Nguyễn Quang Đông. ĐH Thái Nguyên Mobile: 0974974888 40 4 Z Z XX XX++ 3. Phản ứng hạt nhân a. Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi của các hạt nhân, Phản ứng hạt nhân đợc chia làm hai loại: + Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác. X 1 X 2 + X 3 ; X 1 là hạt nhân mẹ, X 2 là hạt nhân con, X 3 là hạt hoặc + Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tơng tác với nhau thành các hạt nhân khác. ZZ 3 12 4 12 3 4 12 3 A AA A Trong số các hạt này có thể là hạt sơ cấp nh nuclôn, electrôn, phôtôn b. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân: + Bảo toàn số nuclôn (số khối): A 1 + A 2 = A 3 + A 4 + Bảo toàn điện tích (nguyên tử số): Z 1 + Z 2 = Z 3 + Z 4 + Bảo toàn động lợng: 1 2 3 4 11 22 43 44 mm m m p p p p hay v v v v+=+ + = + JJGJJGJJGJJGJGJGJGJG 4 X + Bảo toàn năng lợng toàn phần: 12 3 XX X K KEKK++=+ Trong đó: E là năng lợng phản ứng hạt nhân 2 1 2 X Km= xx v X h 2 là động năng chuyển động của hạt X Chú ý: - Không có định luật bảo toàn khối lợng. - Mối quan hệ giữa động lợng p X và động năng K X của hạt X là: 2 2 XX pmK= - Khi tính vận tốc v hay động năng K thờng áp dụng quy tắc hình bình hàn Ví dụ: 1 p pp=+ JGJJGJJG biết n 12 , p p = J JGJJG ( ) ( ) 2mv m v m v m m v v cos=+ + p J G 1 p J 222 12 12 2ppp ppcos=++ hay () 22 2 11 2 2 1 21 2 hay 11 2 2 1212 2mK m K m K m m K K cos=+ + Tơng tự khi biết n 11 , p p= JJGJG hoặc n 22 , p p= J JGJG Trờng hợp đặc biệt: 12 p p JJGJJG . Tơng tự khi 22 1 ppp=+ 2 2 1 p p J JGJG hoặc 2 p p JJGJG JG 2 p J JG v = 0 (p = 0) p 1 = p 2 11 2 22 1 2 1 K vm A K vmA == . Tơng tự v 1 = 0 hoặc v 2 = 0. - Năng lợng phản ứng hạt nhân: E = (M 0 - M)c 2 Trong đó: 1 0 X 2 X M mm=+ là tổng khối lợng các hạt nhân trớc phản ứng. 3 X 4 X M mm=+ là tổng khối lợng các hạt nhân sau phản ứng. Nguyễn Quang Đông. ĐH Thái Nguyên Mobile: 0974974888 41 4 X Chú ý: + Nếu M 0 > M thì phản ứng toả năng lợng E dới dạng động năng của các hạt X 3 , X 4 hoặc phôtôn . Các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn. + Nếu M 0 < M thì phản ứng thu năng lợng |E| dới dạng động năng của các hạt X 1 , X 2 hoặc phôtôn . Các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững. - Trong phản ứng hạt nhân 3 12 4 12 3 4 12 3 A AA A ZZ Z Z XX X++ Các hạt nhân X 1 , X 2 , X 3 , X 4 có: Năng lợng liên kết riêng tơng ứng là 1 , 2 , 3 , 4 . Năng lợng liên kết tơng ứng là E LK1 , E LK2 , E LK3 , E LK4 ; Độ hụt khối tơng ứng là m 1 , m 2 , m 3 , m 4 Năng lợng của phản ứng hạt nhân : E = A 3 3 +A 4 4 - A 1 1 - A 2 2 E = E LK3 + E LK4 E LK1 E LK2 E = (m 3 + m 4 - m 1 - m 2 )c 2 4. Hiện tợng phóng xạ: - Định nghĩa: Là quá trình phân huỷ tự phát của một hạt nhân không bền vững. Quá trình phân huỷ này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân huỷ gọi là hạt nhân mẹ. Hạt nhân đợc tạo thành sau phân huỷ gọi là hạt nhân con. - Các loại tia phóng xạ: Tia Tia Tia + Tia Tia Bản chất Ht nhõn nguyờn t He 4 2 P ụzitron hay electron dng, kớ hiu: hay . Thực chất của phóng xạ e 0 1 + + e + là một hạt prôtôn biến thành một hạt nơtrôn, một hạt pôzitrôn và một hạt nơtrinô: p ne v + + + Cỏc ờlectron, kớ hiu hay . Thực chất của phóng xạ e 0 1 e - là một hạt nơtrôn biến thành một hạt prôtôn, một hạt electrôn và một phản hạt nơtrinô: np + e + L súng in t cú bc súng rt ngn, cng l ht phụtụn cú nng lng cao. Hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích có mức năng lợng cao E 1 chuyển xuống mức năng lợng thấp E 2 đồng thời phóng ra một phôtôn có năng lợng: 12 hc hf E E = = = Điện tích + 2e + e - e 0 Tốc độ 2.10 7 m/s Gn bng tc ỏnh sỏng Bng tc ỏnh sỏng Khả năng ion hóa iụn húa mụi trng mnh cú kh nng iụn húa mụi trng nhng yu hn tia Khả năng ion