Skkn chuyên đề vật lý hạt nhân lý thuyết cơ bản về hiện tượng phóng xạ và phản ứng hạt nhân

PHẦN MỞ ĐẦU Trong chương trình vật lý THPT dành cho học sinh chuyên lý cũng như chương trình vật lý đại cương, kiến thức phần Vật lý hạt nhân phần khó, trừu tượng Để giúp học sinh có cách nhìn tởng qt, biết cách vận dụng kiến thức, có được kỹ năng , tư giải tập tớt, có thể giải được kỳ thi Đại học, HSG tỉnh, HSG quốc gia, khu vực, quốc tế, thực hiện viết chuyên đề: VẬT LÝ HẠT NHÂN Sau xin trao đổi với đồng nghiệp về chuyên đề bao gồm: Cấu trúc chuyên đề: Phần I: Lý thuyết tượng phóng xạ phản ứng hạt nhân Phần II: Bài tập vận dụng Phần III: Trích tập đề thi học sinh giỏi cấp thời gian gần Tài liệu tham khảo: 1.Tài liệu chuyên vật lý 12 tập 2 Chuyên đề bồi dưỡng hsg phần Vật lý đại Đề thi hsg quốc gia đề thi quốc tế số năm gần PHẦN I: LÝ THUYẾT : I Sơ lượcvề cấu tạo hạt nhân nguyên tử : Cấu tạo hạt nhân :Tất hạt nhân cấu tạo từ hai loại hạt : prơtơn tích điện dương nơtrơn khơng mang điện chúng gọi chung nuclôn, đại lượng đặc trưng chúng theo bảng Prôtôn Nơtrôn skkn Điện tích 1,6 10-19 C Khối lượng nghỉ 1,67266 10-27 kg 1,67496 10-27 kg 1,007276u 1,008665u Chú ý : u đơn vị khối lượng nguyên tử khối lượng u 1/12 khối lượng đồng vị , u = 1,66058.10-27 kg * Ký hiệu hạt nhân: , X kí hiệu hóa học nguyên tử Lực hạt nhân: Khi nuclon cách khoảng cách ngắn (khoảng 10-15 m) chúng xuất lực hút mạnh (chỉ tồn khoảng cách nhỏ 1fm, khoảng cách lớn vài fm lực tương tác không) Lực gọi lực hạt nhân Lực hạt nhân khơng phụ thuộc vào điện tích nuclon Nếu coi hật nhân có dạng hình cầu hạt nhân có đường kính vào khoảng 10-14 m đến10-15 m Bán kính hạt nhân tính theo cơng thức R = R0A1/3 - Nếu coi thể tích hạt nhân vùng phân bố khối lượng R0 = 1,4fm , ( 1fm = 10-15m) - Nếu coi thể tích hạt nhân vùng phân bố điện tích R0 = 1,2fm (giá trị R0 cho toán ) 3.Độ hụt khối lượng hạt nhân Giả sử Z prôtônvà N nơtrôn lúc đầu chưa liên kết với đứng yên Tổng khối lượng chúng : m0 = Zmp +Nmn , mp mn khối lượng prôtôn nơtrôn Nếu lực hạt nhân liên kết nuclon với tạo thành hạt nhân có khối lượng m thực nghiệm cho biết m< m0 Δm = m0 – m gọi độ hụt khối skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan ΔE = (m0 – m)C2 gọi lượng liên kết Năng lượng liên kết tính cho nuclon ΔE/A gọi lượng liên kết riêng Hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững II Sự phóng xạ 1.Sự phóng xạ : Phóng xạ tượng hạt nhân tự động phóng tia gọi tia phóng xạ biến đổi thành hật nhân khác a Phóng xạ an pha (α): Hạt α hạt nhân nguyên tử hêli , tích điện +2e phóng với vận tốc khoảng 107m/s b Phóng xạ bêta (β): có hai loại bêta trừ β- , tích điện -e( electron) β+ tích điện +e, khối lượng với electron( cịn gọi electron dương hay Pôzi tôn) Vận tốc hạt β lớn gần vận tốc ánh sáng c Phóng xạ gamma (γ): Là sóng điện từ có bước sóng ngắn (dưới 0,01nm), photon có lượng cao Chú ý: Một chất phóng xạ phóng tia α β- β+, kèm theo phóng xạ γ, khơng có phóng xạ phóng γ Định luật phóng xạ: a Định luật : Mỗi chất phóng xạ đặc trưng thời gian T gọi chu kỳ bán rã , sau chu kỳ 1/2 số nguyên tử chất biến đổi thành chất khác b.Biểu thức định luật: + N = N0.e-λt , N số nguyên tử khối chất phóng xạ thời điểm t, N0 số nguyên tử lúc đầu (t =0) khối chất phóng xạ + m = m0e-λt , m khối lượng khối chất phóng xạ thời điểm t skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan + λ : gọi số phóng xạ , chất phóng xạ có số phóng xạ khác Giữa số phóng xạ chu kỳ bán rã có mối liên hệ T = Ln2/λ c Độ phóng xạ H : Độ phóng xạ lượng chất phóng xạ đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu , đo số phân rã giây + Đơn vị : beccơren (Bq) = phân rã giây, ngồi cịn dùng Ci = 3,7.1010Bq + H(t) = - = λN0e- λt = λN(t) = H0e- λt , H0 = λN0 độ phóng xạ ban đầu 3.Phản ứng hạt nhân – Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân a Phản ứng hạt nhân: Phản ứng hạt nhân tương tác hai hạt nhân dẫn đến biến đổi chúng thành hạt khác Thí dụ : A +B →C + D Trong số hạt đơn giản hạt nhân ( hạt sơ cấp nuclon, electron, photon…) Trường hợp riêng phản ứng hạt nhân phóng xạ : vế trái phương trình có hạt A gọi hạt nhân mẹ : A → B + C, B hạt nhân gọi hạt nhân con, C α β b.Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân + Định luật bảo tồn số nuclon(số khối A): Prơtơn biến thành nơtrơn ngược lại tổng số nuclon vế trái tổng số nuclon vế phải phương trình +Định luật bảo tồn điện tích (hoặc nguyển tử số) : Tổng đại số điện tích hạt vế trái ln tổng đại số điện tích hạt vế phải phương trình + Định luật bảo tồn lượng : Trong phản ứng hạt nhân lượng bảo tồn (bao gồm lượng thơng thường lượng nghỉ) skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan + Định luật bảo toàn động lượng: Trong phản ứng hạt nhân động lượng bảo toàn Vận dụng định luật bảo tồn cho phóng xạ : d.Phóng xạ γ: hạt nhân sinh trạng thái kích thích chuyển từ mức lượng E2 xuống mức lượng E1 ,đồng thời phát phơ tơn có tần số f xác định hệ thức: E2- E1 = hf Khơng có biến đổi hạt nhân phóng xạ γ Vậy phóng xạ γ kèm theo phóng xạ α hoặcβ 5.Năng lượng phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân : A +B → C + D giả thiết hạt A B đứng yên Tổng số Nuclôn phản ứng bảo tồn Nhưng hạt A,B,C,D có độ hụt khối khác nhau, nên tổng khối lượng nghỉ M0 = mA + mB hạt nhân A B không tổng khối lượng nghỉ M = mC + mD hạt nhân sinh C D Có hai trường hợp xảy : a M< M0 : Phản ứng tỏa lượng Q = (M0 – M).C2 = Ksau - Ktrước Trường hợp MM0: Phản ứng khơng tự xảy mà phải cung cấp cho hạt A B lượng dạng động (bằng cách bắn A vào B chẳng hạn): W= (M –M0).C2 + K K : động hạt sinh * Hai loại phản ứng tỏa lượng: + Một hạt nhân nặng cuối bảng tuần hồn, urani, plutơni …hấp thụ nơtrơn vỡ thành hai hạt có số khối A vào loại trung bình phản ứng gọi phân hạch +Hai hạt nhân nhẹ đầu bảng hệ thống tuần hồn hiđrơ, hêli …kết hợp với thành hạt nhân nặng Phản ứng kết hợp gọi phản ứng nhiệt hạch PHẦN II: BÀI TẬP VẬN DỤNG I Bài tập ví dụ: Bài 1: Đồng vị Kali có tính phóng xạ β thành Cho chu kỳ bán rã 1,5.109 năm Trong nham thạch có chứa Kali mà phần đồng vị T = Lúc nham thạch cịn dung nham chưa có Argon Trong mẩu nham thạch khảo sát, người ta thấy tỉ lệ số nguyên Xác định tuổi nham thạch Hướng dẫn giải: Phương trình phóng xạ Số hạt nhân Kali phân rã số hạt nhân Ar tạo thành nên ta có Từ ta t = 2T = 3.109 năm skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Vậy tuổi nham thạch 3.109 năm Bài 2: Lúc đầu có mẫu poloni nguyên chất chất phóng xạ có chu kì bán rã 138 ngày Các hạt poloni phát tia phóng xạ chuyển thành hạt nhân chì Tính tuổi mẫu chất lúc khảo sát khối lượng chất poloni lớn gấp lần khối lượng chì A Hướng dẫn giải: Phương trình phóng xạ Số hạt nhân