Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử Vật lý hạt nhân nguyên tử
Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh CHUYÊN ĐỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN Phần I: TĨM TẮT LÝ THUYẾT § 1.CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỘ HỤT KHỐI CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ I Cấu hạt nhân nguyên tử Hạt nhân cấu tạo hai loại hạt sơ cấp gọi nuclon gồm: Prôtôn: ki hiệu p11H mp = 1,67262.10 27 kg , điện tích : +e Nơtrơn: kí hiệu n 01n , mn = 1,67493.10 27 kg , khơng mang điện tích A Z 1.1 Kí hiệu hạt nhân: X - A= số nuctrôn : số khối - Z = số prôtôn = điện tích hạt nhân: nguyên tử số - N A Z : số nơtrơn 1.2 Bán kính hạt nhân nguyên tử: R 1, 1015 A3 (m) 2.Đồng vị Những nguyên tử đồng vị nguyên tử có số prơtơn ( Z ), khác số nơtrơn (N) hay số nuclơn (A) Ví dụ: Hidrơ có ba đồng vị 1 H ; H ( 12 D) ; H ( 31T ) + đồng vị bền : thiên nhiên có khoảng 300 đồng vị loại + đồng vị phóng xạ ( khơng bền) : có khoảng vài nghìn đồng vị phóng xạ tự nhiên nhân tạo 3.Đơn vị khối lượng nguyên tử - u : có giá trị 1/12 khối lượng đồng vị cacbon 126C 27 13 - 1u 1,66058.10 kg 931,5 MeV / c ; MeV 1,6 10 J Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh II ĐỘ HỤT KHỐI – NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT CỦA HẠT NHÂN Lực hạt nhân - Lực hạt nhân lực tương tác nuclơn, bán kính tương tác khoảng 1015 m - Lực hạt nhân không chất với lực hấp dẫn hay lực tĩnh điện; lực truyền tương tác nuclơn hạt nhân gọi tương tác mạnh Độ hụt khối m hạt nhân ZAX Khối lượng hạt nhân mhn nhỏ tổng khối lượng nuclôn tạo thành hạt nhân lượng m m Z.mp ( A Z ).mN mhn Năng lượng liên kết Wlk hạt nhân ZAX - Năng liên kêt Là lượng tỏa tạo thành hạt nhân (hay lượng thu vào để phá vỡ hạt nhân thành nuclôn riêng biệt) o Wlk J Khi đơn vị của: ; mp mn mhn kg Wlk Z.mp N.mn mhn c m c Thì 4.Năng lượng liên kết riêng hạt nhân ZAX - Năng lượng liên kết riêng lượng liên kết tính nuclơn Wlk A - Hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững § PHẢN ỨNG HẠT NHÂN PHẢN ỨNG HẠT NHÂN I - Phản ứng hạt trình dẫn tới biến đổi biến đổi hạt nhân A1 Z1 X1 Z X2 A2 A3 Z3 X3 Z X4 hay A + B → C + D A4 - Có hai loại phản ứng hạt nhân o Phản ứng tự phân rã hạt nhân không bền thành hạt nhân khác (phóng xạ) o Phản ứng tương tác hạt nhân với dẫn đến biến đổi thành hạt nhân khác Chú ý: Các hạt thường gặp phản ứng hạt nhân Prôtôn ( 11 p 11H ) ; Nơtrôn ( 01n ) ; Heli ( 24 He 24 ) ; Electrôn ( 10e ) ; Pôzitrôn ( 10e ) CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN II Định luật bảo toàn số nuclôn (số khối A) A1 A2 A3 A4 Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh Z1 Z2 Z3 Z4 Định luật bảo tồn điện tích (ngun tử số Z) Định luật bảo toàn động lượng: Pt P s Định luật bảo toàn lượng toàn phần Wt Ws Chú ý: - Năng lượng toàn phần hạt nhân: gồm lượng nghỉ lượng thông thường ( động năng) W mc mv2 - Định luật bảo tồn lượng tồn phần viết: Wđ1 + Wđ2 + m1.c2 + m2.c2 = Wđ3 + Wđ4 + m3.c2 + m4.c2 - Liên hệ động lượng động III P 2mWd hay Wd P2 2m NĂNG LƯỢNG TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN m0 = m1+m2 m = m3 + m4 - Trong trường hợp m (kg ) ; W ( J ) : W (m0 m)c (m m0 )c (J) - Trong trường hợp m (u ) ; W ( MeV ) : W (m0 m)931,5 (m m0 )931,5 o Nếu m0 > m: W : phản ứng tỏa lượng o Nếu m0 < m : W : phản ứng thu lượng § PHĨNG XẠ I PHĨNG XẠ Phóng xạ tượng hạt nhân không bền vững tự phân rã, phát tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác II CÁC TIA PHĨNG XẠ 1.1 Các phương trình phóng xạ: - Phóng xạ ( 24 He) : hạt nhân lùi hai ô so với hạt nhân mẹ bảng tuần hoàn Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh A Z A Z 2 X He Y - Phóng xạ ( 10 e) : hạt nhân tiến ô so với hạt nhân mẹ bảng tuần hoàn A Z X 10e A Z 1 Y - Phóng xạ ( 10 e) : hạt nhân lùi ô so với hạt nhân mẹ bảng tuần hồn A Z - Phóng xạ : A Z X 10e A Z 1 Y X* 00 ZAX 1.2 Bản chất tính chất loại tia phóng xạ Loại Tia Bản Chất Tính Chất () o Là dịng hạt nhân nguyên tử Heli ( 24 He ), chuyển động với vận tốc cỡ 2.107m/s (-) o Là dòng hạt êlectron ( 10 e) , vận tốc c ( ) o Là dòng hạt êlectron dương (còn gọi pozitron) ( 10 e) , vận tốc c () o Là xạ điện từ có lượng cao + o Ion hoá mạnh o Đâm xuyên yếu o Ion hoá yếu đâm xuyên mạnh tia o Ion hoá yếu nhất, đâm xuyên mạnh CÁC ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ III Chu kì bán rã chất phóng xạ (T) Chu kì bán rã thời gian để nửa số hạt nhân có lượng chất phóng xạ bị phân rã, biến đổi thành hạt nhân khác Hằng số phóng xạ Định luật phóng xạ Số hạt (N) ln T (đặc trưng cho loại chất phóng xạ) Độ phóng xạ (H) Khối lượng (m) (1 Ci 3,7.1010 Bq) Trong trình phân rã, số Trong trình phân rã, - Đại lượng đặc trưng cho hạt nhân phóng xạ giảm theo khối lượng hạt nhân phóng xạ tính phóng xạ mạnh hay yếu thời gian tuân theo định luật giảm theo thời gian tuân theo chất phóng xạ hàm số mũ định luật hàm số mũ - Số phân rã giây N(t ) N0 t T N0 e t m(t ) m0 t T m0 e t H (t ) H t T H e t H N o N0 : số hạt nhân phóng xạ o m0 : khối lượng phóng xạ o H0 : độ phóng xạ thời Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 thời điểm ban đầu thời điểm ban đầu o N ( t ) : số hạt nhân phóng xạ điểm ban đầu o m(t ) : khối lượng phóng xạ cịn lại sau thời gian t cơng thức liên quan : n Biên soạn: Trương Văn Thanh o H (t ) : độ phóng xạ cịn lại lại sau thời gian t sau thời gian t m N V A N A 22,4 NA = 6,023.1023 nguyên tử/mol ỨNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ IV - Theo dõi q trình vận chuyển chất phương pháp nguyên tử đánh dấu - Dùng phóng xạ tìm khuyết tật sản phẩm đúc, bảo quản thực phẩm, chữa bệnh ung thư … - Xác định tuổi cổ vật § PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH - PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH I Phản ứng phân hạch Phản ứng phân hạch hạt nhân nặng Urani ( 235 92U ) hấp thụ nơtrôn chậm vỡ thành hai hạt nhân trung bình, với vài nơtrơn sinh U 01n 235 92 U 236 92 A1 Z1 X A2 Z2 X k 01n 200MeV Phản ứng phân hạch dây chuyền Nếu phân hạch tiếp diễn liên tiếp thành dây chuyền ta có phản ứng phân hạch dây chuyền, số phân hạch tăng lên nhanh thời gian ngắn có lượng lớn tỏa Điều kiện để xảy phản ứng dây chuyền: xét số nơtrơn trung bình k sinh sau phản ứng phân hạch ( k hệ số nhân nơtrơn) o Nếu k : phản ứng dây chuyền xảy o Nếu k : phản ứng dây chuyền xảy điều khiển o Nếu k : phản ứng dây chuyền xảy khơng điều khiển o