quan trọng trong lịch sử vật lý, khi nó đã phá vỡ mô hình “mứt mận” của nguyên tử và đề xuất một mô hình mới có hạt nhân nguyên tử. Mô hình “mứt mận” là một cách tưởng tượng nguyên tử như một quả cầu mang điện tích dương, trong đó có các electron như những hạt mứt nhỏ mang điện tích âm.
Trong thí nghiệm này, Rutherford cùng hai trợ lý Hans Geiger và Ernest Marsden đã bắn phá các hạt alpha (là các hạt nhân nguyên tử heli) vào một lá vàng mỏng và quan sát sự tán xạ của chúng trên một màn chắn huỳnh quang. Họ phát hiện ra rằng hầu hết các hạt alpha xuyên qua lá vàng không bị lệch hướng, nhưng có một số ít bị phản xạ lại với góc lớn, thậm chí là ngược trở lại.
Điều này cho thấy rằng nguyên tử vàng không phải là một quả cầu đồng đều như mô hình “mứt mận”, mà có một trung tâm mang điện tích dương rất lớn và khối lượng rất nặng, được gọi là hạt nhân nguyên tử. Các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân trong những khoảng không rất rộng. Khi các hạt alpha tiếp cận với hạt nhân, chúng bị đẩy lùi do lực Coulomb giữa hai điện tích dương.
Lực Coulomb là lực tương tác giữa hai điện tích, có độ lớn tỷ lệ thuận với tích của hai điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Lực Coulomb có thể là lực thu hay lực đẩy, tùy vào dấu của hai điện tích. Thí nghiệm này đã khẳng định vai trò của hạt nhân trong cấu trúc nguyên tử và là tiền đề cho Rutherford xây dựng mô hình hành tinh nguyên tử sau này.
3. Khối lượng của một nguyên tử là gì?
Khối lượng của một nguyên tử được gọi là nguyên tử khối. Nguyên tử khối được tính bằng đơn vị dalton (đvC) hoặc unified atomic mass unit (amu). Mỗi nguyên tố có một nguyên tử khối riêng, và khối lượng của một nguyên tử được xác định bởi tổng khối lượng của các hạt cấu tạo nên nguyên tử đó, bao gồm proton, neutron và electron.
Ví dụ, nguyên tử khối của nguyên tố cacbon là khoảng 12.01 đvC (hoặc 12.01 amu), trong đó có 6 proton và 6 neutron trong hạt nhân, cùng với 6 electron xoay quanh hạt nhân.
Khối lượng của một nguyên tử được xác định bởi sự kết hợp của các yếu tố sau đây:
– Proton: Proton là hạt mang điện tích dương được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử. Mỗi proton có khối lượng gần như bằng 1 đvC (hoặc 1 amu).
– Neutron: Neutron là hạt không mang điện tích được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử. Mỗi neutron cũng có khối lượng gần như bằng 1 đvC (hoặc 1 amu).
– Electron: Electron là hạt mang điện tích âm, xoay quanh hạt nhân của nguyên tử. Tuy nhiên, khối lượng của electron rất nhỏ so với proton và neutron, và thường bị bỏ qua trong tính toán khối lượng nguyên tử.
– Số lượng proton và neutron: Tổng số proton và neutron trong hạt nhân của nguyên tử ảnh hưởng đến khối lượng của nó. Mỗi proton và neutron đều có khối lượng gần như bằng 1 đvC (hoặc 1 amu), do đó, tổng khối lượng của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng nguyên tử.
– Năng lượng liên kết hạt nhân: Trong hạt nhân của nguyên tử, proton và neutron được kết hợp với nhau thông qua các lực liên kết hạt nhân. Sự kết hợp này tạo ra năng lượng liên kết hạt nhân, và khối lượng của nguyên tử bao gồm cả năng lượng liên kết này.
Tổng cộng, các yếu tố này góp phần vào khối lượng nguyên tử và xác định tính chất và đặc điểm của từng nguyên tố hóa học.
Nguyên tử khối là một thông số quan trọng trong hóa học và vật lý, được sử dụng để tính toán khối lượng của các chất trong các phản ứng hóa học và các quá trình vật lý khác.
4. Cách xác định khối lượng của nguyên tử:
Để xác định khối lượng của một nguyên tử, bạn có thể sử dụng các phương pháp sau:
– Sử dụng bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học: Bạn có thể tìm khối lượng nguyên tử của một nguyên tố cụ thể trong bảng tuần hoàn các nguyên tố. Khối lượng nguyên tử được cung cấp cho mỗi nguyên tố trong đơn vị dalton (đvC) hoặc unified atomic mass unit (amu).