hóa yếu Khả năng đâm xuyên khả năng đâm xuyên kém, quãng đờng đi đợc trong không khí cỡ 8cm Khả năng đâm xuyên mạnh, đi đợc vài mét trong không khí và vài mm trong kim loại có khả năng đâm xuyên lớn, đi đợc vài mét trong bê tông và vài centimét trong chì và rất nguy hiểm Nguyễn Quang Đông. ĐH Thái Nguyên Mobile: 0974974888 42 Quy tắc dịch chuyển 44 22 AA ZZ X He Y + So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng tuần hoàn và có số khối giảm 4 đơn vị 0 11 A A ZZ X eY + + So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 1 ô trong bảng tuần hoàn và có cùng số khối 0 11 A A ZZ X eY + + So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con tiến 1 ô trong bảng tuần hoàn và có cùng số khối. Trong phóng xạ không có sự biến đổi hạt nhân phóng xạ thờng đi kèm theo phóng xạ và 4. Định luật phóng xạ: - Số nguyên tử (hạt nhân) chất phóng xạ còn lại sau thời gian t: 0 00 k t N t T NN.2 N.e 2 === - Số hạt nguyên tử bị phân rã bằng số hạt nhân con đợc tạo thành và bằng số hạt ( hoặc e - hoặc e + ) đợc tạo thành: 00 (1 ) t NN NN e = = - Khối lợng chất phóng xạ còn lại sau thời gian t: 0 00 .2 . 2 t t T k m mm me === Trong đó: + N 0 , m 0 là số nguyên tử (hạt nhân), khối lợng chất phóng xạ ban đầu. + T là chu kỳ bán rã ln 2 T = là khoảng thời gian một nửa số hạt nhân phân rã. + ln2 0, 693 TT = = là hằng số phóng xạ, đặc trng cho chất phóng xạ đang xét. + và T không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài (nh nhiệt độ, áp suất ) mà chỉ phụ thuộc bản chất bên trong của chất phóng xạ. + k = t T : số chu kì bán rã trong thời gian t - Khối lợng chất bị phóng xạ sau thời gian t: 00 (1 ) t mm mm e = = - Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã: 0 1 t m e m = - Phần trăm chất phóng xạ còn lại: 0 2 t m t T e m == - Khối lợng chất mới đợc tạo thành sau thời gian t: 10 1 11 0 (1 ) (1 ) tt AA AN AN mA e me NN A === Trong đó: A, A 1 là số khối của chất phóng xạ ban đầu và của chất mới đợc tạo thành N A = 6,022.10 -23 mol -1 là số Avôgađrô. Chú ý: Trờng hợp phóng xạ + , - thì A = A 1 m 1 = m - 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 1 giây. Nguyễn Quang Đông. ĐH Thái Nguyên Mobile: 0974974888 43 0 00 .2 . 2 t t T k H HH He N ==== Với: H 0 = N 0 là độ phóng xạ ban đầu. Đơn vị: + Becơren (Bq) : 1Bq = 1 phân rã/giây ; Curi (Ci): 1 Ci = 3,7.10 10 Bq Chú ý: Khi tính độ phóng xạ H, H 0 (Bq) thì chu kỳ phóng xạ T phải đổi ra đơn vị giây(s). - ứng dụng của các đồng vị phóng xạ: trong phơng pháp nguyên tử đánh dấu, trong khảo cổ định tuổi cổ vật dựa vào lợng cacbon 14. 5. Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch: a. Phản ứng phân hạch: - Phản ứng phân hạch: một hạt nhân rất nặng khi hấp thụ một nơtron sẽ vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn, kèm theo 1 vài nơtrôn. Năng lợng tỏa ra trong phản ứng cỡ 210 MeV. Sự phân hạch của 1g 235 U giải phóng một năng lợng bằng 8,5.10 10 J tơng đơng với năng lợng của 8,5 tấn than hoặc 2 tấn dầu tỏa ra khi cháy hết. - Phản ứng dây truyền: Gọi k là hệ số nhân nơtrôn, là số nơtrôn còn lại sau 1 p. h.n đến kích thích các h.n khác. Khi k 1 xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền: + Khi k < 1, phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh. + Khi k = 1, phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lợng phát ra không đổi theo thời gian. + Khi k > 1, phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lợng phát ra tăng nhanh và có thể gây ra bùng nổ. - Khối lợng tới hạn: là khối lợng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì. Với 235 U khối lợng tới hạn cỡ 15 kg, với 239 Pu vào cỡ 5 kg. b. Phản ứng nhiệt hạch (phản ứng tổng hợp hạt nhân): - Hai hay