hạt nhân nguyên tử

HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ  I/. Tính chất và cấu tạo hạt nhân nguyên tử 1. Cấu tạo hạt nhân a) Cấu tạo hạt nhân * Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt nhỏ rất nhỏ gọi là nuclôn. Có hai loại nuclôn: + Prôtôn (p) có khối lượng 27 p m 1,67262.10 kg − = , mang điện tích nguyên tố dương e+ . + Nơtron (n) có khối lượng 27 n m 1,67493.10 kg − = , không mang điện. * Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Z được gọi là nguyên tử số (còn gọi là điện tích hạt nhân). Tổng số các nuclôn trong hạt nhân gọi là số khối, kí hiệu là A. Số nơtron trong hạt nhân là: N = A – Z. b) kí hiệu hạt nhân: A Z X hoặc A X hoặc XA Trong đó X là kí hiệu hóa học. Ví dụ 23 11 Na ; 238 92 U . c) Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số prôtôn Z, nhưng có số nơtron N khác nhau (số khối A khác nhau). Ví dụ hiđrô có ba đồng vị: hiđrô thường ( 1 1 H ) ; hiđrô nặng ( 2 1 H ) còn gọi là đơteri ( 2 1 D ) và hiđrô siêu nặng ( 3 1 H ) còn gọi là triti ( 3 1 T ) 2. Khối lượng hạt nhân a) Đơn vị khối lượng nguyên tử kí hiệu là u, có trị số bằng 1 12 khối lượng của đồng vị cacbon 12 6 C . 27 1 u 1,66055.10 kg − = . Khối lượng prôtôn p m 1,00728 u= ; nơtron n m 1,00866 u= . b) Khối lượng và năng lượng + Theo Anh-xtanh, một vật có khối lượng m thì có năng lượng E tương ứng tỉ lệ với m và ngược lại. 2 E mc= gọi là hệ thức Anh-xtanh, trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Nếu m = 1 u thì 2 E 1uc 931,5 MeV.= ≈ Vậy 2 1 u 931,5 MeV / c≈ MeV/c 2 cũng là một đơn vị đo khối lượng hạt nhân. + Theo Anh-xtanh, một vật có khối lượng 0 m khi ở trạng thái nghỉ thì khi chuyển động với tốc độ v, khối lượng sẽ tăng lên thành m với 0 2 2 m m v 1 c = − 0 m gọi là khối lượng nghỉ, m gọi là khối lượng động. 2 0 0 E m c= gọi là năng lượng nghỉ. 2 2 0 2 2 m c E mc v 1 c = = − gọi là năng lượng toàn phần. ( ) 2 0 0 E E E m m c∆ = − = − là động năng của vật. II/. Năng lượng liên kết của hạt nhân 1. Lực hạt nhân http://kinhhoa.violet.vn 1 Các nuclôn trong hạt nhân liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh, gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân là lực tương tác mạnh, chỉ có tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân. Bán kính tác dụng vào khoảng 15 10 m − . 2. Năng lượng liên kết của hạt nhân a) Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó. ( ) p n X m Zm A Z m m∆ = + − − gọi là độ hụt khối của hạt nhân. b) Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số 2 c . 2 lk W mc= ∆ Hay: ( ) 2 lk p n X W Zm A Z m m c   = + − −   c) Năng lượng liên kết riêng ( lk W A ) là năng lượng liên kết tính cho một nuclôn. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. Các hạt nhân trung bình có số khối 50 A 95 < < , có năng lượng liên kết riêng lớn nhất. III/. Phản ứng hạt nhân 1. Định nghĩa và đặc tính a) Phản ứng hạt nhân tự phát là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác. A C D→ + Trong đó A là hạt nhân mẹ, C là hạt nhân con và D là tia phóng xạ. b) phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác. 31 2 4 1 2 3 4 AA A A Z Z Z Z A B X Y+ → + 2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân + Bảo toàn điện tích. ( 1 2 3 4 Z Z Z Z+ = + ) + Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số khối A). ( 1 2 3 4 A A A A+ = + ) + Bảo toàn năng lượng toàn phần. + Bảo toàn động lượng. 