CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ I TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN Lý thuyết + Hạt nhân gồm có Z prơtơn A – Z (A: số nuclơn); kí hiệu: A Z X Các hạt nhân có số prôtôn Z khác số nơtron N (khác số khối A) gọi đồng vị + Đơn vị khối lượng: Trong vật lí hạt nhân người ta dùng loại đơn vị khối lượng: kg, u MeV/c 2: u = 1,66055.10-27 kg 931,5 MeV/c2 + Hệ thức Anhxtanh lượng khối lượng: E = mc2 + Một hạt có khối lượng m0 trạng thái nghĩ chuyển động với tốc độ v, khối lượng tăng lên thành m với m m0 1 = v2 c2 + Năng lượng toàn phần: E = mc2 + Năng lượng nghĩ: E0 = m0c2 Động hạt: Wđ = E = E0 Công thức A + Hạt nhân Z X, có A nuclơn; Z prơtơn có N = (A – Z) nơtron m + Số hạt nhân m gam chất đơn nguyên tử: N = A NA m0 1 + Khối lượng tương đối tính: m = v2 c2 m0 1 + Năng lượng toàn phần: E = mc2 = v2 c c2 + Năng lượng nghỉ: E0 = m0c2 1 + Động Wđ = E – E0 = mc2 – m0c2 = ( v2 c -1)m c2 II NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Lý thuyết + Lực tương tác nuclôn gọi lực hạt nhân (là tương tác hạt nhân tương tác mạnh) Lực hạt nhân phát huy tác dụng hai nuclôn cách khoảng nhỏ kích thước hạt nhân (khoảng 10-15 m) + Khối lượng cùa hạt nhân nhỏ khối lượng tổng nuclôn tạo thành hạt nhân đó: m = Zmp + (A – Z)mn – mX > + Năng lượng liên kết hạt nhân lượng tối thiểu cần thiết để tách nuclơn hạt nhân thành nuclơn riêng lẻ; đo tích độ hụt khối m với c2: Wlk = m.c2 Wlk + Năng lượng liên kết riêng hạt nhân lượng liên kết tính nuclơn ( = A ) hạt nhân + Mức độ bền vững hạt nhân tùy thuộc vào lượng liên kết riêng hạt nhân, hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững Các hạt nhân có số khối A khoảng từ 50 đến 80 có lượng liên kết riêng lớn lượng liên kết riêng hạt nhân đầu bảng cuối bảng tuần hoàn, lượng liên kết riêng hạt nhân lớn vào cở 8,8 MeV/nuclôn (của hạt nhân sắt 56 28 Fe) + Phản ứng hạt nhân trình dẫn đến biến đổi hạt nhân + Có loại phản ứng hạt nhân: Phản ứng hạt nhân tự phát phản ứng hạt nhân kích thích + Các định luật bảo tồn phản ứng hạt nhân: bảo tồn điện tích (ngun tử số Z); bảo tồn số nuclơn (số khối A); bảo tồn lượng toàn phần; bảo toàn động lượng Trong phản ứng hạt nhân khơng có bảo tồn khối lượng + Năng lượng phản ứng hạt nhân: W = (mtrước - msau)c2: W > tỏa lượng; W < thu lượng Công thức + Độ hụt khối, lượng liên kết, lượng liên kết riêng: Wlk m = Zmp + (A – Z)mn – mhn; Wlk = m.c ; = A + Các định luật bảo toàn phản ứng: A1 Z1 X1 + A2 Z2 X2 A3 Z3 X3 + A4 Z4 X4 Bảo tồn số nuclơn: A1 + A2 = A3 + A4 Bảo tồn điện tích: Z1 + Z2 = Z3 + Z4 Bảo toàn động lượng: m1 v1 + m2 v = m3 v3 + m4 v Bảo toàn lượng toàn phần: (m1 + m2)c + K1 + K2 = (m3 + m4)c + K3 + K4; với Ki = miv i động hạt nhân thứ i 2 + Năng lượng toả thu vào phản ứng hạt nhân: W = (mA + mB - mC - mD)c2 = WlkC + WlkD - WlkA - WlkB = CAC + DAD - AAA - BAB W > 0: tỏa lượng; W < 0: thu lượng III PHÓNG XẠ Lý thuyết + Phóng xạ: Là tượng hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác + Đặc tính q trình phóng xạ: Hoàn toàn nguyên nhân bên gây ra, tuyệt đối không phụ thuộc o tác động bên ngồi + Định luật phóng xạ: Mỗi chất phóng xạ đặc trưng thời gian T gọi chu kì bán rã Cứ sau chu kì số nguyên tử chất biến đổi thành chất khác + Biểu thức định luật phóng xạ: N = N0 