Bài giảng Điện học (Phần 13) ppsx

Bài giảng Điện học (Phần 13) 2.7 Sự nhiệt hạch Như chúngta đã thấy,hạt nhân nặngcó xuhướng tách ra vì mỗi proton bị từng protonkhác trong hạt nhân đẩy, nhưngchỉ bị hút bởinhững lâncậngần nhất của nó. Hạt nhân vỡ thànhhai mảnh,và ngaykhi haimảnhđó cách nhau hơn1 fm, lực hạtnhânmạnh không còn làm cho hai mảnh hútnhau nữa.Lực đẩy điện khi đó gia tốcchúng,làm cho chúngthu đượcmột lượng lớn độngnăng. Sự giải phóng độngnăng này là cáicung cấp năng lượngcho lò phản ứng hạt nhân và bom phân hạch. Khiđó dườngnhư hạtnhânnhẹ nhất làbềnnhất,nhưngkhôngphảinhư vậy. Hãy sosánh mộthạt nhân cực nhẹ như 4 Hevới một hạt nhânnào đó nặng hơn như 16 O. Mộtneutron hayprotontrong 4 He có thể bị ba hạt kiahút, nhưng trong 16 O, có thể có 5 hay6 lánggiềnghút nó.Do đó hạt nhân 16 O bền hơn. Hóa ranhững hạt nhân bềnnhất đều lànhững hạt nhân xungquanhnickel và sắt,có khoảng 30 proton và30 neutron. Giốngnhư một hạt nhân quá nặng để bền vững có thể giải phóng năng lượngbằngcách tách thành haimảnh gần với kíchthước bền nhất,hạt nhânnhẹ có thể giải phóngnăng lượngnếu như bạn gắn chúng lại với nhau tạo ra hạt nhânlớn hơn gần với kích thước bềnnhất. Hợp nhất một hạt nhân với hạt nhân khác gọilà sự nhiệt hạch hạt nhân. Nhiệt hạch hạt nhân là cái manglại năng lượngcho Mặt Trời vànhữngngôi sao khác. 2.8 Năng lượng hạt nhân và năng lượng liên kết Theo cách tươngtự như phảnứng hóahọc cóthể phân loại là tỏa nhiệt (giải phóngnăng lượng)eHeHHhaythu nhiệt (yêu cầu năng lượngđể phản ứng),các phản ứng hạt nhân có thể giải phóng hoặc sử dụng hết năng lượng.Nănglượng có trong phảnứng hạt nhân lớn hơn rấtnhiều lần. Phải đốt hàngngàn tấnthan đá mớitạo ra được nănglượnglớn như năng lượngdo một kgnhiênliệu củanhà máy điện hạt nhân tạo ra. Mặcdù các phản ứnghạt nhântiêu haonănglượng (phản ứngthu năng lượng)có thể khởi tạo trong máy giatốc, trong đó một hạtnhân được cho đâm vào một hạt nhân khác ở tốc độ cao, nhưng chúngkhôngxảy ratrong tự nhiên,không xảy ra cả trong Mặt Trời. Đơn giản là vì lượngđộng năngcần thiết không sẵn có. Để tìm lượngnăng lượng tiêu hao hoặc giải phóngtrong mộtphảnứng hạt nhân, bạn cần phải biết baonhiêu năng lượngtương táchạt nhân, U hn , được dự trữ hoặc giải phóng. Các nhà thực nghiệm đã xác định được lượng năng lượng hạt nhândự trữ trong hạt nhân của mỗi nguyêntố bền, cũng như nhiềunguyên tố khôngbền. Đây là lượngcôngcơ học cần thiết để tách hạt nhân rathànhtừng neutron và protoncủa nó, và ngày naygọi lànănglượng liên kếthạt nhân. Ví dụ 3. Phản ứng xảy ra trong Mặt Trời MặtTrời sản sinhnăng lượng của nó qua mộtchuỗiphảnứng nhiệt hạch hạt nhân. Một trong các phản ứngđó là 1 H + 2 H → 3 He + γ Năng lượngthừa hầu như đều được mang bởi tia gamma(chứ khôngphải bởi động năngcủa nguyên tử 3 He). Nănglượngliên kếttính bằngđơn vị pJ (pico joule) là 1 H 0 pJ 2 H 0,35593 pJ 3 He 1,23489pJ Năng lượnghạtnhântoàn phần ban đầulà 0 pJ + 0,35593pJ, và năng lượng hạt nhân cuối cùng