3. Năng lượng phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: A B C D + → + + Tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước tương tác: t A B m m m= + + Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau tương tác: s C D m m m= + Nếu s t m m< thì phản ứng tỏa năng lượng. Nếu s t m m> thì phản ứng thu năng lượng. + Năng lượng tỏa (thu vào) ( ) 2 t s W = m - m c W > 0 : tỏa năng lượng. W < 0 : thu năng lượng. + Có hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch. IV/. Phóng xạ 1. Hiện tượng phóng xạ a) Định nghĩa: Phóng xạ là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững và biến đổi thành các hạt khác và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân hủy gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành gọi là hạt nhân con. b) Các dạng phóng xạ + Phóng xạ α : Phát ra tia α , là dòng hạt nhân của nguyên tử hêli ( 4 2 He ), theo phản ứng sau: A A 4 4 Z Z 2 2 X Y He α − − → + + Phóng xạ − β : Phát ra tia − β , là dòng các hạt êlectron ( 0 1 e − ), theo phản ứng sau: A A 0 0 Z Z 1 1 0 X Y e − β + − → + + ν % Với ν % là phản hạt của nơtrinô. http://kinhhoa.violet.vn 2 + Phóng xạ + β : Phát ra tia + β , là dòng các hạt pôzitron còn gọi là êlectron dương ( 0 1 e + ), theo phản ứng sau: A A 0 0 Z Z 1 1 0 X Y e + β − + → + + ν Với ν là hạt nơtrinô. + Phóng xạ γ : Phát ra tia γ , là phóng xạ đi kèm theo của phóng xạ α và β . Tia γ là bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn, khả năng đâm xuyên sâu (vài mét trong bê tông và vài cm trong chì). 2. Định luật phóng xạ a) Đặc tính của quá trình phóng xạ + Là quá trình biến đổi hạt nhân. + Có tính tự phát và không điều khiển được, không chịu tác động của các yếu tố bên ngoài. + Là một quá trình ngẫu nhiên. b) Định luật phóng xạ Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ. Ta có: t T o N N .2 − = Hay t o N N .e −λ = Với ln 2 0,693 T T λ = = Trong đó: o N số hạt nhân (số nguyên tử) ban đầu. N số hạt nhân chưa bị phân rã (số hạt nhân còn lại) sau thời gian t. T gọi là chu kỳ bán rã, λ gọi là hằng số phóng xạ đều đặc trưng cho chất phóng xạ. 3. Đồng vị phóng xạ nhân tạo Ngoài các đồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta cũng tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. a) Phóng xạ nhân tạo và phương pháp nguyên tử đánh dấu + Đồng vị phôtpho 30 15 P là đồng vị phóng xạ nhân tạo đầu tiên do hai ông bà Quy-ri thực hiện vào năm 1934, khi dùng hạt α để bắn phá nhôm: 4 27 30 1 2 13 15 0 He Al P n+ → + Phôtpho 30 15 P có tính phóng xạ + β , chu kỳ bán rã 195 s. + Phương pháp tạo ra hạt nhân phóng xạ nhân tạo của nguyên tố X theo sơ đồ A 1 A 1 Z 0 Z X n X + + → A 1 Z X + là đồng vị phóng xạ của X, khi trộn lẫn với các hạt nhân bình thường không phóng xạ, các hạt nhân A 1 Z X + được gọi là các nguyên tử đánh dấu, được ứng dụng nhiều trong sinh học, hóa học, y học,… b) Đồng vị 14 6 C đồng hồ của Trái Đất Trong thành phần của tia vũ trụ có các nơtron chậm, khi gặp hạt nhân 14 7 N trong khí quyển tạo nên phản ứng: 1 14 14 1 0 7 6 1 n N C H+ → + 14 6 C là một đồng vị phóng xạ − β , chu kỳ bán rã 5730 năm.Trong khí quyển tỉ lệ 14 6 C / C là không đổi. Dựa vào sự phân rã của 14 6 C trong các di vật cổ gốc sinh vật, người ta xác định được tuổi của các di vật này. V/. Phản ứng phân hạch 1. Cơ chế của phản ứng phân hạch + Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn. + Để gây ra được phản ứng phân hạch ở hạt nhân X thì phải truyền cho nó một năng lượng, giá trị tối thiểu của năng