Cấu trúc nguyên tử

Phóng xạ đã hơn một thế kỷ tuổi đời, nhưng vẫn điều trị ung thư, cung cấp điện cho lưới điện và đòi hỏi các quy tắc an toàn nghiêm ngặt. Tài liệu tham khảo này bao gồm Vật lý AQA GCSE 8463, chủ đề 4.4 Cấu trúc nguyên tử.

Cách kỳ thi xử lý chủ đề này:

• Chủ đề này nằm trong Paper 1 (4.1–4.4). Sự hỗ trợ từ bảng công thức phụ thuộc vào kỳ thi. Hãy luyện tập ký hiệu, phương trình cân bằng, đồ thị và lời giải thích cùng các phép tính.
• Bức xạ nền, nguy cơ bán rã, ứng dụng và phân hạch/hợp hạch là chỉ vật lý.
• Tỷ lệ giảm dần sau nhiều chu kỳ bán rã thuộc Level cao.
• Bạn phải viết phương trình hạt nhân cân bằng cho sự phân rã alpha và beta đơn lẻ (cân bằng số hiệu nguyên tử và số khối; không yêu cầu gọi tên sản phẩm phân rã).

Một nguyên tử rất nhỏ: bán kính khoảng $1\times10^{-10}$ m. Cấu trúc của nó:

• Hạt nhân: mang điện dương, gồm proton và neutron; chiếm hầu hết khối lượng nguyên tử, nhưng bán kính nhỏ hơn 1/10 000 so với bán kính nguyên tử.
• Electron: mang điện tích âm, sắp xếp theo các mức năng lượng. Khi hấp thụ bức xạ điện từ, electron sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, xa hạt nhân hơn; khi phát xạ, nó về mức thấp hơn, gần hơn.

Ký hiệu: $\ ^{A}_{Z}X$ trong đó $Z$ = số hiệu nguyên tử (số proton) và $A$ = số khối (số proton + số neutron). Trong nguyên tử trung hòa, số electron = số proton; nguyên tử không mang điện tích tổng thể.

• Đồng vị: các nguyên tử của cùng một nguyên tố (cùng $Z$) có số lượng neutron khác nhau (khác $A$).
• Số neutron trong nhân = $A - Z$.
• Các nguyên tử mất một hoặc nhiều electron lớp ngoài trở thành ion dương.

Ví dụ minh họa. Carbon-14: $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• Proton = 6; electron = 6 (trung hòa); neutron = $14 - 6 = 8$.
• Carbon-12 có 6 neutron — cùng nguyên tố, số neutron khác: đồng vị.

Bằng chứng thực nghiệm mới có thể thay đổi hoặc thay thế một mô hình khoa học:

1. Trước khi phát hiện electron: nguyên tử là hình cầu siêu nhỏ không thể chia cắt.
2. Electron được phát hiện → mô hình bánh mứt: quả cầu mang điện tích dương có các electron âm nhúng bên trong.
3. Phân tán alpha (Rutherford): hầu hết hạt alpha đi xuyên thẳng, một vài bị bật ngược lại → khối lượng và điện tích dương phải tập trung vào tâm cực nhỏ → mô hình nhân thay thế mô hình bánh mứt.
4. Bohr điều chỉnh lại: electron quay ở khoảng cách xác định; tính toán của ông phù hợp với quan sát thực tế.
5. Nghiên cứu thêm chỉ ra điện tích dương xuất hiện theo đơn vị nguyên — proton; thí nghiệm của Chadwick (sau khoảng 20 năm) đã chứng minh sự tồn tại của neutron.

Giải thích bằng chứng làm thay đổi mô hình: nếu mô hình bánh pudding đúng, các hạt alpha nên đi xuyên qua tất cả với độ lệch nhỏ (B1); một số bật ngược trở lại gần như thẳng hàng (B1), điều này chỉ có thể xảy ra nếu khối lượng và điện tích dương tập trung trong một hạt nhân nhỏ, đặc, mang điện tích dương (B1).

Một số hạt nhân không bền. Chúng phát ra bức xạ khi chuyển đổi để trở nên ổn định hơn — một quá trình ngẫu nhiên gọi là sự phân rã phóng xạ.

