CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 1.Cấu tạo hạt nhân nguyên tử -Hạt nhân được kí hiệu: X A Z A: số nuclon (bằng số proton + số notron) Z :số prôtôn => số nơtron: N = A-Z - Prôtôn: kí hiệu : p 1 1 mang điện tích +1,6.10 -19 C - Nơtron: kí hiệu : n 1 0 không mang điện tích - Điện tích hạt nhân : q = Z.1,6.10 -19 (C) 2.Đồng vị: Những nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn nhưng khác nhau số nơtron gọi là các đồng vị 3.Bán kính hạt nhân -Bán kính hạt nhân được xác định theo biểu thức 1 15 3 1,2.10 .R A − = (m). Vậy thể tích hạt nhân tỉ lệ với số khối 4.đơn vị khối lượng nguyên tử + Đơn vị khối lượng nguyên tử là khối lượng của 12 1 đơn vị đồng vị Cacbon C 12 6 + Kí hiệu đơn vị khối lượng nguyên tử là u + 1u =1,66055.10 -27 kg = 931,5MeV/c 2 + m p = 1,007276u ≈ 1,0073u + m n = 1,00866u ≈ 1,0087u 5.Khối lượng và năng lượng hạt nhân -Mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng nghỉ thể hiện qua biểu thức của Anhxtanh E = m.c 2 m: khối lượng của vật (kg) c = 3.10 8 m/s 6.Lực hạt nhân -Lực tương tác giữa các nuclon gọi là lực hạt nhân hay tương tác hạt nhân, tương tác mạnh -Lực hạt nhân không cùng bản chất với lực tĩnh điện, tương tác hấp dẫn, nó là loại lực truyền tương tác giữa các nuclon trong hạt nhân. -Lực hạt nhân chỉ tồn tại trong phạm vi kích thước hạt nhân nguyên tử (cỡ 10 -15 m). 7.Độ hụt khối của hạt nhân -Xét hạt nhân X A Z có khối lượng m hn , khối lượng của prôtôn là m p , khối lượng của nơtron là m n -Độ hụt khối của hạt nhân được tính theo biểu thức: [ ( ) ] p n hn m Zm A Z m m∆ = + − − - Khối lượng của hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclon trước khi tạo thành hạt nhân. 8.Năng lượng liên kết Năng lượng liên kết của hạt nhân -Muốn phá vỡ hạt nhân thành các nuclon riêng biệt thì cần cung cấp cho nó một năng lượng [ ] 2 )( cmmZAZmW xnplk −−+= . Hay W lk = 2 .cm∆ Với c = 3.10 8 m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không. Năng lượng liên kết riêng -Năng lượng liên kết tính cho một nuclon là năng lượng liên kết riêng: A W lk -Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho tính bềnh vững của hạt nhân (Hạt nhân có số nuclon khoảng từ 50-95 là những hạt nhân bềnh vững. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng chừng 8,8MeV là bền vững) 9.Phản ứng hạt nhân Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân -Có hai loại phản ứng hạt nhân +Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác (VD sự phóng xạ): CBA A Z A Z A Z 3 3 2 2 1 1 +→ Trong đó A là hạt nhân mẹ, B là hạt nhân con. C là các tia phóng xạ +Phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau và biến đổi thành các hạt nhân khác (VD phản ứng phân hạch, nhiệt hạch) : DCBA A Z A Z A Z A Z 4 4 3 3 2 2 1 1 +→+ Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Định luật bảo toàn số nuclon (Bảo toàn số khối A) : A 1 + A 2 = A 3 + A 4 Định luật bảo toàn điện tích (Nguyên tử số Z): Z 1 + Z 2 = Z 3 + Z 4 Định luật bảo toàn động lượng: 1 2 3 4 p p p p + = + uur uur uur uur hay 1 2 3 4 . . . .m v m v m v m v + = + ur uur ur uur Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần Năng lượng toàn phần của hạt nhân bao gồm năng lượng nghỉ và động năng +Năng lượng nghỉ E i = m i .c 2 +Động năng: 2 . 