lượng cần truyền gọi là năng lượng kích hoạt. Phương pháp dễ nhất là bắn nơtron vào X. Hạt nhân X chuyển sang trạng thái kích thích và sự phân hạch xảy ra. Trong mỗi phân hạch lại sinh ra k = 1, 2 hoặc 3 nơtron. n X X* Y Z kn+ → → + + http://kinhhoa.violet.vn 3 2. Năng lượng phân hạch + Phản ứng phân hạch của urani 235 1 235 236 95 138 1 0 92 92 39 53 0 1 235 236 95 139 1 0 92 92 38 54 0 n U U* Y I 3 n n U U* Sr Xe 2 n + → → + + + → → + + + Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng, năng lượng đó gọi là năng lượng phân hạch. Một phân hạch của urani tỏa ra năng lượng khoảng 200 MeV. + Sau mỗi phân hạch của urani lại sinh ra trung bình 2,5 nơtron. Các nơtron này kích thích cho các phân hạch mới. Kết quả là các phân hạch xảy ra liên tục tạo thành phản ứng dây chuyền. Giả sử sau mỗi phân hạch, có k nơtron sinh ra kích thích k phân hạch mới thì: khi k < 1 phản ứng dây chuyền không xảy ra. khi k = 1 phản ứng dây chuyền tự duy trì và năng lượng tỏa ra không đổi theo thời gian, có thể kiểm soát được. khi k > 1 Phản ứng dây chuyền tự duy trì và năng lượng tỏa ra tăng rất nhanh, không kiểm soát được, gây nên sự bùng nổ. + Để có k 1≥ thì khối lượng của chất phân hạch phải lớn hơn hoặc bằng khối lượng tới hạn. + Phản ứng phân hạch có điều khiển được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, ứng với k = 1. Trong lò có những thanh điều khiển có chứa bo hay cađimi có tác dụng hấp thụ nơtron thừa, để đảm bảo cho k = 1. VI/. Phản ứng nhiệt hạch 1. Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch là sự tổng hợp hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn. Sự tổng hợp này chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, nên gọi là phản ứng nhiệt hạch. Ví dụ: 2 3 4 1 1 1 2 0 H H He n 17,6 MeV+ → + + Phản ứng này tỏa ra năng lượng 17,6 MeV. + Điều kiện để có phản ứng nhiệt hạch xảy ra là - Nhiệt độ cao (50 ÷ 100 triệu độ). - Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn. - Thời gian duy trì trạng thái plasma ( ) τ ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải đủ lớn. 2. Năng lượng nhiệt hạch + Năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch gọi là năng lượng nhiệt hạch. + Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 g heli từ hiđrô gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 g urani và gấp 200 triệu lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1 g cacbon. + Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao. + Ưu điểm của năng lượng nhiệt hạch: nhiên liệu dồi dào, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm môi trường. 3. Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất Trên Trái Đất, loài người đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H và đang nghiên cứu tạo ra phản ứng nhiệt hạch có điều khiển. http://kinhhoa.violet.vn 4 . HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ  I/. Tính chất và cấu tạo hạt nhân nguyên tử 1. Cấu tạo hạt nhân a) Cấu tạo hạt nhân * Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt nhỏ rất nhỏ gọi là nuclôn hạt nhân tự phát là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác. A C D→ + Trong đó A là hạt nhân mẹ, C là hạt nhân con và D là tia phóng xạ. b) phản ứng hạt. Năng lượng liên kết của hạt nhân 1. Lực hạt nhân http://kinhhoa.violet.vn 1 Các nuclôn trong hạt nhân liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh, gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân là lực tương tác