nhiều hạt nhân rất nhẹ, có thể kết hợp với nhau thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, nên gọi là phản ứng nhiệt hạch. Con ngời mới chỉ thực hiện đợc phản ứng này dới dạng không kiểm soát đợc (bom H). - Điều kiện để phản ứng kết hợp hạt nhân xảy ra: + Phải đa hỗn hợp nhiên liệu sang trạng thái plasma bằng cách đa nhiệt độ lên tới 10 8 độ. + Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn + Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao phải đủ lớn. Nguyễn Quang Đông. ĐH Thái Nguyên Mobile: 0974974888 44 CHƯƠNG VIII. Từ vi mô đến vĩ mô I. Các hạt sơ cấp: 1. Thế giới vi mô, vĩ mô đợc sắp xếp theo kích thớc lớn dần: Hạt sơ cấp, hạt nhân nguyên tử, nguyên tử, phân tử, hành tinh, hệ Mặt Trời, thiên hà 2. Hạt sơ cấp: Là hạt có kích thớc và khối lợng nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử. - Các hạt sơ cấp gồm: phôtôn , electron e - , pôzitron e + , prôtôn p, nơtrôn n, nơtrinô . - Các hạt sơ cấp đợc chia làm ba loại: + phôtôn + Các leptôn: Có khối lợng từ 0 đến200 m e . Bao gồm: nơtrinô , electron e - , pôzitron e + , mêzôn à. + Các hađrôn: Có khối lợng trên 200m e . Đợc chia thành ba nhóm con: Mêzôn , K: Có khối lợng trên 200m e nhng nhỏ hơn khối lợng nuclôn. Nuclôn p, n. Hipêron: Có khối lợng lớn hơn khối lợng các nuclôn. Nhóm các nuclôn và hipêron còn đợc gọi là barion. - Tất cả các hađrôn đều đợc cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn, gọi là quac. Có 6 loại quac (kí hiệu là: u, d, s, c, b, t) cùng với 6 phản quac tơng ứng. Các quac có mang điện phân số: e 3 , 2e 3 . - Phần lớn các hạt sơ cấp đều tạo thành cặp gồm hạt và phản hạt. Phản hạt có cùng khối lợng nghỉ và spin nh hạt nhng các đặc trng khác có trị số bằng về độ lớn và trái dấu. - Chú ý: + Sắp xếp theo thứ tự tăng dần về khối lợng của các hạt sơ cấp đã biết: Phôtôn, leptôn, mêzôn và barion. + Các hạt sơ cấp là phôton, leptôn, hađrôn. + Hạt prôton có cấu tạo bởi các quac nên prôton có thể bị phá vỡ. 3. Bốn loại tơng tác cơ bản trong vũ trụ: mạnh, điện từ, yếu, hấp dẫn. - Tơng tác hấp dẫn: Là tơng tác giữa các hạt (các vật) có khối lợng khác không. Bán kính lớn vô cùng, lực tơng tác nhỏ. Ví dụ: Trọng lực, lực hút của TĐ và mặt trăng - Tơng tác điện từ: là tơng tác giữa các hạt mang điện và giữa phôtôn với các hạt mang điện. Bán kính lớn vô hạn, lực tơng tác mạnh hơn tơng tác hấp dẫn cỡ lần. 38 10 Tơng tác điện từ là bản chất của các lực Culông, lực điện từ, lực Lo ren, lực ma sát, lực liên kết hóa học - Tơng tác yếu các leptôn: Đó là tơng tác giữa các leptôn. Bán kính tác dụng rất nhỏ cỡ , lực tơng tác yếu hơn tơng tác hấp dẫn cỡ lần. Ví dụ: các quá trình phân rã 18 10 m 11 10 : p n + e + + v e ; n p + e - + ~ e v - Tơng tác mạnh: Là tơng tác giữa các hadrôn; không kể các quá trình phân rã của chúng. Bán kính tác dụng rất nhỏ cỡ , lực tơng tác yếu hơn tơng tác hấp dẫn cỡ lần. 15 10 m 2 10 Một trờng hợp riêng của tơng tác mạnh là lực hạt nhân. 4. Kích thớc của nguyên tử, hạt nhân, prôton lần lợt là: 10 -10 m, 10 -14 m, 10 -15 m. - Theo thứ tự kích thớc giảm dần: Phân tử > nguyên tử > hạt nhân > nuclôn > quac. . 1 p pp=+ JGJJGJJG biết n 12 , p p = J JGJJG ( ) ( ) 2mv m v m v m m v v cos=+ + p J G 1 p J 222 12 12 2ppp ppcos=++ hay () 22 2 11 2 2 1 21 2 hay 11 2 2 121 2 2mK m K m K m m K K cos=+. kích thích: là quá trình các hạt nhân tơng tác với nhau thành các hạt nhân khác. ZZ 3 12 4 12 3 4 12 3 A AA A Trong số các hạt này có thể là hạt sơ cấp nh nuclôn, electrôn, phôtôn b. Các. Các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững. - Trong phản ứng hạt nhân 3 12 4 12 3 4 12 3 A AA A ZZ Z Z XX X++ Các hạt nhân X 1 , X 2 , X 3 , X 4 có: Năng lợng liên kết riêng