• Hoạt độ: tốc độ mà một nguồn phát phân rã; đơn vị becquerel (Bq).
• Tốc độ đếm: số lần đếm của máy dò mỗi giây, sau khi đã trừ nền nếu cần thiết. Máy dò thường chỉ ghi nhận một phần bức xạ; do đó tốc độ đếm không tự động là hoạt độ nguồn tính bằng Bq.

Bức xạ	Bản chất	Khả năng ion hóa	Vật liệu chắn
Alpha α	Hạt nhân heli	mạnh	giấy / da
Beta β	Electron tốc độ cao	trung bình	Aluminium dày vài mm
Gamma γ	Bức xạ điện từ	yếu	Chì hoặc bê tông dày làm giảm

Alpha chứa hai proton và hai neutron, chỉ di chuyển được vài cm trong không khí. Beta được phát ra khi một neutron chuyển thành proton; phạm vi bay trong không khí dài hơn. Gamma có phạm vi xa nhất trong ba loại này và bị giảm nhẹ chứ không bị chặn hoàn toàn bởi chì hay bê tông dày. Một hạt nhân cũng có thể phát ra neutron; các tính chất chi tiết của neutron không yêu cầu ở đây.

Chọn nguồn phù hợp cho ứng dụng dựa trên các tính chất này: alpha dùng trong báo cháy ion hóa khói (khói làm giảm dòng điện ion hóa); beta dùng để kiểm soát độ dày (bị hấp thụ một phần bởi tấm vật liệu); gamma dùng làm chất đánh dấu (thoát khỏi cơ thể) và khử trùng (thâm thấu bao bì và tiêu diệt vi sinh vật). Nguồn kín giúp giảm nguy cơ ô nhiễm phóng xạ; tuy nhiên điều này không phải là lý do để bỏ qua các biện pháp an toàn khi thao tác.

Hoạt độ từ đồ thị. Trên đồ thị biểu diễn số hạt nhân chưa phân rã theo thời gian, hãy kẻ tiếp tuyến tại thời điểm đã cho. Độ dốc xuống của tiếp tuyến chính là tốc độ giảm số hạt nhân; hoạt độ là giá trị tuyệt đối dương, tính bằng Bq. Đọc tọa độ từ hai điểm cách xa nhau trên tiếp tuyến, không phải hai điểm tùy ý trên đường cong.

Ví dụ minh họa (do giáo viên viết). Tiếp tuyến xấp xỉ đi qua $(0\ \text{s},68000)$ và $(200\ \text{s},12000)$.

Đây là ước lượng từ đường tiếp tuyến vẽ tay. AQA tháng Sáu 2024 8463/1H Q09.5 yêu cầu phương pháp tương tự trên đồ thị riêng của nó tại 300 s; đáp án chính thức là $7.1\times10^{20}$ Bq. Those are different graphs and data.

Cân bằng số khối (trên) và số hiệu nguyên tử (dưới) ở hai vế:

• Phân rã alpha: hạt nhân mất 4 ở trên và 2 ở dưới.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Phân rã beta: một neutron biến thành proton; số khối không đổi, số hiệu nguyên tử +1; hạt beta là $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• Phát xạ gamma: không thay đổi bất kỳ con số nào.

Ví dụ minh họa. Polonium-210 phân rã bằng phát xạ alpha. Viết phương trình.

• Alpha loại bỏ 4 và 2: $A: 210 - 4 = 206$; $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Kiểm tra cả hai hàng cân bằng ✓ (không cần tên sản phẩm con).

Sự phân rã là ngẫu nhiên: không thể dự đoán cho một hạt nhân cụ thể; chỉ có hành vi trung bình của nhiều hạt nhân mới có thể dự đoán được.

Chu kỳ bán rã: khoảng thời gian để (a) số hạt nhân của đồng vị trong mẫu giảm đi một nửa, hoặc (b) tốc độ đếm ròng / hoạt độ giảm xuống còn một nửa mức ban đầu. Phải trừ nền từ các đọc số của máy dò trước và giữ nguyên cấu hình máy dò không đổi.