Ngoài khối lượng Nhà điện nguyên từ U phải đạt tới giá trị tối thiểu gọi khối lượng tới hạn mth 235 92 Bộ phận nhà máy điện hạt nhân lò phản ứng hạt nhân PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH II Phản ứng nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh 2 H H H n 3, 25 Mev Điều kiện xảy phản ứng nhiệt hạch - Nhiệt độ cao khoảng từ 50 triệu độ tới 100 triệu độ - Hỗn hợp nhiên liệu phải “giam hãm” khoảng không gian nhỏ Năng lượng nhiệt hạch - Tuy phản ứng nhiệt hạch tỏa lượng phản ứng phân hạch tính theo khối lượng nhiên liệu phản ứng nhiệt hạch tỏa lượng lớn - Nhiên liệu nhiệt hạch coi vơ tận thiên nhiên: đơteri, triti nhiều nước sông biển - Về mặt sinh thái, phản ứng nhiệt hạch so với phản ứng phân hạch khơng có xạ hay cặn bã phóng xạ làm nhiễm mơi trường Phần II: BÀI TẬP ÁP DỤNG I XÁC ĐỊNH CẤU TẠO HẠT NHÂN- ĐỘ HỤT KHỐI VÀ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT: Loại : Xác định cấu tạo hạt nhân, lượng liên kết hạt nhân: Bài : Xác định cấu tạo hạt nhân + 238 92 U , 1123 Na , 24 He U có cấu tạo gồm: Z=92 , A = 238 N = A – Z = 146 238 92 Đáp án: 238 92 U : 92 proton ; 146 nơtron Z= 11 , A = 23 N = A – Z = 12 23 + 11 Na gồm : Đáp án: : 23 11 11 proton ; 12 nơtron Na : Bài : Khối lượng hạt Be mBe = 10,01134u, khối lượng nơtron mN = 1,0087u, khối lượng proton mP = 1,0073u Tính độ hụt khối hạt nhân 104 Be bao nhiêu? 10 - Xác định cấu tạo hạt nhân - Vận dụng công thức độ hụt khối : 10 Be có Z = 4proton, notron m Z.mp ( A Z ).mN mhn = 4.1,0073u + 6.1,0087u – 10,01134u m = 0,069u Đáp án: m = 0,069u Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi môn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh Bài 3: Hạt nhân đơteri D có khối lượng mD = 2,0136u, khối lượng nơtron mN = 1,0087u, khối lượng proton mP = 1,0073u Tính lượng liên kết hạt nhân 12 D Xác định cấu tạo hạt nhân D có Z = 1proton, N = notron Vận dụng công thức độ hụt khối từ tinh lương liên kết : Wlk Z.mp N.mn mhn 931,5 m 931,5 Wlk = (1.1,0073+ 1.1,0087 – 2,0136).931,5 Đáp án: Wlk = 2,23 MeV Co có khối lượng mCo = 55,940u, khối lượng nơtron mN = 1,0087u, khối lượng proton mP = 1,0073u Tính lượng liên kết riêng hạt nhân 2760Co Bài : Hạt nhân 60 27 Tương tự : Đáp án: Wlk = 70,5 MeV Loại : Tính lượng liên kết riêng so sánh tính bền vững hạt nhân Bước 1:Tính lượng liên kết riêng : Wlk MeV/nuclon A Bước : So sánh lượng liên kết riêng hạt nhân với : hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững Chú ý : hạt nhân có số khối từ 50 – 70 bảng HTTH thường bền nguyên tử hạt nhân lại Bài 1: Hạt nhân 10 Be có khối lượng 10,0135u Khối lượng nơtrôn (nơtron) mn = 1,0087u, khối lượng prôtôn (prôton) mP = 1,0073u, 1u = 931 MeV/c2 Năng lượng liên kết riêng hạt nhân 10 A 0,6321 MeV B 63,2152 MeV C 6,3215 MeV 10 Be D 632,1531 MeV Giải - Năng lượng liên kết hạt nhân 10 Be : Wlk = Δm.c2 = (4.mP +6.mn – mBe).c2 = 0,0679.c2 = 63,215 MeV - Suy lượng liên kết riêng hạt nhân 10 Be : Wlk 63,125 6,3215 MeV/nuclôn A 10 Chọn đáp án : C Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh Bài 2: Tính lượng liên kết hạt nhân Đơtêri 1D ? Cho mp = 1,0073u, mn = 1,0087u, mD = 2,0136u; 1u = 931 MeV/c2 A) 2,431 MeV B) 1,122 MeV C) 1,243 MeV