Hạt nhân nguyên tử

Hạt nhân nguyên tử

A. Lý thuyết

I. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử:

1) Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các prôtôn (p) và nơtrôn (n), gọi chung là các nuclôn.

Prôtôn là hạt mang điện tích dương +e và có khối lượng m_p = 1,672.10^-27kg; Nơtrôn là hạt không mang điện, có khối lượng m_n = 1,674.10^-27kg.

 

2) Kí hiệu hạt nhân là ${}_{Z}^{A}X$, trong đó:

        * Z là số prôtôn (số điện tích hạt nhân hay nguyên tử số)

        * A là số khối (hay số nuclôn); A – Z = N: số nơtrôn.

        * X là kí hiệu hoá học của nguyên tử.

 

3) Đồng vị: là những nguyên tử mà hạt nhân của chúng có cùng số prôtôn Z, nhưng số khối A khác nhau.

 

4) Đơn vị khối lượng nguyên tử: kí hiệu là u ; 1u = 1,66055.10^-27kg

Khối lượng của hạt nhân còn được đo bằng đơn vị : $\frac{MeV}{{{c}^{2}}}$; 1u = 931$\frac{MeV}{{{c}^{2}}}$

 

II. Sự phóng xạ:

1) Định nghĩa:

Là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự động phóng ra các bức xạ gọi là tia phóng xạ. Tia phóng xạ không nhìn thấy nhưng có những tác dụng lý hoá như ion hoá môi trường, làm đen kính ảnh, gây ra các phản ứng hoá học.

 

2) Đặc điểm:

Hiện tượng phóng xạ hoàn toàn do các nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra.không hề phụ thuộc vào các yếu tố lý hoá bên ngoài (nguyên tử phóng xạ nằm trong các hợp chất khác nhau có nhiệt độ, áp suất khác nhau đều xảy ra phóng xạ như nhau đối với cùng loại).

 

3) Các loại phóng xạ:

Cho các tia phóng xạ qua điện trường giữa 2 bản tụ điện ta xác định được bản chất của các tia phóng xạ.

          a) Tia Alpha (a): thực chất $_{2}^{4}He$.

- Bị lệch về phía bản (-) vì mang q = +2e.

- Phóng ra với vận tốc 10⁷m/s.

- Có khả năng ion hoá chất khí.

- Đâm xuyên kém. Trong không khí đi được 8cm.

b) Tia Bêta (b): Gồm b⁺ và b^-

- b^-: lệch về bản (+), thực chất là electron, q = -e

- b⁺: lệch về phía (-) (lệch nhiều hơn tia a và đối xứng với b^-); thực chất là electron dương (pôzitrôn); điện tích +e.

- Phóng ra với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.

- Ion hoá chất khí yếu hơn a.

- Khả năng đâm xuyên mạnh, đi được vài trăm mét trong không khí.

c) Tia gammar (g)

- Có bản chất là sóng điện từ bước sóng rất ngắn (<0,01nm). Đây là chùm phôtôn có năng lượng cao.

- Không bị lệch trong điện trường, từ trường.

- Có các tính chất như tia Rơnghen.

- Khả năng đâm xuyên lớn, có thể đi qua lớp chì vài chục cm và rất nguy hiểm.

- Tia g bao giờ cũng xuất hiện cùng các tai a, b. Không làm biến đổi hạt nhân.

 

4) Định luật phóng xạ:

a) Định luật:

Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một thời gian T gọi là chu kỳ bán rã, cứ sau mỗi chu kỳ này thì 1/2 số nguyên tử của chất ấy đã biến đổi thành chất khác.

b) Công thức:

Gọi N_o, m_o là số nguyên tử và khối lượng ban đầu của chất phóng xạ.

 N, m   là số nguyên tử và khối lượng chất ấy ở thời điểm t, ta có:

N = N_o.e^-lt   = \[\frac{{{N}_{o}}}{{{2}^{k}}}\];                  m = m_o .e^-lt = \[\frac{{{m}_{o}}}{{{2}^{k}}}\]

Trong đó: l là hằng số phóng xạ; $\lambda =\frac{\ln 2}{T}=\frac{0,693}{T}$

$K=\frac{t}{T}$: số chu kỳ bán rã trong thời gian t.

c) Độ phóng xạ:

Độ phóng xạ H của một lượng chất phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu, đo bằng số phân rã trong 1s.

Đơn vị của H là Becơren, viết tắc là Bq. 1 Becơren = 1 phân rã/1s.

Ngoài ra H còn có đơn vị curi (Ci);            1Ci = 3,7.10¹⁰Bq.