Ví dụ, khối lượng nguyên tử của nguyên tố cacbon là khoảng 12.01 đvC (hoặc 12.01 amu), với 6 proton và 6 neutron trong hạt nhân, cùng với 6 electron xoay quanh hạt nhân.
– Tính khối lượng nguyên tử từ số proton và số neutron: Khối lượng của một nguyên tử bằng tổng khối lượng của proton và neutron trong hạt nhân của nguyên tử đó. Số proton và số neutron có thể được tìm thấy trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Cách xác định khối lượng của nguyên tử là một vấn đề quan trọng trong hóa học. Khối lượng của nguyên tử tập trung chủ yếu ở hạt nhân nguyên tử, một cách gần đúng khối lượng nguyên tử = số hạt proton + số hạt neutron. Số hạt proton và số hạt neutron trong nguyên tử được gọi là số đông vị và kí hiệu là A. Số đông vị cũng chính là khối lượng nguyên tử tương đối của nguyên tử đó.
Tuy nhiên, khối lượng nguyên tử tương đối không phải là một số nguyên, mà là một số thập phân. Điều này do có sự chênh lệch giữa khối lượng thực tế của nguyên tử và khối lượng của các hạt cấu tạo nó. Sự chênh lệch này được gọi là khối lượng liên kết và biểu thị bởi công thức:
Khối lượng liên kết = Khối lượng của các hạt cấu tạo – Khối lượng thực tế của nguyên tử
Khối lượng liên kết cho biết năng lượng liên kết giữa các hạt trong hạt nhân. Năng lượng liên kết càng cao thì khối lượng liên kết càng cao và khối lượng thực tế của nguyên tử càng nhỏ.
Do có sự tồn tại của các đồng vị, nghĩa là các nguyên tử cùng loại nhưng có số đông vị khác nhau, nên khối lượng nguyên tử của một nguyên tố không phải là một giá trị cố định, mà là một giá trị trung bình theo tỉ lệ phần trăm xuất hiện của các đồng vị trong thiên nhiên. Công thức tính khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố là:
Khối lượng nguyên tử trung bình = Tổng (Khối lượng nguyên tử tương đối x Tỉ lệ phần trăm xuất hiện) / 100
Ví dụ: Nguyên tố Cl có hai đồng vị chính là Cl-35 và Cl-37, có khối lượng nguyên tử tương đối là 34,9689 u và 36,9659 u, có tỉ lệ phần trăm xuất hiện trong thiên nhiên là 75,77% và 24,23%. Khối lượng nguyên tử trung bình của Cl là:
Khối lượng nguyên tử trung bình = (34,9689 x 75,77 + 36,9659 x 24,23) / 100
= 35,453 u
Để xác định khối lượng của nguyên tử, ta cần biết số đông vị và số nguyên tử của nó. Số nguyên tử là số hạt proton trong nguyên tử và kí hiệu là Z. Số nguyên tử cũng chính là thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Số proton và số electron trong một nguyên tử bình thường luôn bằng nhau.
Để biểu diễn một nguyên tử, ta dùng kí hiệu sau:
A
Z X
Trong đó: X là kí hiệu của nguyên tố; Z là số nguyên tử; A là số đông vị.
Ví dụ: Nguyên tử Cl-37 được biểu diễn như sau:
37
17 Cl
5. Ứng dụng của khối lượng nguyên tử:
Khối lượng nguyên tử có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau.
– Công nghệ hạt nhân: Khối lượng nguyên tử đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hạt nhân như năng lượng hạt nhân và y tế hạt nhân.
– Y tế: Khối lượng nguyên tử được sử dụng trong y tế để chẩn đoán và điều trị ung thư. Các phương pháp hình ảnh như chụp X-quang, CT scan và PET scan sử dụng các chất phóng xạ có khối lượng nguyên tử đã biết để xác định vị trí và kích thước của khối u.
– Nông nghiệp: Khối lượng nguyên tử được ứng dụng trong nông nghiệp để chiếu xạ nông sản. Việc sử dụng bức xạ có thể giúp tiêu diệt côn trùng gây hại và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc trên các loại cây trồng.
– Kỹ thuật vật liệu: Khối lượng nguyên tử cũng được sử dụng trong kỹ thuật vật liệu để nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới. Việc hiểu về khối lượng nguyên tử của các nguyên tố và đồng vị khác nhau giúp các nhà khoa học tạo ra các vật liệu có tính chất đặc biệt như độ cứng, độ bền, dẫn điện, dẫn nhiệt và tính chất từ tính.
– Phân tích hóa học: Khối lượng nguyên tử được sử dụng trong phân tích hóa học để xác định thành phần và cấu trúc của các hợp chất hóa học. Phương pháp phân tích khối lượng nguyên tử như phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và phổ khối (MS) cho phép xác định chính xác khối lượng nguyên tử của các nguyên tố trong mẫu.