D)2,234MeV Giải - Độ hụt khối hạt nhân D : Δm = ∑ mp + ∑ mn ─ mD = 1.mp +1.mn – mD = 0,0024 u - Năng lượng liên kết cảu hạt nhân D : Wlk = Δm.c2 = 0,0024.uc2 = 2,234 MeV Chọn đáp án D Bài : Cho biết mα = 4,0015u; mO 15,999 u; mp 1,007276u , mn 1,008667 u Hãy xếp hạt nhân 12 6C , 16 8O He , theo thứ tự tăng dần độ bền vững : Câu trả lời là: A 16 12 C , He, O C 24 He, 12 6C , B 16 8O 12 6C , 16 O , He, D 24 He, 168 O , 126C Giải - Đề không cho khối lượng 12C ý dùng đơn vị u, mà theo định nghĩa đon vị u 1/12 khối lượng đồng vị 12C lấy khối lượng 12C 12 u - Suy lượng liên kết riêng hạt nhân : He : Wlk = (2.mp + 2.mn – m α )c2 = 28,289366 MeV Wlk riêng = 7,0723 MeV / nuclon C : Wlk = (6.mp + 6.mn – mC )c2 = 89,057598 MeV Wlkriêng = 7,4215 MeV/ nuclon O : Wlk = (8.mp + 8.mn – mO )c2 = 119,674464 meV Wlk riêng = 7,4797 MeV/ nuclon Hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững Vậy chiều bền vững hạt nhân tăng dần : He < C < O Chọn đáp án C Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi mơn Vật Lí 12 Biên soạn: Trương Văn Thanh Bài 4:Biết khối lượng hạt nhân mC 12,000u; m 4,0015u; mp 1,0073u; mn 1,0087 u 1u 931 Mev / c Năng lượng cần thiết tối thiểu để chia hạt nhân 126C thành ba hạt theo đơn vị Jun A 6,7.10-13 J B 6,7.10-15 J Tóm tắt: C 6,7.10-17 J D 6,7.10-19 J Giải mC 12,000u; C12 He m 4,0015u; Năng lượng phá hạt C12 thành hạt He mp 1,0073u; mn1,0087 u W = ( mrời - mhn )c2 = (3.4,0015 – 12) 931= 4.1895MeV W = 6,7.10-13J W? Chọn đáp án A Loại : Tính số hạt nhân nguyên tử suy số nơtron, proton có lượng chất hạt nhân - Cho khối lượng m số mol hạt nhân ZA X Tìm số hạt p , n có mẫu hạt nhân Nếu có khối lượng m suy số hạt hạt nhân X : N = m N (hạt) A A Nếu có số mol suy số hạt hạt nhân X : N = n.NA (hạt) với NA = 6,022.10 23 mol 1 Khi : hạt hạt nhân X có Z hạt p (A – Z ) hạt n Do N hạt hạt nhân X có : N.Z hạt proton (A-Z) N hạt notron Bài 1: Biết số Avôgađrô 6,02.10 23 mol-1, khối lượng mol hạt nhân urani Số nơtron 119 gam urani A 2,2.10 25 hạt 238 92 U B 1,2.10 238 92 U 238 gam / mol : 25 hạt C 8,8.10 25 hạt D 4,4.10 25 hạt Giải - Số hạt nhân có 119 gam urani N= 238 92 U : 119 m N 6,02.10 23 3.01.10 23 hạt A A 238 Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 Các giảng luyện thi môn Vật Lí 12 - Biên soạn: Trương Văn Thanh Suy số hạt nơtron có N hạt nhân urani 238 92 U : (A-Z) N = ( 238 – 92 ).3,01.1023 = 4,4.1025 hạt Đáp án : D Bài Cho số Avôgađrô 6,02.10 23 mol-1 Số hạt nhân nguyên tử có 100 g Iốt A 3,952.1023 hạt B 4,595.1023 hạt C.4.952.1023 hạt 131 52 I : D.5,925.1023 hạt Giải - Số hạt nhân nguyên tử có 100 g hạt nhân I : N= m 100 N A 6,02.10 23 hạt A 131 Chọn đáp án B II.ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ- ĐỘ PHÓNG XẠ Loại 1: Xác định lượng chất cịn lại: Vận dụng cơng thức Khối lượng cịn lại X sau thời gian t : m = m0 t T m0 e t t T N = N0 N0 e .t Số hạt nhân X lại sau thời gian t : Công thức liên hệ : n N m NA A Chú ý: + t T phải đưa đơn vị + m m0 đơn vị không cần đổi đơn vị Bài 1: Chất Iốt phóng xạ 131 53 I dùng y tế có chu kỳ bán rã ngày đêm Nếu nhận 100g chất sau tuần lễ bao nhiêu? A O,87g B 0,78g C 7,8g D 8,7g Website http://truongthanh85.violet.vn ĐT: 0974.810.957 10