Công thức: $H=\lambda .N=\lambda .{{N}_{o}}.{{e}^{-\lambda t}}={{H}_{o}}.{{e}^{-\lambda t}}$

Với H_o = l.N_o: độ phóng xạ ban đầu.

B. Bài tập:

Câu 1. Muốn phân hạch U₂₃₅ thì phải làm chậm nơtrôn, nơtrôn được làm chậm gọi là nơtrôn nhiệt vì ...

       A. do nơtrôn ở trong một môi trường có nhiệt độ quá cao.

       B. nơtrôn dễ gặp hạt nhân U₂₃₅ hơn.

       C. nơtrôn chậm dễ được  U₂₃₅ hấp thụ.

       D. nơtrôn nhiệt có động năng bằng động năng trung bình của chuyển động nhiệt.

Câu 2. Trong lò phản ứng hạt nhân, hệ số nhân nơtrôn có trị số :

       A. s = 1                        B. s < 1 : Nếu lò cần giảm công suất                    

       C. s ³ 1                        D. s > 1 : Nếu lò cần tăng công suất 

Câu 3. Chọn phát biểu sai.

A. Nhà máy điện nguyên tử chuyển năng lượng của phản ứng hạt nhân thành năng lượng điện.

B. Phản ứng nhiệt hạc không thải ra chất phóng xạ làm ô nhiễm môi trường.

C. Trong nhà máy điện nguyên tử, phản ứng dây chuyền xảy ra ở mức tới hạn.

D. Trong lò phản ứng hạt nhân các thanh Urani phải có khối lượng nhỏ hơn khối lượng tới hạn.

Câu 4. Chọn câu đúng.

Điều kiện để các phản ứng hạt nhân dây chuyền xảy ra là ...

            A. phải làm chậm nơtrôn.

            B. hệ số nhân nơtrôn s £ 1.

            C. khối lượng U₂₃₅ phải nhỏ hơn khối lượng tới hạn. 

            D. phải tăng tốc cho các nơtrôn.

Câu 5. Hạt α có động năng k_α = 3,3MeV bắn phá hạt nhân ${}_{7}^{11}N$ gây ra phản ứng :

${}_{7}^{11}N$ + α  ®  n  +  ${}_{6}^{12}C$

Biết : m_α = 4,0015u ; m_n = 1,00867u ; m_Be = 9,012194u ; m_C = 11,9967u ;  1u = 931MeV/c².

Năng lượng toả ra từ phản ứng trên :

       A. 7,7MeV                   B. 11,2MeV                     C. 8,7MeV                       D. 5,76MeV

A.

Hướng dẫn : Ta có : M_o = m_Be + m_α  = 13,01369u   và   M = m_n +  m_C = 13,00537u

Năng lượng toả ra : DE = (M_o – M).c² » 7,7MeV.

Câu 6. Một chất phóng xạ lúc đầu có độ phóng xạ là 8Ci. Sau 2 ngày, độ phóng xạ còn là 4,8Ci. Hằng số phóng xạ của chất đó :

       A. 6h                            B. 12h                             C. 18h                              D. 36h

A.

Hướng dẫn: Sau hai ngày :  H₁ = l.N₁ = 4,8Ci.

                            Ban đầu :  H_o = l.N_o =  8Ci.

® $\frac{{{N}_{1}}}{{{N}_{0}}}={{e}^{\lambda .2}}=0,6\to \lambda =0,25$ngày = 6h.

Câu 7. Một mẫu gỗ cổ đại có độ phóng xạ ít hơn 4 lần so với mẫu gỗ cùng khối lượng vừa mới chặt. Biết chu kì bán rã C14 là T = 5570năm. Tuổi của mẫu gỗ là :

       A. 8355năm                B. 11140năm                  C. 1392,5năm                 D. 2785năm.

B.

Hướng dẫn: Ta có $H={{H}_{o}}.{{e}^{-\lambda t}}\Rightarrow t=\frac{1}{\lambda }\ln \frac{{{H}_{o}}}{H}=2T=11140$năm.

Câu 8. Chất phóng xạ Coban ${}_{27}^{60}Co$dùng trong y tế có chu kì bán rã T = 5,33năm và khối lượng nguyên tử là 58,9u. Ban đầu có 500g ${}_{27}^{60}Co$. Khối lượng ${}_{27}^{60}Co$ còn lại sau 12năm là :

       A. 220g                        B. 105g                            C. 196g                            D. 136g

B.

