Đề cương ôn tập Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân

Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân Những kiến thức sơ bộ về hạt nhân nguyên tử 1.Cấu tạo hạt nhân nguyên tử.Đơn vị khối lợng nguyên tử: - Có hai loại hạt nuclon: Hạt prôton kí hiệu p mang điện dơng, hạt thứ hai là hạt nơtron không mang điện ký hiệu là n - Một ng.tử có số khối A thì khối lợng ng.tử xấp xỉ bằng A tính theo đơn vị u. 2.Sự phóng xạ: - Khi đi qua môi trờng , nó làm Ion hoá môi trờng nên mất dần năng lợng, do đó khả năng truyền đi xa yếu. Trong không khí chỉ bay đợc tối đa 8cm và bị thuỷ tinh hấp thụ mạnh. b/Tia bêta: +/ Tia : Là các hạt e - nên bị lệch về bản âm của tụ khi bay trong điện trờng, lệch nhiều hơn so với tia anpha. - Đồng vị 14 6 C là đồng vị phóng xạ phát ra tia anpha. +/ Tia + : là các hạt e + hay còn gọi là hạt pozitron có cùng khối lợng với hạt e - nhng mang điện tích nguyên tố dơng. 1.Cấu tạo hạt nhân nguyên tử: - Nguyên tử có kích thớc rất nhỏ, đờng kính cỡ khoảng 10 -9 m. - Cấu tạo bao gồm: Hạt nhân ở giữa, chuyển động xung quanh là các e - thành lớp vỏ nguyên tử. - Hạt nhân có đờng kính vô cùng nhỏ cỡ khoảng 10 -15 m. Hạt nhân cấu tạo từ các hạt nuclon. - Tổng số hạt nuclon trong hạt nhân nguyên tử : A = N + Z: khối lợng số hay số khối. - Ký hiệu hạt nhân ng.tử: A Z X hoặc A Z Y 2. Lực hạt nhân: - Các hạt prôton mang điện dơng trong hạt nhân đẩy nhau nhng hạt nhân của ng.tử vẫn bền vững là bởi vì các hạt nuclon trong hạt nhân đợc liên kết chặt chẽ với nhau bởi một lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân. - Lực hạt nhân là loại lực liên kết mạnh nhất trong tự nhiên. - Lực hạt nhân chỉ có tác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclon bằng hoặc nhỏ hơn kích thớc hạt nhân, nghĩa là có bán kính tác dụng vào cỡ 10 -15 m. 3.Đồng vị: - Các hạt nhân mà có cùng số prôton nhng khác nhau số nơtron ( dẫn đến số khối khác nhau) gọi là đồng vị ( có cùng vị trí trong bảng HTTH). Ví dụ : (SGK) 4.Đơn vị khối l ợng nguyên tử: - Loại đơn vị dùng để làm đơn vị kh.lợng ng.tử gọi là khối lợng ng.tử.ký hiệu: u - Một đơn vị khối lợng ng.tử bằng 1 12 kh.lợng của đồng vị phổ biến C12. - Đồng vị 12 6 C có 12 nuclon trong hạt nhân nên khối lợng của các hạt nuclon xấp xỉ bằng u p m = 1,007276u m n = 1,008665u m e = 0,000549u. -Khối lợng nguyên tử chủ yếu tập trung ở hạt nhân. */ Số Avôgađrô: N A là số ng.tử có trong 12g C12. N A = 6,022.10 23 hạt/mol -Vậy 1u = 1 12 12 N A g= 1,66058.10 -27 kg. 1.Sự phóng xạ: - Phóng xạ là hiện tợng một hạt nhân tự động phóng ra những bức xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. - Tia phóng xạ là những bức xạ không nhìn thấy, có các tác dụng lý hoá và t.dụng sinh lý. a/Tia anpha: - Là bức xạ phóng ra từ hạt nhân đồng vị U92, tia anpha bị lệch về phía bản âm của tụ khi bay trong điện trờng giữa hai bản tụ. - Bản chất tia là sóng điện từ, hạt jà hạt nhân ng.tử 4 2 He mang hai điện tích dơng. - Hạt phóng ra từ hạt nhân với vận tốc khoảng 10 7 m/s. 34 Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân - Đồng vị 11 6 C : đồng vị phóng xạ phát