là 1,23489pJ, nên theo sự bảo toàn năng lượng,tia gamma phải mangkhỏinănglượng0,87896 pJ.Tiagamma khiđó bị Mặt Trời hấpthụ và chuyển hóa thành nhiệt. ♥ Tại sao năng lượng liên kết của 1 H chính xác bằng không ? Sự chuyển hóa khối lượng thành năng lượng và năng lượng thành khối lượng Nếu bạn cộngkhối lượng của ba hạtsinh ra trong phản ứng n→ p + e - + ν~, bạn sẽ thấy chúng không bằng với khối lượngcủaneutron,nên khối lượng không được bảo toàn. Một ví dụ còn hiển nhiên hơnnữa là sự hủy của một electronvới một positron, e - + e + → 2γ, trongđó khối lượng banđầubị triệt tiêu hoàn toàn,vì tiagamma khôngcó khối lượng.Sự không bảo toàn khối lượngkhông chỉ làmột tính chất của phản ứng hạt nhân. Nó cũngxảy ra trong các phản ứng hóa học, nhưng sự thay đổi khối lượng quánhỏ để phát hiện với những chiếccân thông thườngtrongphòng thí nghiệm. Lí dokhối lượngkhôngbảo toàn làkhối lượngđã chuyển hóa thành năng lượng, theophươngtrình nổi tiếngcủa Einstein, E =mc 2 , trong đó c là tốcđộ ánh sáng.Trong phản ứnge - + e + → 2γ, chẳng hạn, tưởngtượngcho đơn giản là electronvà positronđang chuyển độngrấtchậm khi chúng vachạm, nên chúng khôngcó nănglượng khởi đầu nàođáng kể. Chúng ta đang bắt đầu vớikhối lượng và khôngcó năng lượng,vàkết thúcvới haitia gammacó năng lượng nhưng không có khối lượng.Phươngtrình E= mc 2 của Einsteinchochúng ta biết hệ số chuyển đổi giữa khối lượng và năng lượngbằng với bình phương củatốcđộ ánh sáng. Vì c là một số rất lớn, nênnăng lượng tiêu hao hoặc giải phóngbởi mộtphảnứng hóa học chỉ lộ ra phần thayđổi nhỏ xíu ở khối lượng.Nhưngtrong phản ứnghạt nhân, phản ứng cómột lượng lớn năng lượng, sự thay đổi khối lượng cóthể nhiều lên tới một phần ngàn. Lưu ýlà trongngữ cảnh này,c khôngnhấtthiết là tốc độ của hạt nào. Chúng ta chỉ sử dụng giátrị bằng số của nó làm hệ số chuyển đổi. Cũngnên lưu ý làE = mc 2 khôngcó nghĩa là một vậtcó khốilượng mcó độngnăng bằngvới mc 2 , mànăng lượngmôtả bởi phươngtrìnhE = mc 2 là năng lượng bạncó thể giải phóngnếu bạnpháhủy một hạt và chuyểntoàn bộ khối lượng của nó thành năng lượng, và năng lượngđó sẽ cộng thêmvới động nănghay thế năng mà vậtcó. Bây giờ có phải chúng ta đã bị lừa lấy mấthai địnhluật bảo toàn hoànhảo mộtcáchtuyệtvời, địnhluậtbảo toàn khốilượngvà địnhluật bảo toàn năng lượng? Không,theo Einstein, đại lượngbảotoàn làE + mc 2 , không phải riêng Ecũng không phải riêng m. Đại lượngE +mc 2 được gọi là khối lượng-năng lượng, và từ trước đến nay không hề có sự vi phạm nàođối với định luật bảotoàn khốilượng-năng lượng đượcquan sátthấy. Trongđa số những tìnhhuống thựctế, hoàn toàn có thể xem khối lượngvà năng lượng lànhững đại lượng bảo toàn độc lập. Ngày nay,thật dễ dàng giải thích tạisao các protonđơn độc (hạt nhân hydrogen) được tìm thấy trongtự nhiên, nhưng neutron người ta chỉ gặp ở bên trong hạt nhân, chứ không thấy riênglẻ. Trong quá trình n → p + e - + v~, tổng khối lượng saucùngnhỏ hơn khốilượng neutron,nên khối lượngđã