HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử:
* Kích thước hạt nhân: Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ, nhỏ hơn kích thước nguyên tử khoảng 104 ¸ 105 lần.
* Cấu tạo hạt nhân: Hạt nhân được cấu tạo bởi các nuclôn. Có 2 loại nuclôn: prôtôn kí hiệu là p mang điện tích dương và nơtron kí hiệu là n không mang điện.
- Số prôtôn (Z) trong hạt nhân có trị số bằng số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn, Z còn gọi là nguyên tử số.
- Tổng số prôtôn và nơtron của hạt nhân gọi là số khối, kí hiệu là A.
- Số nơtron trong hạt nhân: A – Z.
* Kí hiệu hạt nhân: Hạt nhân nguyên tử được kí hiệu là $_{Z}^{A}X$
X: kí hiệu hóa học của nguyên tố.
Z: số prôtôn hay là số thứ tự nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn.
A: số khối.
* Đồng vị: là những hạt nhân có cùng số prôtôn Z nhưng khác số nơtron nên khác số khối A gọi là đồng vị.
Ví dụ: Hiđrô có 3 đồng vị: $_{1}^{1}H$; $_{1}^{2}H$ (Đơtêri: $_{1}^{2}D$); $_{1}^{3}H$ (Triti: $_{1}^{3}T$).
2. Khối lượng hạt nhân:
* Đơn vị khối lượng hạt nhân:
- Khối lượng của hạt nhân rất lớn so với khối lượng của êlectron nên khối lượng nguyên tử tập trung gần như toàn bộ ở hạt nhân.
- Trong vật lí hạt nhân nguyên tử người ta thường dùng đơn vị đo khối lượng là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u.
Đơn vị u có giá trị bằng $\frac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử của đồng vị $_{6}^{12}C$.
$1u={{1,66055.10}^{-27}}kg$
${{m}_{e}}={{5,486.10}^{-4}}u$; ${{m}_{p}}=1,00728u$; ${{m}_{n}}=1,00866u$; ${{m}_{He}}=4,00150u$
* Khối lượng và năng lượng:
- Hệ thức Anhxtanh: $E=m{{c}^{2}}$
Trong đó: m: là khối lượng của vật.
c = 3.108m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Năng lượng tương ứng với khối lượng 1u (tính ra đơn vị eV):
$E=u{{c}^{2}}\approx 931,5MeV$
$1u\approx 931,5\text{MeV/}{{\text{c}}^{2}}$
\[\text{MeV/}{{\text{c}}^{2}}\]cũng được coi là một đơn vị đo khối lượng hạt nhân.
* Theo lí thuyết Anhxtanh: một vật có khối lượng m0 ở trạng thái nghỉ, khi chuyển động với tốc độ v thì khối lượng sẽ tăng lên thành m.
$m=\frac{{{m}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}$
m: là khối lượng nghỉ m0: là khối lượng động.
Khi đó: $E=m{{c}^{2}}=\frac{{{m}_{0}}{{c}^{2}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}$ gọi là năng lượng toàn phần.
$E-{{E}_{0}}=\left( m-{{m}_{0}} \right){{c}^{2}}$chính là động năng của vật.
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT CỦA HẠT NHÂN – PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
* Lực hạt nhân:
Lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là lực hút, gọi là lực hạt nhân, có tác dụng liên kết các nuclôn lại với nhau. Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện, nó không phụ thuộc vào điện tích của nuclôn. So với lực tĩnh điện và lực hấp dẫn, lực hạt nhân có cường độ rất lớn (hay còn gọi là lực tương tác mạnh) và chỉ tác dụng khi hai nuclôn cách nhau một khoảng bằng hoặc nhỏ hơn kích thước hạt nhân (khoảng 10-15m).
* Độ hụt khối và năng lượng liên kết của hạt nhân:
+ Độ hụt khối:
Độ hụt khối của một hạt nhân là hiệu số giữa tổng khối lượng của các nuclôn tạo nên hạt nhân và khối lượng của hạt nhân đó, kí hiệu là $\Delta m$.