tia + - Vận tốc các hạt bêta phóng ra rất lớn gần bằng vận tốc ánh sáng - Tia bêta làm Iôn hoá môi trờng yếu hơn tia anpha nên có tầm bay xa hơn ( hàng trăm mét trong không khí). c/ Tia Gamma: Kí hiệu: - Bản chất là loại sóng điện từ có bớc sóng rất ngắn ( 0,01nm < ). - Bản thân là hạt phôtôn có năng lợng cao, không bị lệch trong điện trờng và có khả năng đâm xuyên mạnh là loại tia phóng xạ nguy hiểm. - Các tia phóng xạ đều có năng lợng nên sự phóng xạ toả ra năng lợng. - Hiện tợng phóng xạ do những nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra , hoàn toàn không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài. - Theo tính chất của hàm số mũ ta có: N = N o e - t m = m o e - t Trong đó: : hằng số phóng xạ có liên quan đến chu kỳ bán rã. Cho t = T thì ta sẽ có m = 1 2 m o thay vào (9.2) ta đợc: m t o m e o 2 = Suy ra T = ln2 = 0,693 +/Độ phóng xạ H: - Là đại lợng đặc trng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lợng chất phóng xạ . - Đo bằng số phân rã trong một giây - Đơn vị: 1Bq = 1phân rã /giây 1Ci = 3,7.10 10 Bq ; độ phóng xạ của 1g Rd. H (t) = - o dN(t) t N e dt = ; H = H o e t ; H o = N o 3. Phản ứng hạt nhân: +Ph ơng trình tổng quát: A + B = C + D - Các hạt tham gia phản ứng: các hạt sơ cấp: n;p; fôton. - Trờng hợp riêng: A B + C A: Hạt nhân mẹ ; B: Hạt nhân con ;C:hạt hoặc Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân: a/ Định luật bảo toàn số khối: Prôtôn có thể biến đổi thành nơtron và ngợc lại nhng tổng số hạt nuclon ở hai vế của ph.trình luôn bằng nhau. b/ Định luật bảo toàn điện tích: Các hạt nhân trong phản ứng chỉ tơng tác với nhau, không tơng tác với những hạt bên ngoài nên tạo thành hệ kín cô lập về điện. Tổng điện tích ở hai vế của phơng trình luôn cân bằng. c/ Bảo toàn năng l ợng và động l ợng của hệ các hạt tham gia phản ứng: Trong hệ kín gồm các ng.tử,hạt nhân và các hạt cơ bản thì năng lợng và động lợng của hệ đợc bảo toàn. Vận dụng các định luật bảo toàn vào sự phóng xạ.Quy tắc dịch chuyển: a/Phóng xạ anpha: Một hạt nhân mẹ A Z X phóng ra hạt 4 2 ( He) và trở thành hạt nhân mới A' Z' Y. Ta có phơng trình: A Z X 4 2 He + A' Z' Y Theo định luật bảo toàn số khối và đ.l.b.t đ.tích: 2. Định luật phóng xạ: */Nội dung: Mỗi chất phóng xạ đợc dặc trng bởi một thời gian T gọi là chu kỳ bán rã.Cứ sau mỗi chu kỳ thì một phần hai số nguyên tử chất ấy biến đổi thành chất khác. - Gọi N o : Số ng.tử ban đầu thì cứ sau 1T; 2T; 3TkT thì số nguyên tử của chất phóng xạ đang xét sẽ là: N o 1T N o 2 ; 2T N o 4 3T N o 8 .kT k N o 2 35 Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân A = A - 4 Z = Z 2 +/Nhận xét: - So với hạt nhân mẹ thì hạt nhân con lùi hai ô và có số khối nhỏ hơn 4 đ.vị b/ Phóng xạ : A Z X 0 1 e + A' Z' Y Theo định luật bảo toàn số khối và đ.l.b.t đ.tích: A = A Z = Z + 2 Nhận xét: - So với hạt nhân mẹ thì hạt nhân con tiến hai ô và có cùng số khối c/ Phóng xạ + : A Z X 0 1 e + + + A' Z' Y Theo định luật bảo toàn số khối và đ.l.b.t đ.tích: A = A Z = Z -1 Nhận xét: - So với hạt nhân mẹ thì hạt nhân con lùi một ô và có cùng số khối 4. Phản ứng hạt nhân nhân tạo. ứng dụng của các đồng vị phóng xạ: .Phản ứng hạt nhân nhân tạo: - tạo ph.