• Từ đồ thị: đọc thời gian để tốc độ đếm giảm một lần — lặp lại qua nhiều lần giảm và tính giá trị trung bình.
• Sau $n$ chu kỳ bán rã, phần còn lại là $1/2^n$ (HT: biểu diễn dưới dạng tỉ lệ).

Ví dụ hướng dẫn. Hoạt độ của mẫu giảm từ 800 Bq xuống 200 Bq trong 12 năm.

• Số lần giảm một nửa: $800 \to 400 \to 200$ tương ứng với hai lần giảm một nửa.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Yêu cầu thực tế của AQA, tháng Sáu 2025 8463/1H Q07.4: Polonium-210 có chu kỳ bán rã là 138 ngày. Số nguyên tử giảm từ 256 000 xuống 16 000: bốn lần giảm một nửa, nên thời gian là $4 \times 138 = 552$ ngày. Q07.5 so sánh số lượng nguyên tử Po-209 và Po-210 bằng nhau: Po-209 có chu kỳ bán rã dài hơn sẽ có hoạt độ thấp hơn. Điều kiện dân số bằng nhau rất quan trọng.

• Ô nhiễm phóng xạ: các nguyên tử phóng xạ không mong muốn bên ngoài hoặc bên trong một vật thể hay cơ thể người. Nguy hiểm kéo dài suốt thời gian các nguyên tử đó tồn tại, phân rã ngay trên hoặc trong cơ thể.
• Chiếu xạ: đưa vật thể tiếp xúc với bức xạ. Vật thể được chiếu xạ không trở nên phóng xạ.

Sự nhiễm phóng xạ có thể tiếp tục chiếu xạ mô trong khi các nguyên tử phóng xạ vẫn còn. Sự phơi nhiễm từ nguồn bên ngoài kết thúc khi nguồn đó bị loại bỏ hoặc được che chắn hiệu quả. So sánh hoạt độ nguồn, loại bức xạ, khoảng cách, thời gian phơi nhiễm và liệu vật chất có nằm trong cơ thể hay không; sự nhiễm phóng xạ không phải lúc nào cũng tạo ra liều lớn hơn. Bức xạ alpha từ bên ngoài có khả năng xuyên thấu thấp và bị da ngăn lại, nhưng nếu ở bên trong, lực ion hóa mạnh của nó có thể gây tổn thương các mô sống lân cận.

Biện pháp phòng ngừa: giữ nguồn bằng kẹp, đặt ở khoảng cách xa, hạn chế thời gian tiếp xúc, hướng nguồn ra khỏi người, lưu trữ trong hộp lót chì. Các kết quả nghiên cứu về tác động của bức xạ đều đã được công bố và thẩm định bởi chuyên gia để đảm bảo độ chính xác.

Bức xạ nền luôn hiện diện xung quanh chúng ta:

• tự nhiên: đá (khí radon), tia vũ trụ từ không gian, thực phẩm và các đồng vị tự nhiên trong cơ thể;
• Do con người tạo ra: tàn dư từ thử nghiệm vũ khí, tai nạn hạt nhân, ứng dụng y tế.

Liều lượng phụ thuộc vào nghề nghiệp và vị trí địa lý (độ cao lớn, ngành công nghiệp đặc thù). Đơn vị đo liều: sieverts (1000 mSv = 1 Sv; không cần ghi nhớ).

Các phép đo trên mẫu phải trừ đi tốc độ đếm nền trước tiên.

Nửa đời và nguy hiểm: đối với cùng số lượng hạt nhân không ổn định, nửa đời càng ngắn thì hoạt độ càng cao. Lượng chất và điều kiện phơi nhiễm cũng quan trọng. Một nguồn tồn tại lâu dài có thể cần lưu trữ an toàn trong nhiều năm. Chất đánh dấu y tế nên duy trì hoạt động đủ lâu để phục vụ việc chẩn đoán, sau đó phân rã nhanh để giảm liều dư thừa. Nguồn trong báo cháy phải duy trì hiệu quả trong nhiều năm.