t T = N0e m = m0 -t t T ln 0,693 T = m0e ; với = T -t + Các dạng phóng xạ: - Phóng xạ : Tia dịng hạt nhân li He - Phóng xạ -: Tia - dịng electron 1 - Phóng xạ +: Tia + dịng pơzitron e e - Phóng xạ : Tia sóng điện từ có bước sóng ngắn (tần số lớn), khơng mang điện Phóng xạ thường xảy phản ứng hạt nhân, phóng xạ hay phóng xạ -, phóng xạ + Các hạt chuyển động với tốc độ cỡ 2.107 m/s; hạt - + chuyển động với tốc độ xấp xĩ tốc độ ánh sáng hạt (là phôtôn) chuyển động với tốc độ tốc độ ánh sáng Công thức + Số hạt nhân, khối lượng chất phóng xạ cịn lại sau thời gian t: t T N = N0 = N0e-t; m(t) = m0 t T = m0e-t + Số hạt nhân tạo thành sau thời gian t: t T N’ = N0 – N = N0 (1 – ) = N0(1 – e-t) N ' 1 t N T + Tỉ số số hạt nhân tạo thành số hạt nhân phóng xạ lại sau thời gian t: t T e t e t + Khối lượng chất tạo thành sau thời gian t: A' A' t T m’ = m0 A (1 – ) = m0 A (1 – e-t) + Tỉ số khối lượng chất tạo thành khối lượng chất phóng xạ cịn lại sau thời gian t: m' A ' t m A T t T A ' e t A e t ln + Liên hệ số phóng xạ chu kì bán rã T: = T IV PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Lý thuyết 0, 693 T + Phân hạch: Là tượng hạt nhân nặng thành hai mãnh nhẹ + Đặc điểm: Sinh đến nơtron toả lượng lớn + Phân hạch 235U tác dụng nơtron tỏa lượng cở dây chuyền (trong điều kiện khối lượng 235 200 MeV trì theo trình U đủ lớn) Các sản phẩm phân hạch hạt nhân chứa nhiều nơtron phóng xạ - Số nơtron phát phân hạch gây phân hạch gọi hệ số nhân nơtron k: Nếu k < phản ứng dây chuyền khơng xảy ra; k = phản ứng dây chuyền xảy không tăng vọt điều khiển được; k > phản ứng dây chuyền tăng vọt khơng điều khiển dẫn đến vụ nổ nguyên tử Khối lượng tối thiểu chất phân hạch để phản ứng phân hạch trì gọi khối lượng tới hạn Với 235 92 U khối lượng tới hạn cỡ 15 kg; với 239 94 Pu khối lượng tới hạn cỡ kg Phản ứng dây chuyền có điều khiển tạo lò phản ứng hạt nhân: Dùng điều khiển có chứa bo, cađimi để điều khiển cho số nơtron sinh quay lại kích thích phản ứng phân hạch + Phản ứng nhiệt hạch: Là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng + Đặc điểm: Là phản ứng toả lượng + Điều kiện để xảy phản ứng nhiệt hạch: Các phản ứng kết hợp khó xảy (do hạt nhân tích điện dương nên đẩy nhau) Muốn chúng tiến lại gần kết hợp chúng phải có động lớn để thắng lực đẩy Culông, muốn cần phải có nhiệt độ cao + Là nguồn gốc lượng Mặt Trời + Năng lượng nhiệt hạch, với ưu việt không gây ô nhiễm (sạch) nguyên liệu dồi nguồn lượng tương lai Công thức + Liên hệ động lượng động năng: Wđ = mv2; p2 = 2mWđ + Năng lượng tỏa thu vào phản ứng hạt nhân: W = (m1 + m2 – m3 – m4)c2 = W3 + W4 – W1 – W2 = A33 + A44 – A11 – A22 ... liên kết tính nuclôn ( = A ) hạt nhân + Mức độ bền vững hạt nhân tùy thuộc vào lượng liên kết riêng hạt nhân, hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững Các hạt nhân có số khối A khoảng từ... kết riêng hạt nhân đầu bảng cuối bảng tuần hoàn, lượng liên kết riêng hạt nhân lớn vào cở 8,8 MeV/nuclôn (của hạt nhân sắt 56 28 Fe) + Phản ứng hạt nhân trình dẫn đến biến đổi hạt nhân + Có loại... đổi hạt nhân + Có loại phản ứng hạt nhân: Phản ứng hạt nhân tự phát phản ứng hạt nhân kích thích + Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân: bảo tồn điện tích (ngun tử số Z); bảo tồn số nuclơn (số