ứng hạt nhân nhân tạo bằng cách dùng những hạt nhân nhẹ gọi là đạn bắn phá hạt nhân khácgọi là bia. +/Ví dụ: - Phản ứng hạt nhân nhân tạo của nhà bác học Rôdơfor thực hiện năm 1919: Ông dùng chất phóng xạ 210Po phát ra các hạt để bắn phá hạt nhân Nitơ: 4 14 17 1 2 7 8 1 He N O H+ + - Đồng vị 30 15 P là đồng vị nhân tạo vì nó không tồn tại trong tự nhiên, nó là đồng vị không bền và có tính phóng xạ + : 30 30 0 14 1 15 P Si e + + - Số đồng vị trong tự nhiên chỉ có khoảng 325 đồng vị. Bằng cách tạo ra các phản ứng nhân tạo, con ngời đã thu đợc hơn 1500 đồng vị, kéo dài bảng hệ thống tuần hoàn hoá học, tạo ra các nguyên tố có Z > 92: tất cả các ng.tố này đều là ng.tố phóng xạ, trong đó quan trọng nhất là nguyên tố plutoli có Z = 92 đợc dùng làm nhiên liệu hạt nhân. ứng dụng của các đồng vị phóng xạ: a/ ứng dụng của đồng vị Co 60: - Đồng vị Co60 phát ra tia có khả năng đâm xuyên xâu nên dùng để tìm khuyết tật trong các chi tiết máy, bảo quản thực phẩm, chữa bệnh ung th b/ Ph ơng pháp nguyên tử đánh dấu: Để theo dõi sự hấp thụ lân của cây xanh, ngời ta chộn một ít lân 32P vào phân lân thờng. Lân P32 có tính phóng xạ nên dễ dàng theo dõi sự di chuyển của chất lân trong các quá trình sinh trởng của cây. c/ Ph ơng pháp dùng đồng vị C14: - Dùng trong lĩnh vực khảo cổ học. Cacbon có 4 đồng vị: + C13:Đồng vị bền ; C14: Có tính phóng xạ + C11: Có tính phóng xạ + ; C12: đ. vị phổ biến - Đ.vị C14 đợc tạo ra trong khí quyểnvà thâm nhập vào mọi vật trên Trái Đất. Nó có chu kỳ bán rã là T= 5600năm. Sự phân rã cân bằng với sự tạo ra nên mật độ C14 trong khí quyển không thay đổi: Cứ 10 12 ng.tử cacbon thì có 1 ng.tử C14. - Khi thực vật còn sống, còn có sự trao đổi chất với môi trờng thì tỉ lệ trên trong cơ thể không đổi. Khio chết đi thì không còn có sự trao đổi chất với môi trờng, lợng C14 bị suy giảm do phân rã không đợc bù đắp, cứ sau 1chu kỳ phân rã thì chỉ còn 1 2 , độ phóng xạ giảm tơng ứng. - Phản ứng hạt nhân nhân tạo của hai nhà bác học Giôliô - Quiri thực hiện năm 1934: hai nhà bác học dùng các hạt bắn phá một lá nhôm và thu đợc phản ứng: 36 Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân 4 17 30 1 2 13 0 15 He Al P n+ + Vì vậy dựa vào độ phóng xạ ngời ta có thể xác định đợc tuổi của các mẫu vật cổ. 5. Hệ thức Anhxtanh giữa năng lợng và khối lợng: 6. Độ hụt khối. Năng lợng hạt nhân: 1.Độ hụt khối.Năng l ợng liên kết: - Gọi: m o là khối lợng các hạt nuclon trớc khi tham gia liên kết. m: khối lợng ccác hạt nuclon trong hạt nhân (m < m o ), theo thuyết tơng đối, năng lợng nghỉ của các hạt tơng ứng là:E o = m o c 2 ; E = mc 2 - Theo định luật bảo toàn năng lợng thì E = E o nhng do m < m o nên E < E o . Vậy phải có một năng l- ợng toả ra là E: E = E o - E = ( m o - m)c 2 = m.c 2 - Hiệu m = m o - m: Độ hụt khối ; E = m.c 2 : Năng lợng liên kết. +/ E gọi là năng lợng liên kết vì: - Năng lợng này toả ra dới dạng động năng của các hạt nhân hoặc năng lợng của tia gama. - Nếu muốn phá vỡ hạt nhân có khối lợng m thành các hạt nuclon có tổng khối lợng m o thì phải tốn một lợng năng lợng đúng bằng E để thắng lực hạt nhân. - E càng lớn thì các nuclon liên kết càng mạnh, càng phải tốn nhiều năng lợng để phá vỡ liên kết. +/ Năng lợng liên kết tính cho một nuclon gọi là năng lợng liên kết riêng. Kí hiệu: E A - Hạt nhân có năng lợng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. 