Ứng dụng y học (mỗi = khám phá hoặc tiêu diệt):

• Khám phá: chất đánh dấu phát gamma (ví dụ technetium-99m) được tiêm vào để các cơ quan hiển thị trên ảnh chụp; tia gamma thoát khỏi cơ thể; nửa đời ngắn phù hợp giúp giới hạn liều sau khi hoàn thành xét nghiệm.
• Tiêu diệt: chùm tia gamma hội tụ hoặc nguồn phóng xạ cấy ghép tiêu diệt tế bào ung thư (liệu pháp phóng xạ); beta dùng cho các bệnh về da.

Đánh giá rủi ro: so sánh liều lượng và hậu quả của thủ thuật với nguy cơ của căn bệnh — dựa trên các số liệu từ đề bài.

Phân hạch: sự tách rời của một hạt nhân lớn, không bền (uranium-235, plutonium-239).

• Phân hạch tự nhiên rất hiếm: hạt nhân thường hấp thụ một neutron trước.
• Nó tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn gần bằng nhau, giải phóng hai hoặc ba neutron và tia gamma; năng lượng được giải phóng và tất cả sản phẩm đều mang động năng.
• Các neutron giải phóng có thể gây thêm phân hạch — một phản ứng dây chuyền. Lò phản ứng kiểm soát nó (thanh điều khiển hấp thụ neutron); vụ nổ của vũ khí là phản ứng dây chuyền không kiểm soát.
• Bạn phải vẽ hoặc diễn giải sơ đồ: neutron vào → hai mảnh vụn + neutron ra → nhánh cây phân tách.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân: hai hạt nhân nhẹ liên kết để tạo thành hạt nhân nặng hơn; một phần khối lượng chuyển hóa thành năng lượng của bức xạ. Để liên kết, các hạt nhân mang điện tích dương phải tiến lại gần nhau dù có lực đẩy tĩnh điện. Không mô tả phản ứng tổng hợp là liên kết hóa học hay khẳng định rằng mọi hệ thống tổng hợp hạt nhân đều không tạo chất thải.

• Tìm proton, neutron và electron từ $A,Z$; xác định đồng vị và ion.
• Giải thích làm thế nào bằng chứng thực nghiệm đã thay đổi các mô hình nguyên tử.
• So sánh tính chất α/β/γ và chọn nguồn phù hợp cho một ứng dụng cụ thể.
• Cân bằng phương trình alpha/beta đơn và kiểm tra cả hai hàng.
• Tìm nửa đời và mức giảm (HT) ròng; tìm hoạt độ từ độ dốc tiếp tuyến.
• Trừ đi nền; phân biệt số đếm của máy dò với hoạt độ của nguồn.
• So sánh nguy hiểm do chiếu xạ/nhiễm phóng xạ và các biện pháp phòng ngừa.
• (chỉ vật lý) Giải thích nền phóng xạ, ứng dụng y tế, lựa chọn nửa đời và phân chia/tổng hợp hạt nhân.

Lỗi thường gặp

• Đảo lộn số khối và số hiệu nguyên tử. Số ở trên là tổng proton + neutron; số ở dưới là số proton; số neutron = số trên − số dưới.
• Thay đổi số khối trong phân rã beta. Một neutron chuyển thành proton và electron thoát khỏi hạt nhân: số hiệu nguyên tử tăng thêm 1, số khối giữ nguyên.
• Suy nghĩ rằng hai chu kỳ bán rã sẽ loại bỏ hoàn toàn mẫu vật. Sau hai chu kỳ $\tfrac14$ vẫn còn; sau ba chu kỳ, $\tfrac18$.
• Đọc thời gian bán rã mà không trừ đi nền phóng xạ. Phải hiệu chỉnh mỗi số đếm trước, nếu không hoạt động có vẻ như giảm quá chậm.
• Nói rằng một vật bị chiếu xạ trở nên phóng xạ. Chỉ có sự nhiễm bẩn mới đưa các nguyên tử phóng xạ lên hoặc vào bên trong vật đó.
• Coi tia gamma là bức xạ nguy hiểm nhất ở mọi nơi. Tia gamma xuyên thấu tốt nhất nhưng ion hóa kém nhất; alpha bên trong cơ thể lại gây hại nhiều hơn.
• Nhầm lẫn giữa phân hạch và tổng hợp. Phân hạch tách một hạt nhân lớn (uranium, plutonium); tổng hợp ghép các hạt nhân nhẹ (hydrogen trong sao).