Thư Viện Công Thức Vật Lý

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.

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 $R$ $(\approx {10}^{-15}m)$.

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:

$m_n\approx 1,0087u$

$m_p\approx 1,0072u$

$m_n>m_p>1 u>m_e$

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 $\left(u\right)$, $1u{c}^2=931,5 MeV$

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

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 ($MeV/nuclôn$)

$W_{lk}$: 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 $50<A<70$ gọi là các hạt nhân trung bình $\Rightarrow$rất bền vững.

- Năng lượng cần để tách một hạt khỏi hạt nhân,

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.

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 $K: Joule \left(J\right).$

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.

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.

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 $\gamma$