2. Phản ứng hạt nhân toả năng l ợng và thu năng l ợng: - Xét phản ứng: A + B C +D - Giả thiết các hạt A và B đứng yên. Tổng số hạt nuclon không đổi trong phản ứng nhng vì A, B, C, D có các độ hụt khối khác nhau nên tổng khối lợng M o của các hạt A+B có thể khác tổng khối lợng M của các hạt C +D. +/ Giả sử M < M o : E = Mc 2 < E o = M o c 2 nhng năng lợng toàn phần đợc bảo toàn. Vậy phản ứng hạt nhân phải toả năng lợng: E = ( M o - M)c 2 = M.c 2 năng lợng tỏa ra dới dạng động năng của các hạt C và D và năng lợng của fôton tia gamma. - M < M o : các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạt ban đầu nghĩa là bền vững hơn. */ Tóm laị: (SGK) - Nếu M > M o : E > E o : phản ứng không thể tự xảy ra mà phải cung cấp cho các hạt A và B một năng lợng dới dạng động năng của hạt này bắn vào hạt kia. Năng lợng cung cấp phải có giá trị W E=E-E o hay W = E + E đ 3. Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng l ợng: 7. Sự phân hạch: Phản ứng dây truyền : - */ Sự phân hạch (SGK) -Nơtron: Gồm hai loại: + Nơtron nhanh 1.Hệ thức Anhxtanh gi a năng l ợng và khối l ợng: - Nếu một vật có khối lợng m thì nó có một năng lợng E tỉ lệ với m gọi là năng lợng nghỉ: E = mc 2 . - Theo hệ thức trên thì 1g chất bất kỳ cũng chứa một năng lợng rất lớn, bằng 25 triệu kw.h. - Năng lợng nghỉ có thể biến thành các dạng năng lợng thông thờng khác và ngợc lại. - Khi năng lợng nghỉ tăng hoặc giảm thì khối lợng cũng tăng hoặc giảm theo. Sự biến đổi này chỉ xảy ra trong các phản ứng hạt nhân, không xảy ra trong các phản ứng hoá học thông thờng. - Đối với hệ cô lập, không có sự bảo toàn khối lợng mà chỉ có sự bảo toàn năng lợng toàn phần. - Theo hệ thức: E = mc 2 thì khối lợng của các hạt còn đợc tính bởi đơn vị là 2 ev c hoặc 2 MeV c . - Kết quả nhiều công trình cho thấy: 1MeV = 13 30 2 2 2 1,6022.10 J 1,7827.10 kg (2,99792) (m /s ) = ; 1kg = 0,561.10 30 MeV/c 2 . 37 Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân + Nơtron chậm: Có động năng tơng đơng với động năng trung bình của chuyển động nhiệt ( dới 0,1ev). Loại này dễ bị hấp thụ. - Urani thiên nhiên là hỗn hợp của ba đồng vị (SGK) - Đồng vị U235 là đồng vị dễ bị phân hạch nhất: 235 92 U+ 1 0 n 236 A A' 0 Z 92 Z' 1 U X+ X'+k n X và X' là các hạt nhân trung bình có số khối từ 80 đến 160. - Phản ứng này sinh ra k = 3 hoặc k= 3 nơtron và tỏa ra một lợng năng lợng khoảng 200 Mev dới dạng động năng của các hạt. - Mỗi phân hạch tỏa ra một năng lợng khoảng 200Mev = 3,2.10 11 J 1g U235 chứa 2,5.10 21 hạt nhân nên tỏa ra một năng lợng rất lớn bằng 8.10 10 J = 22.10 3 triệu kw.h gọi là năng lợng hạt nhân. */ Phản ứng dây truyền: - Một phần số nơtron sinh ra bị mất đi do nhiều nguyên nhân khác nhau( do thoát ra ngoài khối Urani, hoặc bị hấp thụ bởi các hạt