$\Delta m=\left[ Z{{m}_{p}}+\left( A-Z \right){{m}_{n}} \right]-{{m}_{X}}$
+ Năng lượng liên kết:
Năng lượng liên kết của một hạt nhân là năng lượng tối thiểu cần thiết phải cung cấp để tách các nuclôn, nó được đo bằng tích của độ hụt khối với thừa số c2.
\[{{W}_{lk}}=\left[ Z{{m}_{p}}-\left( A-Z \right){{m}_{n}}-{{m}_{X}} \right]{{c}^{2}}=\Delta m.{{c}^{2}}\]
Mức độ bền vững của hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng liên kết riêng, được đo bằng $\frac{{{W}_{lk}}}{A}$, đó là những hạt nhân có: 50 < A < 95 nằm trong bảng tuần hoàn.
* Phản ứng hạt nhân:
- Phản ứng hạt nhân là quá trình các hạt nhân có thể tương tác với nhau và biến đổi thành hạt nhân khác.
Ví dụ: $_{{{Z}_{1}}}^{{{A}_{1}}}A+_{{{Z}_{2}}}^{{{A}_{2}}}B\xrightarrow{{}}_{{{Z}_{3}}}^{{{A}_{3}}}C+_{{{Z}_{4}}}^{{{A}_{4}}}D$
- Phản ứng hạt nhân được chia làm 2 loại: phản ứng hạt nhân tự phát và phản ứng hạt nhân kích thích.
Ví dụ: quá trình phóng xạ.
+ Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác.
+ Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác.
Ví dụ: phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch.
* Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân:
1. Định luật bảo toàn điện tích (hay nguyên tử số Z):
Tổng điện tích của các hạt trước phản ứng và sau phản ứng bao giờ cũng bằng nhau.
Ví dụ: Dựa vào phản ứng trên, theo ĐLBT điện tích, ta có:
Z1 + Z2 = Z3 + Z4
2. Định luật bảo toàn số nuclôn (hay số khối A):
Tổng số nuclôn của các hạt trước phản ứng và sau phản ứng bao giờ cũng bằng nhau.
Ví dụ: Dựa vào phản ứng trên, theo ĐLBT số khối, ta có:
A1 + A2 = A3 + A4
3. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (bao gồm động năng và năng lượng nghỉ):
Tổng năng lượng toàn phần của các hạt trước phản ứng và tổng năng lượng toàn phần của các hạt sau phản ứng bao giờ cũng bằng nhau.
Ví dụ: Dựa vào phản ứng trên, theo ĐLBT năng lượng toàn phần, ta có:
\[{{W}_{A}}+{{E}_{A}}+{{W}_{B}}+{{E}_{B}}={{W}_{C}}+{{E}_{C}}+{{W}_{D}}+{{E}_{D}}\]
Û $\frac{1}{2}{{m}_{A}}v_{A}^{2}+{{m}_{A}}{{c}^{2}}+\frac{1}{2}{{m}_{B}}v_{B}^{2}+{{m}_{B}}{{c}^{2}}=\frac{1}{2}{{m}_{C}}v_{C}^{2}+{{m}_{C}}{{c}^{2}}+\frac{1}{2}{{m}_{D}}v_{D}^{2}+{{m}_{D}}{{c}^{2}}$
4. Định luật bảo toàn động lượng $\left( \overrightarrow{p}=m\overrightarrow{v} \right)$
Tổng véctơ động lượng của các hạt trước phản ứng bằng tổng véctơ động lượng của các hạt sau phản ứng.
Ví dụ: Dựa vào phản ứng trên, theo ĐLBT động lượng, ta có:
${{\overrightarrow{p}}_{A}}+{{\overrightarrow{p}}_{B}}={{\overrightarrow{p}}_{C}}+{{\overrightarrow{p}}_{D}}$
Û ${{m}_{A}}\overrightarrow{{{v}_{A}}}+{{m}_{B}}\overrightarrow{{{v}_{B}}}={{m}_{C}}\overrightarrow{{{v}_{C}}}+{{m}_{D}}\overrightarrow{{{v}_{D}}}$
* Chú ý: Trong phản ứng hạt nhân không có định luật bảo toàn khối lượng nghỉ.
* Năng lượng phản ứng hạt nhân:
${{m}_{t}}$: là tổng khối lượng của các hạt trước phản ứng.
${{m}_{s}}$: là tổng khối lượng của các hạt sau phản ứng.
+ Phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng:
Nếu ${{m}_{t}}>{{m}_{s}}$ thì phản ứng tỏa năng lượng, năng lượng tỏa ra được xác định:
Wtỏa = $\left( {{m}_{t}}-{{m}_{s}} \right){{c}^{2}}$
+ Phản ứng hạt nhân thu năng lượng:
\[{{W}_{thu}}=\left| W \right|=-W\]
Nếu ${{m}_{t}}<{{m}_{s}}$ phản ứng không thể tự nó xảy ra. Muốn cho phản ứng xảy ra thì phải cung cấp cho các hạt A và B một năng lượng dưới dạng động năng Wđ. Vì các hạt sinh ra có động năng nên năng lượng cung cấp cần phải thỏa mãn điều kiện:
\[W=\left( {{m}_{s}}-{{m}_{t}} \right){{c}^{2}}+{{W}_{}}\]\[W=\left( {{m}_{s}}-{{m}_{t}} \right){{c}^{2}}+{{W}_{}}\]
PHÓNG XẠ
1. Định nghĩa hiện tượng phóng xạ:
Phóng xạ là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). Quá trình phân hủy này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân hủy gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân hủy là hạt nhân con.
2. Các dạng phóng xạ:
a. Phóng xạ a (anpha): là chùm các hạt nhân $_{2}^{4}He$ (Hêli) được phóng ra từ hạt nhân với tốc độ 2.107m/s. Quãng đường đi được của tia a trong không khí khoảng vài cm và trong vật rắn vài mm.
$_{Z}^{A}X\xrightarrow{{}}_{Z-2}^{A-4}Y+_{2}^{4}He$
Tổng quát:
$_{Z}^{A}X\xrightarrow{\alpha }_{Z-2}^{A-4}Y$
b. Phóng xạ b (bêta): chia làm 2 loại: bêta trừ ${{\beta }^{-}}$ và bêta cộng ${{\beta }^{+}}$.
* Phóng xạ ${{\beta }^{-}}$: là quá trình phát ra tia ${{\beta }^{-}}$. Tia ${{\beta }^{-}}$ là dòng các êlectron $\left( _{-1}^{^{{}}0}e \right)$.
Tổng quát:
$_{Z}^{A}X\xrightarrow{{{\beta }^{-}}}_{Z+1}^{A}Y$
* Phóng xạ ${{\beta }^{+}}$: là quá trình phát ra tia ${{\beta }^{+}}$. Tia ${{\beta }^{+}}$ là dòng các pôzitron $\left( _{0}^{1}e \right)$.
Tổng quát:
$_{Z}^{A}X\xrightarrow{{{\beta }^{+}}}_{Z-1}^{A}Y$
c. Phóng xạ g (gamma): Hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích và chuyển từ mức năng lượng ở trạng thái kích thích về mức năng lượng thấp hơn đồng thời phát ra phôtôn. Phóng xạ g là phóng xạ đi kèm theo các phóng xạ a và b. Không có biến đổi thành hạt nhân khác trong phóng xạ g.
2. Định luật phóng xạ:
* Đặc tính của quá trình phóng xạ:
- Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.
- Có tính tự phát và không điều khiển được và không chịu tác động của các yếu tố bên ngoài như: nhiệt độ, áp suất, …
- Là một quá trình ngẫu nhiên.
* Định luật phóng xạ:
$N={{N}_{0}}{{2}^{-\frac{t}{T}}}={{N}_{0}}{{e}^{-\lambda t}}$
$m={{m}_{0}}{{2}^{-\frac{t}{T}}}={{m}_{0}}{{e}^{-\lambda t}}$
Trong đó: N0, m0: là số hạt nhân và khối lượng ở thời điểm t0.
N, m: là số hạt nhân và khối lượng ở thời điểm t.
