Khởi động: Kích thước nguyên tử nhỏ tới mức kính hiển vi quang học hiện đại nhất cũng không thể giúp chúng ta quan sát rõ. Hạt nhân có kích thước còn nhỏ hơn rất nhiều (khoảng 0,0001 lần) so với nguyên tử. Các nhà khoa học đã làm thế nào để phát hiện ra điều đó?
Lời giải:
Các nhà khoa học đã làm như sau
- Phân rã phóng xạ:
+ Các nhà khoa học nghiên cứu sự phân rã phóng xạ của các nguyên tử.
+ Khi một nguyên tử phóng xạ, nó phát ra các hạt alpha (α) hoặc beta (β).
+ Hạt alpha là hạt nhân heli, có kích thước lớn hơn nhiều so với hạt nhân nguyên tử.
+ Khi hạt alpha đi qua một lớp vật liệu mỏng, nó sẽ ion hóa các nguyên tử trong vật liệu đó.
+ Bằng cách đo độ dài đường đi của hạt alpha trước khi nó bị dừng lại, các nhà khoa học có thể ước tính được kích thước của hạt nhân nguyên tử.
- Thí nghiệm Rutherford:
+ Năm 1911, Ernest Rutherford thực hiện thí nghiệm bắn phá lá vàng bằng hạt alpha.
+ Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.
+ Tuy nhiên, một số ít hạt alpha bị lệch hướng rất lớn.
+ Rutherford giải thích kết quả này bằng cách cho rằng nguyên tử có một hạt nhân nhỏ, tích điện dương, tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử.
+ Hạt alpha bị lệch hướng khi đi qua gần hạt nhân do tương tác điện từ giữa các hạt tích điện.
- Hiệu ứng Zeeman:
+ Hiệu ứng Zeeman là sự tách ra thành nhiều vạch của một vạch quang phổ khi nguyên tử bị đặt trong từ trường.
+ Mức độ tách ra của các vạch quang phổ phụ thuộc vào cường độ từ trường và cấu trúc của hạt nhân.
+ Bằng cách nghiên cứu hiệu ứng Zeeman, các nhà khoa học có thể thu thập thông tin về kích thước và cấu trúc của hạt nhân.
I. Thí nghiệm tán xạ hạt alpha
Hoạt động 1: Dựa vào kết quả thí nghiệm tán xạ hạt α để trả lời các câu hỏi sau:
a) Tần suất đốm sáng xuất hiện khi kính hiển vi ở vị trí (1) (vị trí đối diện với nguồn phát tia α - Hình 21.2 b) là lớn nhất chứng tỏ điều gì?
b) Tại sao có một số hạt α đổi hướng chuyển động khi đi qua lá vàng?
c) Số hạt α không đi qua lá vàng mà bật lại tới vị trí (2) với tần suất chỉ bằng 10-4 lần tần suất hạt α đi qua lá vàng tới vị trí (1) chứng tỏ điều gì?
Lời giải:
a) Tần suất đốm sáng xuất hiện khi kính hiển vi ở vị trí (1) (vị trí đối diện với nguồn phát tia α - Hình 21.2 b) là lớn nhất chứng tỏ giữa các nguyên tử vàng có khoảng cách, hạt α có thể đi qua những kẽ hở đó.
b) Một số hạt α đổi hướng chuyển động khi đi qua lá vàng vì hạt α đã va chạm với hạt nhân nguyên tử vàng và bị đổi hướng.
c) Số hạt α không đi qua lá vàng mà bật lại tới vị trí (2) với tần suất chỉ bằng 10-4 lần tần suất hạt α đi qua lá vàng tới vị trí (1) chứng tỏ các nguyên tử vàng làm lệch hướng, hay “tán xạ” các hạt alpha với góc tán xạ lớn tới mức một số hạt này bị bật trở lại phía nguồn.
Hoạt động 2: Dựa trên thí nghiệm tán xạ hạt α, Rutherford đề xuất một mô hình hành tinh nguyên tử (Hình 21.5 a).
a) Mô tả mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford.
b) Giải thích mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford dựa vào các câu trả lời ở ý 1.
Lời giải:
a) Mô tả mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford:
- Hạt nhân: nằm ở trung tâm nguyên tử, mang điện tích dương và tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử.
- Electron: chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo tròn, giống như các hành tinh quay quanh mặt trời.
- Kích thước: hạt nhân có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử.
- Lực hút: Lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân mang điện tích dương và electron mang điện tích âm giữ cho nguyên tử bền vững.
b) Giải thích mô hình cấu tạo nguyên tử của Rutherford ta dựa vào kết quả thí nghiệm tán xạ hạt 
:
- Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.
- Một số ít hạt alpha bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.
Vì:
- Phần lớn nguyên tử là không gian trống, do đó các hạt alpha có thể đi qua lá vàng mà không gặp bất kỳ trở ngại nào.
- Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với nguyên tử, nhưng lại tập trung hầu hết khối lượng của nguyên tử. Khi hạt alpha va chạm với hạt nhân, do tương tác điện tích dương, hạt alpha có thể bị lệch hướng hoặc phản xạ ngược lại.
Mô hình hành tinh nguyên tử:
- Giải thích được kết quả thí nghiệm tán xạ alpha.