nhân khác). - Nếu sau mỗi phân hạch còn lại trung bình s nơtron (s > 1) thì s nơtron này đập vào các hạt nhân khác lại gây ra s phân hạch, đồng thời sinh ra s 2 nơtron ,rồi s 3 , s 4 , s 5 ,nơtron.Cứ nh vậy số phân hạch tăng rất nhanh trong một khoảng thời gian rất ngắn, ta có đợc một phản ứng dây truyền. - Khi đó hệ số s: hệ số nhân nơtron. */ Điều kiện để có phản ứng dây truyền: - Với s > 1: Hệ thống vợt hạn, phản ứng dây truyền xảy ra không thể kiểm soát đợc. - Với s = 1: Hệ thống tới hạn, kiểm soát đợc phản ứng dây truyền. - Với s < 1: Hệ thống dới hạn, không xảy ra phản ứng dây truyền. - Số nơtron bị mất đi do bị thoát ra ngoài khối Urani so với số nơtron sinh ra càng nhỏ nếu khối lợng Urani càng lớn. Khối lợng này phải đạt tới một giá trị tới hạn tối thiểu m h thì mới có s 1: Khi đó mới xảy ra phản ứng dây truyền. - Khối lợng m h : Khối lợng tới hạn. - Đồng vị U238 là nhiên liệu hạt nhân: 238 1 239 239 239 92 0 92 93 94 - - U+ n U Np Pu 8. Phản ứng nhiệt hạch: - Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn Ví dụ: 2 2 3 1 1 1 2 0 H+ H He+ n+3,25Mev 2 3 4 1 1 1 2 0 H+ H He+ n+17,6Mev - Một phản ứng kết hợp tỏa năng lợng ít hơn một phản ứng phân hạch. Nhng tính theo cùng một khối lợng nhiên liệu thì phản ứng kết hợp tỏa năng lợng nhiều hơn. - Phản ứng kết hợp thờng khó xảy ra mà muốn xảy ra thì ngời ta phải nâng nhiệt độ nên rất cao- khoảng 50 đến 100 triệu độ, các hạt nhân mới có động năng đủ lớn để thắng lực đẩy Coulomb và tiến lại gần nhau tới mức mà lực hạt nhân tác dụng và kết hợp chúng lại với nhau. Vì vậy cho nên phản ứng kết hợp nói trên gọi là phản ứng nhiệt hạch. */Chu trình các bon - nitơ: - Gồm một chuỗi 6 phản ứng tiếp nhau với sự tham gia của C và N nh là các chất xúc tác và trung gian. Nhng xét tổng thể thì cả chu trình rút về sự tạo thành hạt nhân Hêli từ các hạt nhân Hiđrô. +1 4 1 1 2 0 4 H He+2 e +26,8Mev - Cả chu trình kéo dài hàng trục triệu năm nhng từng phản ứng xảy ra liên tục,chu trình cung cấp một phần năng lợng cho Mặt Trời bên cạnh các chu trình khác. - Con ngời đã tạo ra đợc phản ứng nhiệt hạch dới dạng khôngkiểm soát đợc, đó lạ nổ của bom khinh khí (SGK). - Lý do con ngời quan tâm đến phản ứng này là vì nguồn nhiên liệu cho phản ứng sẵn có trong tự nhiên và vô tận, về mặt sinh thái thì phản ứng nhiệt hạch cũng '' sạch'' hơn phản ứng phân hạch vì có ít cặn bã phóng xạ làm ô nhiễm môi trờng hơn. - Sử dụng năng lợng nhiệt hạch nói riêng và năng lợng hạt nhân nói chung vào mục đích hòa bình. 38 . Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân Những kiến thức sơ bộ về hạt nhân nguyên tử 1.Cấu tạo hạt nhân nguyên tử.Đơn vị khối lợng nguyên tử: - Có hai loại hạt nuclon: Hạt prôton. -1 Nhận xét: - So với hạt nhân mẹ thì hạt nhân con lùi một ô và có cùng số khối 4. Phản ứng hạt nhân nhân tạo. ứng dụng của các đồng vị phóng xạ: .Phản ứng hạt nhân nhân tạo: - tạo ph.ứng hạt. tụ. - Bản chất tia là sóng điện từ, hạt jà hạt nhân ng.tử 4 2 He mang hai điện tích dơng. - Hạt phóng ra từ hạt nhân với vận tốc khoảng 10 7 m/s. 34 Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 -