Poloni phân rã số hạt nhân chì (Pb) tạo thành nên ta có Mặt khác, Từ (1) (2) ta Từ ta (ngày) Bài 3: Cho prơtơn có động KP = 2,25MeV bắn phá hạt nhân Liti đứng yên Sau phản ứng xuất hai hạt X giống nhau, có động có phương chuyển động hợp với phương chuyển động prơtơn góc φ Cho biết mP = 1,0073u; mLi = 7,0142u; mX = 4,0015u; 1u = 931,5 MeV/c2 Coi phản ứng khơng kèm theo phóng xạ gamma giá trị góc φ là? skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Giải: Công thức liên hệ động lượng động vật Phương trình phản ứng: mP + mLi = 8,0215u ; 2mX = 8,0030u Năng lượng phản ứng toả : ΔE = (8,0215-8,0030)uc2 = 0,0185uc2= 17,23MeV 2KX = KP + ΔE = 19,48 MeV -→ KX =9,74 MeV Tam giác OMN: Suy φ = 83,070 Bài 4: Người ta dùng hạt proton bắn vào hạt nhân đứng yên, để gây phản ứng Biết phản ứng tỏa lượng hai hạt α có động Lấy khối lượng hạt theo đơn vị u gần số khối chúng Góc α là? Giải: Theo ĐL bảo toàn động lượng P2 = 2mK K động skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan tạo hướng hạt Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan KP = 2Kα + ΔE -> KP - ΔE = 2Kα > KP > 2Kα > > hay > 138,60 II Phần tập tự giải Bài 1: Để đo chu kỳ bán rã chất phóng xạ hạt bị phân rã (khi hạt người ta dùng máy đếm xung để đếm số rơi vào máy, máy xuất xung điện, khiến cho số bị đếm máy tăng thêm đơn vị) Trong phép đo lần thứ nhất, máy đếm ghi 340 xung phút Sau ngày máy đếm ghi 112 xung phút Xác định chu kỳ bán rã chất phóng xạ đó? Bài 2: Xác định tuổi C phóng xạ kỹ thuật sử dụng khảo cổ học để đánh giá tuổi vật liệu hữu gỗ da Nó dựa thực tế mật độ ngun tử C14 có khí gần khơng đổi có giá trị 1,3 ngun tử C14 có 10 12 nguyên tử C bao gồm tất đồng vị Tuy nhiên thể sống chết đi, C14 khơng cịn cung cấp bắt đầu giảm phóng xạ Phương trình phân rã có dạng sau: skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan với thời gian bán rã 5730 năm Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Giả sử có 50g C từ mảnh gỗ tìm mộ tiền sử Biết khối lượng nguyên tử trung bình C 2.10-26 kg, tính số N0 nguyên tử C14 có gỗ phần sống? Có thể xác định tuổi mộ ta biết số N nguyên tử C14 có 50g C Không thể đếm trực tiếp số nguyên tử C14 ta đếm tổng số 935 e phát xạ từ 50g C 10 phút Tuổi mộ bao nhiêu? Một nhà khảo cổ học tuyên bố xác định tuổi hoá thạch 2.10 năm phương pháp định tuổi cacbon phóng xạ Một nhà khoa học khác nói kết thật phi lý, bạn ủng hộ ý kiến ai, giải thích lý do? Kiến thức liên quan: C14 khí chiếm tỉ lệ nhỏ so với đồng vị bền C12 C14 C12 kết hợp với khí oxi tạo thành khí cacbonic cối hấp thụ Như loài thực vật động vật có chứa hàm lượng C14 Nếu lồi thực vật động vật cịn sống lượng C14 bổ sung tỉ lệ C14 C12 không đổi Với loại chết khơng bổ sung C14 độ phóng xạ giảm So sánh độ phóng xạ C14 chết sống xác định tuổi loại Bài 3: 1 proton có vận tốc v=0,9c Tính xung lượng tương đối tính MeV/c kgm/s Cho biết khối lượng proton mp=983,3MeV/c2 Chứng minh rằng: hạt chuyển động với vận tốc lớn (hạt tương đối tính) lượng tồn phần E xung lượng tương đối tính hạt có khối lượng nghỉ m liên hệ với hệ thức: skkn Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Skkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhanSkkn.chuyen.de.vat.ly.hat.nhan.ly.thuyet.co.ban.ve.hien.tuong.phong.xa.va.phan.ung.hat.nhan Biết hạt tương đối tính: E= Kiến thức liên quan: - Trong trường hợp v