Hướng dẫn: Áp dụng : m  = m_o. ${{e}^{-0,693\frac{t}{T}}}=500.{{e}^{-0,693\frac{12}{5,33}}}=105g$

Câu 9. Chất phóng xạ Coban ${}_{27}^{60}Co$dùng trong y tế có chu kì bán rã T = 5,33năm. Ban đầu có 500g ${}_{27}^{60}Co$. Sau bao lâu thì khối lượng chất phóng xạ còn lại 100g ?

A. 12,38năm                B. 8,75năm                     C. 10,5 năm                    D. 15,24năm.

A.

Hướng dẫn: Từ công thức : m  = m_o.

${{e}^{-0,693\frac{t}{T}}}\to t=\frac{T}{0,693}\ln \frac{{{m}_{o}}}{m}=\frac{5,33}{0,693}\ln \frac{500}{100}=12,38$năm.

Câu 10. Tìm phát biểu sai về phản ứng nhiệt hạch :

       A. Sự kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.

       B. Mỗi phản ứng kết hợp toả ra một năng lượng bé hơn một phản ứng nhiệt hạch, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng kết hợp lại toả năng lượng nhiều hơn.

       C. Phản ứng kết hợp toả năng lượng nhiều, làm nóng môi trường xung quanh nên ta gọi là phản ứng nhiệt hạch.

      D. Con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch nhưng dưới dạng không kiểm soát được.

C. Bài tập tự luyện:

Câu  1. Tìm phát biểu sai về hạt nhân nguyên tử ${}_{13}^{27}Al$.

A. Hạt nhân Al có 13 nuclôn.                             B. Số nơtrôn là 14.

C. Số prôtôn là 13.                                            D. Số nuclôn là 27.

Câu 2. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ..

        A. các prôtôn             B. các nơtrôn                  C. các electron               D. các nuclon

Câu 3. Đồng vị của một nguyên tử đã cho khác với nguyên tử đó về...

        A. số prôtôn.                                                      B. số electron.             

        C. số nơtron.                                                      D. số nơtrôn và số electron

Câu 4. Chọn phát biểu đúng.

Đơn vị khối lượng nguyên tử là ...

A. khối lượng của một nguyên tử hiđrô          B. khối lượng của một nguyên tử cacbon

C. khối lượng của một nuclôn                          D. $\frac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử cacbon 12 (${}_{6}^{12}C$)

Câu 5. Tìm phát biểu sai về đồng vị.

        A. Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn Z nhưng số khối A khác nhau gọi là đồng vị.

        B. Các đồng vị ở cùng ô trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học.

        C. Các đồng vị phóng xạ thường không bền.

        D. Các đồng vị có số nơtrôn N khác nhau nên tính chất vật lí và hoá học của chúng khác nhau.

Câu 6. Tìm phát biểu sai về phóng xạ :

A. Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân bị kích thích phóng ra những bức xạ gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác.

B. Phóng xạ là một trường hợp riêng của phản ứng hạt nhân.

C. Một số chất phóng xạ có sẵn trong tự nhiên.

D. Có những chất đồng vị phóng xạ do con người tạo ra.

Câu 7. Chọn phát biểu đúng về hiện tượng phóng xạ :

A. Nhiệt độ càng cao thì sự phóng xạ xảy ra càng mạnh.

B. Khi được kích thích bởi các bức xạ có bước sóng ngắn, sự phóng xạ xảy ra càng nhanh.

C. Các tia phóng xạ đều bị lệch trong điện trường hoặc từ trường.

D. Hiện tượng phóng xạ xảy ra không phụ thuộc vào các tác động lí hoá bên ngoài.

Câu 8. Tìm phát biểu sai về qui tắc chuyển dịch:

            A. Trong phóng xạ b⁺, hạt nhân con lùi một ô trong bảng tuần hoàn.

            B. Trong phóng xạ b^-, hạt nhân con tiến một ô trong bảng tuần hoàn.

            C. Trong phóng xạ α, hạt nhân con tiến hai ô trong bảng tuần hoàn.

            D. Trong phóng xạ g, hạt nhân con không biến đổi.

Câu 9. Tìm phát biểu sai.

Tia α ...

            A. bị lệch trong điện trường hoặc từ trường.

            B. có vận tốc bằng vận tốc ánh sáng trong chân không.

            C. làm ion hoá không khí

            D. gồm các hạt nhân của nguyên tử hêli ${}_{2}^{4}He$.

Câu 10. Tìm phát biểu sai.

            Phóng xạ b^–...

            A. là dòng hạt mang điện tích âm.

            B. có bản chất giống với bản chất của tia Rơnghen.

            C. có vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.

            D. làm iôn hoá không khí yếu hơn phóng xạ α.

Chúc các bạn học tốt!

Bài viết gợi ý: