Công thức vật lý 12 chương 7: hạt nhân nguyên tử

 

Phát biểu: Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số Z, khác số A, nghĩa là cùng số proton và khác số neutron.

 

Ví dụ: ${}_1{}^{1}H; {}_1{}^{2}H; {}_1{}^{3}H$

Hidro có ba đồng vị là:

- Hidro thường ${}_1{}^{1}H$ chiếm 99,99% hidro thiên nhiên.

- Hidro nặng ${}_1{}^{2}H$, còn gọi là Deuteri ${}_1{}^{2}D$, chiếm 0,015% hidro thiên nhiên.

- Hidro siêu nặng ${}_1{}^{3}H$, còn gọi là Triti ${}_1{}^{3}T$; hạt nhân này không bền, thời gian sống của nó khoảng 10 năm.

$u$

 

Phát biểu: Để tính toán được khối lượng hạt nhân, người ta đã định nghĩa một đơn vị đo mới. Đơn vị này gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là $u$.

 

Quy ước: Đơn vị $u$ có giá trị bằng $\frac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử của đồng vị ${}_6{}^{12}C$.

$1u=1,66.{10}^{-27}kg$

 

Lưu ý: Các hạt nhân có khối lượng rất lớn so với khối lượng của electron; vì vậy khối lượng nguyên tử tập trung gần như toàn bộ ở hạt nhân.

 

${}_Z{}^{A}X$

 

Phát biểu: Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là proton và neutron; hai loại hạt này có tên chung là nucleon. 

 

Chú thích: $X$: kí hiệu hóa học $X$ của nguyên tố

$Z$: số thứ tự của nguyên tử trong bảng tuần hoàn (nguyên tử số)

$A$: tổng số nucleon trong một hạt nhân (số khối)

$\Rightarrow$Số neutron trong hạt nhân là $A-Z$.

 

Ví dụ: ${}_1{}^{1}H; {}_6{}^{12}C; {}_8{}^{16}O; {}_{92}{}^{238}U$

 

 

Một số hạt sơ cấp: ${}_1{}^{1}p, {}_0{}^{1}n, {}_{-1}{}^{0}e$

 

 

 

$E=m{c}^2$

 

Trong đó:

$E$: năng lượng của hạt nhân $(J, MeV)$ (năng lượng nguyên tử)

$m$: khối lượng tương ứng của hạt nhân $(kg, u)$

$c=3.{10}^{8}m/s:$ tốc độ ánh sáng trong chân không.

 

Đổi: $1MeV={10}^6.1,6.{10}^{-19}J= 1,6.{10}^{-13}J$

 

Quy ước: $1u \approx 931,5 MeV/c^2$

 

$W_{đ}=E-E_0=(m-m_0)c^2$

 

Chú thích:

$E_0=m_0{c}^2$: năng lượng nghỉ $(J, MeV)$

$E=m{c}^2$: năng lượng của hạt $(J, MeV)$

$W_{đ}$: động năng của hạt $(J, MeV)$

$c=3.{10}^{8}m/s$: tốc độ ánh sáng trong chân không

$m=\frac{m_0}{\sqrt{1-{\displaystyle \frac{v^2}{c^2}}}}$

 

Phát biểu: Một vật có khối lượng $m_0$ khi ở trạng thái nghỉ thì khi chuyển động với tốc độ $v$, khối lượng sẽ tăng lên thành $m$.

 

Chú thích:

$m_0$: khối lượng nghỉ của hạt $(kg, u)$

$m$: khối lượng động của hạt $(kg, u)$

$v:$ vận tốc của hạt $(m/s)$

$c=3.{10}^8 m/s$: tốc độ ánh sáng trong chân không

 

Khái niệm: Lực hút giữa các nucleon trong hạt nhân để hạt nhân bền vững được gọi là lực hạt nhân.

Lực hạt nhân không có cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn. Lực này cũng được gọi là lực tương tác mạnh. 

Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân $(\approx {10}^{-15}m)$.

 

 

$W_{lk}=[Z{m}_p+(A-Z)m_n-m_X].c^2$

$W_{lk}=∆m{c}^2$

 

Phát biểu: Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số $c^2$.

Năng lượng liên kết là năng lượng tỏa ra khi kết hợp các nucleon thành hạt nhân, còn gọi là năng lượng tối thiểu để phá vỡ hạt nhân.

 

Chú thích: 

$W_{lk}$: năng lượng liên kết của hạt nhân $\left(MeV\right)$

$∆m$: độ hụt khối của hạt nhân $\left(u\right)$, $1u=931,5 MeV/c^2$

$c^2:$hệ số tỉ lệ, với $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không.

 

$W_{lkr}=\frac{W_{lk}}{A}$

 

Phát biểu: Năng lượng liên kết riêng là thương số giữa năng lượng liên kết $W_{lk}$và số nucleon $A$ (số khối). Đại lượng này đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân.

 

Chú thích:

$W_{lkr}$: năng lượng liên kết riêng $\left(MeV\right)$

$W_{lk}$: năng lượng liên kết của hạt nhân $\left(MeV\right)$

$A$: số khối

 

Lưu ý:

- Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

- Các hạt nhân có $50<A<80$ gọi là các hạt nhân trung bình $\Rightarrow$rất bền vững.

 

Phát biểu: Có 2 loại phản ứng hạt nhân:

- Phản ứng hạt nhân tự phát (quá trình phóng xạ).

- Phản ứng hạt nhân kích thích (quá trình phân hạch,...)

Tương tự như các quá trình tương tác cơ học của các hạt, các phản ứng hạt nhân cũng tuân theo các định luật bảo toàn.

 

1. Bảo toàn điện tích:

$Z_1+Z_2=Z_3+Z_4$ (các số $Z$ có thể âm)

 

2. Bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối $A$)

$A_1+A_2=A_3+A_4$ (các số $A$ luôn không âm)

Chú ý: Số hạt neutron $(A-Z)$ không bảo toàn.

 

3. Bảo toàn năng lượng toàn phần.

 

4.  Bảo toàn động lượng.

$∆m=Z{m}_p+ (A-Z)m_n-m_X$

 

Phát biểu: Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân đó. Độ chênh giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân.

 

Chú thích:

$∆m$: độ hụt khối của hạt nhân $\left(u\right)$

$Z$: số proton

$A-Z$: số neutron

$m_p, m_n$: khối lượng của proton và neutron $\left(u\right)$

$m_X$: khối lượng của hạt nhân $\left(u\right)$

 

Trong đó:

$m_n\approx 1,0087u$

$m_p\approx 1,0072u$

 

$m_1\overrightarrow{v_1}+m_2\overrightarrow{v_2}=m_3\overrightarrow{v_3}+m_4\overrightarrow{v_4}$

 

Chú thích:

$m_1, m_2$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần trước khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_1,} \overrightarrow{v_2.}$

$m_3, m_4$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần sau khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_3,} \overrightarrow{v_4.}$

Đơn vị tính: $kg.m/s$.

 

Lưu ý:

Với $\overrightarrow{p}=\overrightarrow{p_1}+\overrightarrow{p_2} biết \phi =(\overrightarrow{p_1};\overrightarrow{p_2})$

$\Rightarrow p^2={p_1}^2+{p_2}^2+2p_1{p}_2\cos \phi$

Với $p=m.v$

 

 

Trường hợp đặc biệt:

$\overrightarrow{p_1}\perp \overrightarrow{p_2} \Rightarrow p^2={p_1}^2+{p_2}^2$

 

 

$(m_A+m_B)c^2+K_A+K_B=(m_C+m_D)c^2+K_C+K_D$

Với $K_i=\frac{1}{2}{m}_i{v_i}^2$

 

Chú thích:

$m_1, m_2$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần trước khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_1,} \overrightarrow{v_2.}$ và động năng $K_1, K_2.$

$m_3, m_4$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần sau khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_3,} \overrightarrow{v_4.}$ và động năng $K_3, K_4.$

 

Đơn vị tính của $K: Joule \left(J\right).$

$p^2=2mK$

 

Chứng minh: $\left\{\begin{array}{l}p=mv\\ K=\frac{1}{2}m{v}^2\end{array}\right.$

$\Rightarrow p^2=2mK$

 

Chú thích:

$p$: động lượng ứng với hạt có vận tốc $v$ và khối lượng $m$ $(kg.m/s)$

$K$: động năng ứng với hạt có vận tốc $v$ và khối lượng $m \left(J\right)$

$A+B\Rightarrow D+C+∆E$

$K_C=\frac{m_D}{m_D+m_C}.∆E$

$K_D=\frac{m_C}{m_C+m_D}.∆E$

 

Chú thích:

$A, B$ là các hạt thành phần trước phản ứng hạt nhân.

$C, D$ là các hạt thành phần sau phản ứng hạt nhân.

$∆E$ là năng lượng của phản ứng hạt nhân $\left(J\right)$

$m, K$ lần lượt là khối lượng và động năng tương ứng.

$A+B\to C+D+∆E$

$\%K_C=\frac{K_C}{∆E}.100\%=\frac{m_D}{m_D+m_C}.100\%$

$\%K_D=100\%-\%K_C$

 

Chú thích:

$A, B$ là các hạt thành phần trước phản ứng hạt nhân.

$C, D$ là các hạt thành phần sau phản ứng hạt nhân.

$∆E$ là năng lượng của phản ứng hạt nhân $\left(J\right)$

$m, K$ lần lượt là khối lượng và động năng tương ứng.

 

 

Quy ước:

$∆E>0$ thì phản ứng tỏa năng lượng.

$∆E<0$ thì phản ứng thu năng lượng.

${}_Z{}^{A}X\stackrel{\alpha }{\to }{}_{Z-2}{}^{A-4}Y$

${}_Z{}^{A}X\stackrel{{\beta }^{-}}{\to }{}_{Z+1}{}^{A}Y$

${}_Z{}^{A}X\stackrel{{\beta }^{+}}{\to }{}_{Z-1}{}^{A}Y$

 

Khái niệm: Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững, đồng thời phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Trong đó, hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.

 

Đặc điểm:

- Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.

- Có tính tự phát và không điều khiển được.

- Là một quá trình ngẫu nhiên.

 

Phóng xạ $\alpha$:

Hạt nhân mẹ $X$ phân rã thành hạt nhân con $Y$, đồng thời phát ra tia phóng xạ $\alpha$ theo phản ứng sau:

${}_Z{}^{A}X\underset{}{\to }{}_{Z-2}{}^{A-4}Y+{}_2{}^{4}He$

Tia $\alpha$ là dòng các hạt nhân ${}_2{}^{4}He$ chuyển động với tốc độ vào cỡ $20000km/s.$Quãng đường đi được của tia $\alpha$ trong không khí chừng vài centimeter và và trong vật rắn chừng vài micrometer.

 

Phóng xạ ${\beta }^{-}$:

Phóng xạ ${\beta }^{-}$là quá trình phát ra tia ${\beta }^{-}$. Tia ${\beta }^{-}$ là dòng các electron $\left({}_{-1}{}^{0}e\right)$. 

Thực chất trong phân rã ${\beta }^{-}$còn sinh ra một hạt sơ cấp (gọi là phản hạt neutrino).

 

Phóng xạ ${\beta }^{+}$:

Phóng xạ ${\beta }^{+}$là quá trình phát ra tia ${\beta }^{+}$. Tia ${\beta }^{+}$ là dòng các positron $\left({}_1{}^{0}e\right)$. Positron có điện tích $+e$ và khối lượng bằng khối lượng electron. Nó là phản hạt của electron.

Thực chất trong phân rã ${\beta }^{+}$còn sinh ra một hạt sơ cấp (gọi là hạt neutrino).

 

- Hai quá trình phóng xạ ${\beta }^{+}$ và ${\beta }^{-}$ phát ra các hạt ${}_{-1}{}^{0}e$ và ${}_1{}^{0}e$ chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng, tạo thành các tia ${\beta }^{+}$ và ${\beta }^{-}$. Các tia này có thể truyền đi được vài meter trong không khí và vài milimeter trong kim loại.

 

Phóng xạ $\gamma$:

Hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và phát ra bức xạ điện từ $\gamma$, còn gọi là tia $\gamma$. Các tia $\gamma$ có thể đi qua được vài meter trong bê tông và vài centimeter trong chì.

Tia $\gamma$ có khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều so với tia $\alpha , \beta .$

 

So sánh đặc điểm giữa tia $\alpha , \beta , \gamma$:

- Trong điện trường:

+ Tia $\alpha$ bị lệch về phía bản tụ dương.

+ Tia $\beta$ lệch nhiều hơn tia $\alpha$, trong đó tia ${\beta }^{-}$ lệch về phía bản tụ dương và tia ${\beta }^{+}$ lệch về phía bản tụ âm.

+ Tia $\gamma$ không bị lệch trong điện trường đều.

- Khả năng ion hóa:

+ Tia $\alpha$ > Tia $\beta$ > Tia $\gamma$

- Khả năng đâm xuyên:

+ Tia $\alpha$ < Tia $\beta$ < Tia $\gamma$

$∆N=N_0(1-e^{-\lambda t})=N_0\left(1-2^{\frac{-t}{T}}\right)$

$∆m=m_0(1-e^{-\lambda t})=m_0\left(1-2^{\frac{-t}{T}}\right)$

 

Chú thích: 

$∆N,∆m:$ số hạt nhân và khối lượng bị phân rã sau thời gian t

$N_0,m_0:$ số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại $t=0$

$t$: thời gian phân rã $(s, h, ngày,...)$

$T$: chu kì bán rã của hạt $(s, h, ngày,...)$

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

$N=N_0{e}^{-\lambda t}=N_0.2^{\frac{-t}{T}}$

$m=m_0{e}^{-\lambda t}=m_0.2^{\frac{-t}{T}}$

 

Phát biểu: Số hạt nhân phân rã của một nguồn giảm theo quy luật hàm số mũ.

 

Chú thích: 

$N,m:$ số hạt nhân và khối lượng còn lại vào thời điểm t.

$N_0,m_0:$ số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại $t=0.$

$t$: thời gian phân rã $(s, h, ngày,...)$

$T$: chu kì bán rã của nguyên tử, cứ sau mỗi chu kì này thì 1/2 số nguyên tử của chất ấy đã biến đổi thành một chất khác. $(s, h, ngày,...)$

$\lambda :$ hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

$\lambda =\frac{\ln 2}{T}$

 

Khái niệm: Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi hằng số $\lambda$ được gọi là hằng số phóng xạ.

 

Chú thích:

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

$T$: chu kì bán rã của hạt nhân $\left(s\right)$

$N=\frac{m}{A}.N_A$

 

Chú thích:

$N$: số hạt nhân ứng với khối lượng chất $m$

$m$: khối lượng chất $\left(g\right)$

$A$: số khối của nguyên tử

$N_A=6,023.{10}^{23}nguyên tử/mol$

$H=\lambda N=H_0.e^{-\lambda t}=H_0.2^{\frac{-t}{T}}$

 

Chú thích:

$H$: độ phóng xạ của một lượng chất hạt nhân sau thời gian t $(Bq, Ci)$

$H_0$: độ phóng xạ ban đầu của một lượng chất hạt nhân tại t=0 $(Bq, Ci)$

$N$: số hạt nhân tại thời điểm t

$T$: chu kì bán rã của hạt nhân $(s, h, ngày,...)$

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

 

Đổi đơn vị: $1Ci=3,7.{10}^{10}\left(Bq\right)$

 

Khái niệm: Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn (hai hạt nhân trung bình), kèm theo một vài neutron phát ra. Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng, đồng thời cũng gây ô nhiễm môi trường (phóng xạ).

 

VD: ${}_0{}^{1}n + {}_{92}{}^{235}U \to {}_{92}{}^{236}U \to {}_{53}{}^{139}I + {}_{39}{}^{94}Y + 3\left({}_0{}^{1}n\right) +\gamma$

 

- Mỗi hạt nhân ${}_{92}{}^{235}U$ khi phân rã tỏa năng lượng khoảng $200MeV.$

- Một vài nhiên liệu cơ bản của công nghiệp năng lượng hạt nhân: ${}_{92}{}^{235}U, {}_{92}{}^{238}U, {}_{94}{}^{239}Pu$.

- Các sản phẩm của phân hạch là những hạt nhân chứa nhiều neutron và phóng xạ ${\beta }^{-}.$

 

 

 

Khái niệm: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tỏa năng lượng, là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các vì sao. Thường chỉ diễn ra với các hạt nhân có số khối $A\le 10.$

VD: 

${}_1{}^{1}H + {}_1{}^{2}H \to {}_2{}^{3}He$

${}_1{}^{2}H + {}_1{}^{2}H \to {}_2{}^{4}He$

${}_1{}^{2}H + {}_1{}^{3}H \to {}_2{}^{4}He + {}_0{}^{1}n$

 

Điều kiện để có phản ứng nhiệt hạch xảy ra:

- Nhiệt độ cao (khoảng 50-100 triệu độ).

- Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.

- Thời gian duy trì trạng thái plasma phải đủ lớn.

 

Đặc điểm:

- Tính theo mỗi một phản ứng thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng ít hơn phản ứng phân hạch, tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng nhiều hơn.

- Sản phẩm của phản ứng nhiệt hạch sạch hơn (không có tính phóng xạ), không gây ô nhiễm môi trường.