2 i i i m v K = -Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần. E 1 + E 2 = E 3 + E 4 hay (m 1 + m 2 ).c 2 + K 1 + K 2 = (m 3 + m 4 ).c 2 + K 3 + K 4 Chú ý không có định luật bảo toàn khối lượng Năng lượng của một phản ứng hạt nhân(W) Xét phản ứng hạt nhân: DCBA A Z A Z A Z A Z 4 4 3 3 2 2 1 1 +→+ W = (m trước – m sau )c 2 0 ≠ m trước = m A + m B : khối lượng các hạt nhân trước phản ứng. m sau : = m C + m D : khối lượng các hạt nhân sau phản ứng. + Nếu m trước > m sau : phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng. + Nếu m trước < m sau : phản ứng hạt nhân thu năng lượng. 10.Phóng xạ. Định nghĩa: Phóng xạ là quá trình tự phân hủy hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). Quá trình này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bực xạ điện từ. Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con. Các loại phóng xạ Phóng xạ alpha( α ) -Phương trình phóng xạ: HeYX A Z A Z 4 2 4 2 +→ − − -Đặc điểm của phóng xạ alpha +Tia alpha là dòng các hạt nhân của nguyên tử He 4 2 +Tốc độ của chùm alpha khoảng chừng 2.10 7 m/s +Quãng đường đi trong không khí chừng vài xentimet và trong vật rắn chừng vài micromet +Bị lệch trong điện trường và từ trường. Phóng xạ bê ta trừ ( ) β − -Phương trình phóng xạ: 0 0 1 1 0 A A Z Z X Y e ν + − → + + -Đặc điểm của phóng xạ bêta trừ +Tia ( ) β − là chùm hạt electron +Tốc độ chùm tia ( ) β − bằng tốc độ ánh sáng trong chân không +Chùm tia ( ) β − bị lệch trong điện trường và từ trường. +Quãng đường đi của tia ( ) β − có thể đi được vài mét trong không khí và chừng vài milimet trong kim loại +Bản chất của phóng xạ ( ) β − 1 1 0 0 0 1 1 0 n p e ν − → + + Phóng xạ bê ta cộng ( ) β + -Phương trình phóng xạ + 0 0 1 1 0 A A Z Z X Y e ν − → + + -Đặc điểm của phóng xạ bêta cộng +Tia ( ) β + là chùm hạt pôzitron là phản hạt của hạt electron +Tốc độ chùm tia ( ) β + bằng tốc độ ánh sáng trong chân không +Chùm tia ( ) β + bị lệch trong điện trường và từ trường. +Quãng đường đi của tia ( ) β + có thể đi được vài mét trong không khí và chừng vài milimet trong kim loại +Bản chất của phóng xạ ( ) β + 1 1 0 0 1 0 1 0 p n e ν → + + Phóng xạ gama -Trong phóng xạ β - và β + , hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích → sang trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và phát ra bức xạ điện từ γ, còn gọi là tia γ. E 2 – E 1 = hf - Phóng xạ γ là phóng xạ đi kèm phóng xạ alpha, β - và β + . - Tia γ đi được vài mét trong bêtông và vài cm trong chì. - Tia γ không bị lệch trong điện trường và từ trường. Định luật phóng xạ -Đặc tính của quá trình phóng xạ +Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân. +Có tính tự phát và không điều khiển được. +Là một quá trình ngẫu nhiên. -Định luật phân rã phóng xạ +Xét một mẫu phóng xạ ban đầu. + N 0 số hạt nhân ban đầu. + N số hạt nhân còn lại sau thời gian t. 0 0 2 t t T N N N e λ − = = Trong đó λ là một hằng số dương gọi là hằng số phân rã, đặc trưng cho chất phóng xạ đang xét. + Chu kì bán rã là thời gian qua đó số lượng các hạt nhân còn lại 50% (nghĩa là phân rã 50%). ln 2 0.693 T λ λ = = -Khối lượng chất phóng xạ tại thời điểm t: 0 0 2 t t T m m m e λ − = = -Biểu thức tính số lượng hạt nhân trong m(g) chất phóng xạ A N N m A = +m(g): khối lượng chất phóng xạ +N A : Số hạt nhân trong 1mol chất (Số Avogadro = 6,023.10 23 hạt/mol) +A: nguyên tử gam chất (g) Độ phóng xạ -Độ phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của chất phóng xạ. Được đo bằng số phân rã trong một đơn vị thời gian. -Biểu thức tính độ phóng xạ tại thời điểm t H = N. λ = 0 0 2 t t T H H H e λ − = = (H 0 = 0 .N λ ) -Đơn vị độ phóng xạ là Beccoren: 1Bq =1 phân rã /1s. Ngoài ra còn dùng Curi : 1Ci = 3,7.10 10 Bq 11.Phân hạch hạt nhân Định nghĩa: Là phản ứng một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân trung bình (kèm theo một vài