chuyển hóa thành năng lượng.Trong phânhủybeta của proton,p → n + e + + n, khốilượng saucùng lớn hơnkhối lượng ban đầu,nên cần phảicung cấp một số nănglượng để chuyển hóa thành khối lượng.Mộtproton nằm trong một nguyêntử hydrogen khôngthể phân hủy, vì nó không có nguồn cấp năng lượng. Chỉ những proton nằm bên trong hạt nhân có thể phân hủy, và chỉ khi nào sự chênh lệch thế năng giữa hạtnhân ban đầu vàhạt nhân mới gây ra sự giải phóngnăng lượng.Nhưngbấtkì neutronđơn độc nàođược tạo ra trongnhững phản ứngtự nhiên hoặc nhân tạo đều sẽ phân hủy trong vòng khoảngvàigiây, giảiphóngmột số năng lượng. Phương trình E= mc 2 xuất hiện tự nhiênnhư là mộtphần của thuyết tương đối đặcbiệt của Einstein,chúngta sẽ không nghiêncứu lí thuyết đó lúc này. Vấn đề chủ yếu ở đây chỉ là làm sáng tỏ xem khối lượng đã biến đi đâu trongmột số phản ứng hạt nhân mà chúngta nói tới. Hình v là một cách súc tích biểu diễn sự đa dạng của hạt nhân. Mỗi ô biểu diễn một số protonvàneutron nhất định. Ô màu đen là hạtnhân bền, tứclà cần cung cấp nănglượng để làmbiến đổi nó thành hạtnhân khác. Ô màu xám là toàn bộ những hạt nhân không bềnđã được nghiên cứu bằng thực nghiệm. Một số hạt nhânnày tồn tại trung bình hàng tỉ năm trước khi phânrã và đã được tìmthấy trong tự nhiên,nhưng một số có thời gian sống trungbìnhngắn hơn nhiều, và chỉ có thể tạo ra và nghiên cứutrong phòngthí nghiệm. v/ Những hạt nhân đã biết, biểu diễn trên biểu đồ số proton theo số neutron. Lưu ý hai hạt nhân ở hàng dưới cùng có không proton. Một hạt chỉ là một neutron đơn độc. Còn hạt kia là một cụm bốn neutron. “Tetraneutron” này đã được báo cáo, gây bất ngờ, là một hệ liên kết thu được từ một thí nghiệm năm 2002. Kết quả đó có thể gây tranh cãi. Nếu đúng, nó sẽ ngụ ý sự tồn tại của một loại vật chất từ trước đến nay không biết, đó là giọt neutron, chúng ta có thể nghĩ đó là một nguyên tử không có proton hay electron nào. Đường congmàcác hạt nhânbền nằm dọc theođó gọi làđường congổn định. Hạt nhân nằm dọc theođườngnày cótỉ lệ neutron trênprotonbền vững nhất. Đối với hạtnhân nhẹ, sự pha trộnbền nhất là khoảng 50 –50,nhưng chúng ta có thể thấynhững hạt nhânnặng bền cósố neutronnhiều hơnsố proton haihoặc ba lần. Đấy làdo lựcđẩy điện của tất cả các protontronghạt nhân nặngcộng lại thành một lựcmạnh có xu hướng làm nó vỡ ra.Sự có mặtcủa một số lượng lớnneutron làm tăng khoảngcách giữa các proton,và cũnglàm tăngsố lực hút do lực hạt nhân mạnh. . Bài giảng Điện học (Phần 13) 2.7 Sự nhiệt hạch Như chúngta đã thấy,hạt nhân nặngcó xuhướng tách ra vì mỗi proton. ngaykhi haimảnhđó cách nhau hơn1 fm, lực hạtnhânmạnh không còn làm cho hai mảnh hútnhau nữa.Lực đẩy điện khi đó gia tốcchúng,làm cho chúngthu đượcmột lượng lớn độngnăng. Sự giải phóng độngnăng này. vànhữngngôi sao khác. 2.8 Năng lượng hạt nhân và năng lượng liên kết Theo cách tươngtự như phảnứng hóahọc cóthể phân loại là tỏa nhiệt (giải phóngnăng lượng)eHeHHhaythu nhiệt (yêu cầu năng lượngđể phản