* Chu kì bán rã:
Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi đại lượng thời gian T gọi là chu kì bán rã. Cứ sau thời gian 1 chu kì thì một nửa số nguyên tử chất đó biến thành chất khác.
$T=\frac{\ln 2}{\lambda }=\frac{0,693}{\lambda }$
3. Đồng vị phóng xạ nhân tạo:
- Đồng vị: là các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn nhưng khác số nơtron nên khác số khối A, chúng ở cùng một vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn.
- Đồng vị bền: là đồng vị mà hạt nhân của nó không có một biến đổi tự phát nào trong suốt quá trình tồn tại.
- Đồng vị phóng xạ: là đồng vị mà hạt nhân của nó có thể phát ra những tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân của nguyên tố khác.
- Đồng vị phóng xạ nhân tạo: là đồng vị phóng xạ do con người tạo ra.
- Ứng dụng của đồng vị phóng xạ:
+ Đồng vị $_{15}^{32}P$ là phóng xạ tia ${{\beta }^{-}}$ dùng làm nguyên tố phóng xạ đánh dấu trong công nghiệp.
+ Đồng vị Cacbon $_{6}^{14}C$ phóng xạ tia ${{\beta }^{-}}$ có chu kì bán rã 5600 năm được dùng để định tuổi các đồ vật, bằng cách đo độ phóng xạ của mẫu vật cổ và mẫu vật hiện nay (cùng chất, cùng khối lượng) rồi dùng định luật phóng xạ suy ra tuổi.
PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH
1. Phản ứng phân hạch là gì ?
Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn.
* Đặc điểm của sự phân hạch:
- Quá trình phân hạch không xảy ra trực tiếp mà trải qua trạng thái kích thích (nghĩa là để tạo nên phản ứng phân hạch của hạt nhân X phải truyền cho hạt nhân X một năng lượng đủ lớn gọi là năng lượng kích hoạt).
$n+X\xrightarrow{{}}{{X}^{*}}\xrightarrow{{}}Y+Z+kn$
- Mỗi phản ứng phân hạch sinh ra từ 2 đến 3 nơtron và tỏa ra một năng lượng khoảng 210MeV.
2. Phản ứng phân hạch dây truyền:
- Phản ứng phân hạch sinh ra một số nơtron thứ cấp. Sau mỗi lần phân hạch còn lại trung bình k nơtron.
$n+X\xrightarrow{{}}{{X}^{*}}\xrightarrow{{}}Y+Z+kn$
+ Khi k < 1, phản ứng phân hạch dây truyền tắt nhanh.
+ Khi k = 1, phản ứng phân hạch dây truyền tự duy trì và năng lượng phát ra không đổi theo thời gian.
+ Khi k > 1, phản ứng phân hạch dây truyền tự duy trì và năng lượng phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ.
Khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây truyền duy trì gọi là khối lượng tới hạn. Với $^{235}U$ khối lượng tới hạn vào cỡ 15kg, với $^{239}Pu$ khối lượng tới hạn vào cỡ 5kg.
3. Phản ứng phân hạch có điều kiên:
- Phản ứng phân hạch có điều kiện được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, ứng với trường hợp k = 1.
- Để đảm bảo cho k = 1, người ta dùng những thanh điều khiển có chứa Bo hay Cađimi để hấp thụ bớt nơtron.
- Nhiên liệu phân hạch trong các lò phản ứng thường là $^{235}U$ và $^{239}Pu$.
PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
1. Phản ứng nhiệt hạch là gì ?
là phản ứng kết hợp hai hay nhiều hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn. Thường chỉ xét hạt nhân có số khối $A\le 10$.
$_{1}^{2}H+_{1}^{3}H=_{2}^{4}He+_{0}^{1}n$
Phản ứng trên tỏa năng lượng là: Wtỏa = 17,6MeV/1hạt nhân.
Phản ứng nhiệt hạch được thực hiện ở nhiệt độ rất cao (hàng trăm triệu độ).
2. Năng lượng nhiệt hạch: là năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch gọi là năng lượng nhiệt hạch.