nơtron phát ra). -Phản ứng phân hạch tự phát (xảy ra với xác xuất nhỏ) -Phản ứng phân hạch kích thích Phân hạch kích thích -Sự phân hạch là hiện tượng một hạt nhân (loại rất nặng ví dụ như hạt nhân 92 235 U, 92 238 U) Hấp thụ một nơtron rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình. Nơtron chậm có động năng tương đương với động năng trung bình của chuyển động nhiệt (dưới 0,01eV) dễ bị hấp thụ hơn nơtron nhanh. -Sự phân hạch thường sinh ra một số (2-3 nơtron) và tỏa ra một năng lượng rất lớn vào khoảng 200MeV đối với hạt nhân 92 235 U -Phương trình phân hạch 92 92 235 236 1 * ' 1 0 ' 0 200 A A Z Z U n U X Y k n MeV+ → → + + + Phân hạch dây chuyền Định nghĩa -Một phần số nơtron sinh ra trong phân hạch hạt nhân bị mất mát do nhiều nguyên nhân như: thoát ra ngoài, bị vật chất khác hấp thụ, nhưng nếu sau mổi phân hạch còn lại trung bình k nơtron gây ra được sự phân hạch mới, với k >1 thì k nơtron này lại tiếp tục bắn phá hạt nhân 92 235 U, lại gây ra k phản ứng và sinh ra k 2 nơtron…Vậy tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền. Điều kiện để có phản ứng dây chuyền -Nếu k<1 thì phản ứng dây chuyền không xả ra. -Nếu k=1 thì hệ thống này là hệ thống tới hạn. Phản ứng hạt nhân dây chuyền xảy ra, năng lượng không đổi và kiểm soát được -Nếu k>1 thì hệ thống vượt hạn. Năng lượng phản ứng tăng vọt và không kiểm soát được. *Số nơtron bị mất vì thoát ra ngoài (tỉ lệ với diện tích mặt ngoài khối Uranium). So với nơtron sinh ra (tỉ lệ với thể tích của khối) càng nhỏ nếu khối lượng Uranium càng lớn. Khối lượng này phải đạt đến một giá trị tối thiểu, gọi là khối lượng tới hạn, thì mới có k>=1 12. Phản ứng nhiệt hạch. Định nghĩa: Là những phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt hân nhẹ kết hợp lại thành một hạt hân nặng hơn. + → + + 2 3 4 1 1 1 2 0 17,6H H He n MeV Điều kiện để có phản ứng nhiệt hạch Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn và thời gian duy trì trạng thái plasma (τ) ở nhiệt độ cao (khoảng từ 50 đến 100 triệu độ) phải đủ lớn. 14 16 3 (10 10 ) s n cm τ ≥ ÷ Năng lượng nhiệt hạch: Năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng nhiệt hạch thì không lớn bằng năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng phân hạch, nhưng nếu so sánh trên cùng khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn rất nhiều so với năng lượng trong phản ứng phân hạch. Phản ứng nhiệt hạch trên các sao trong vũ trụ -Năng lượng nhiệt nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các vì sao. -Phản ứng nhiệt hạch trên các sao trong vũ trụ chủ yếu là quá trình tổng hợp hêli và hiđrô Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất: - Con người mới chỉ thực hiện được phản ứng nhiệt hạch không kiểm soát (bom H) - Con người đang nghiên cứu để tạo ra phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát vì năng lượng tỏa ra nhiều, nguồn nhiên liệu có trong thiên nhiên gần như vô tận và chất thải không gây ô nhiễm môi trường. . của hạt nhân (Hạt nhân có số nuclon khoảng từ 50-95 là những hạt nhân bềnh vững. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng chừng 8,8MeV là bền vững) 9.Phản ứng hạt nhân Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân. nhân là quá trình biến đổi hạt nhân -Có hai loại phản ứng hạt nhân +Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác (VD sự phóng xạ):. CBA A Z A Z A Z 3 3 2 2 1 1 +→ Trong đó A là hạt nhân mẹ, B là hạt nhân con. C là các tia phóng xạ +Phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau và biến đổi thành các hạt nhân khác (VD phản