- Mô tả cấu trúc nguyên tử với hạt nhân ở trung tâm và electron chuyển động xung quanh.
II. Nucleon và kí hiệu hạt nhân
Câu hỏi: Xác định khối lượng của proton và neutron theo đơn vị amu.
Lời giải:
mp = 1,67262.10-27 kg = 1,007274 amu
mn = 1,67493.10-27 kg = 1,008665 amu
Câu hỏi: Công thức 21.1 cho kết quả tốt hơn với A > 12. Nghiệm lại sự chính xác của công thức này cho các hạt nhân trong Bảng 21.1.
Lời giải:
Công thức (21.1): 
- Công thức trên chỉ là một công thức xấp xỉ. Công thức này không tính đến các hiệu ứng như năng lượng liên kết hạt hân, cấu trúc vỏ hạt nhân…Các hiệu ứng này ảnh hưởng nhiều hơn đến các hạt nhân có số khối A nhỏ.
Câu hỏi 1: Trong kí hiệu hạt nhân, đại lượng N = A - Z cho biết số lượng của loại hạt nào trong hạt nhân? Vì sao?
Lời giải:
- Đại lượng N = A - Z cho biết số lượng của hạt neutron.
Câu hỏi 2: Bằng cách nào có thể tìm được số Z và số N của hạt nhân có kí hiệu dạng AX?
Lời giải:
Tìm được số Z và số N của hạt nhân có kí hiệu dạng AX ta dựa vào số khối A và số hiệu nguyên tử Z:
- Số khối (A): tổng số proton và neutron trong hạt nhân.
- Số hiệu nguyên tử (Z): số lượng proton trong hạt nhân.
- Số neutron (N): N = A - Z
Còn có thể dựa vào bảng tuần hoàn: mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn được xác định bởi số hiệu nguyên tử Z. Số proton (Z) của hạt nhân bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Từ đó có thể tìm được số N.
Câu hỏi 3: Viết kí hiệu hạt nhân vàng (Au), helium (He) và nitrogen (N), biết rằng số lượng nucleon của các hạt nhân này lần lượt là 197; 4 và 14.
Lời giải:
Câu hỏi: Giải thích tại sao các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng khối lượng riêng vẫn có thể khác nhau.
Lời giải:
- Các chất cấu tạo từ cùng một loại nguyên tố nhưng khối lượng riêng vẫn có thể khác nhau vì một chất có thể có nhiều đồng vị, mỗi đồng vị có số khối khác nhau nên sẽ ảnh hưởng đến khối lượng hạt nhân của chúng, do đó chúng sẽ có khối lượng riêng khác nhau.
Em có thể:
• Giải thích được thế giới vật chất vĩ mô đa dạng quanh ta đều được tạo thành bởi các hạt proton, neutron và electron.
• Đánh giá được kích thước của hạt nhân từ thí nghiệm tán xạ hạt α.
Lời giải:
- Thế giới vật chất vĩ mô đa dạng quanh ta đều được tạo thành bởi các hạt proton, neutron và electron được giải thích như sau:
Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử là đơn vị cấu tạo nên vật chất, bao gồm hạt nhân và các electron quay xung quanh. Hạt nhân nguyên tử bao gồm proton và neutron. Electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương, neutron không mang điện. Số lượng proton trong hạt nhân được gọi là số hiệu nguyên tử (Z), xác định nguyên tố. Số lượng neutron (N) có thể thay đổi, tạo ra các đồng vị của cùng một nguyên tố.
Liên kết hóa học: Các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học để tạo thành phân tử và vật chất. Có 3 loại liên kết hóa học chính: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị và liên kết kim loại. Loại liên kết hóa học phụ thuộc vào cấu hình electron của các nguyên tử tham gia liên kết.
Đa dạng vật chất: Sự đa dạng của vật chất vĩ mô được giải thích bởi sự kết hợp của các nguyên tố khác nhau, số lượng nguyên tử trong phân tử và loại liên kết hóa học.
Ví dụ: Nước (H2O) là phân tử đơn giản, chỉ gồm 2 nguyên tố H và O, liên kết cộng hóa trị. Kim cương (C) là mạng tinh thể khổng lồ gồm các nguyên tử C liên kết cộng hóa trị. Muối ăn (NaCl) là hợp chất ion gồm các ion Na+ và Cl-.
- Đánh giá được kích thước của hạt nhân từ thí nghiệm tán xạ hạt Rutherford:
Thí nghiệm:
+ Thí nghiệm tán xạ hạt Rutherford (1911) bắn phá lá vàng mỏng bằng hạt alpha (α), là hạt nhân heli (He^2+).
+ Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.
+ Một số ít hạt alpha bị lệch hướng mạnh, thậm chí quay ngược lại.
Giải thích: Hạt alpha có kích thước nhỏ và mang điện tích dương. Khi hạt alpha đi qua lá vàng, nó tương tác với điện trường của hạt nhân nguyên tử. Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng vì hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với kích thước nguyên tử. Một số ít hạt alpha bị lệch hướng mạnh hoặc quay ngược lại khi đi qua gần hạt nhân, chứng tỏ hạt nhân có điện tích dương tập trung rất mạnh.