Ôn tập phần Hạt nhân nguyên tử

1 Chủ đề 3 HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ  Vấn đề 1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử. Sự phóng xạ  Vấn đề 2. Phản ứng hạt nhân Khi quá trình sản xuất và xử lí chất thải được bảo đảm an toàn cao, nhà máy điện nguyên tử sẽ có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt nó có thể ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên. GV. Nguyễn Đức Hiệp 2 2 SỰ PHÓNG XẠ Kiến thức - Nêu được cấu tạo của hạt nhân nguyên tử và các đặc điểm của lực hạt nhân. - Nêu được độ hụt khối của hạt nhân là gì, viết được công thức tính độ hụt khối. - Nêu được hiện tượng phóng xạ là gì. Nêu được thành phần và bản chất của các tia phóng xạ. - Phát biểu được định luật phóng xạ và viết được hệ thức của định luật này. - Nêu được độ phóng xạ là gì và viết được công thức tính độ phóng xạ. - Nêu được ứng dụng của các đồng vị phóng xạ. Kĩ năng - Vận dụng được định luật phóng xạ và khái niệm độ phóng xạ để giải được các bài toán đơn giản về phóng xạ. A. CÁC VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT CƠ BẢN 1. CẤU TẠO HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ a. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử. Nuclôn Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ (bán kính cỡ 10 15 m) và được cấu tạo từ các prôtôn (mang một điện tích nguyên tố dương), và các nơtron (trung hòa về điện), gọi chung là nuclôn, liên kết với nhau bởi lực hạt nhân rất mạnh nhưng có bán kính tác dụng rất ngắn. Hạt Điện tích Khối lượng Prôtôn (p) Nơtron (n) +e 0  1,673.10 –27 kg  1,675.10 –27 kg VẤN ĐỀ 3 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử 3 Bán kính hạt nhân : r = (1,2.10 —15 m). 1 3 A , trong đó A là số nuclôn. b. Kí hiệu hạt nhân nguyên tử Hạt nhân của nguyên tố có nguyên tử số Z thì chứa Z prôtôn và N nơtron : A = Z + N (A gọi là số khối hay số nuclôn). Kí hiệu là A Z X . Điện tích hạt nhân bằng + Ze. c. Đồng vị Các nguyên tử, mà hạt nhân có cùng số prôtôn Z nhưng khác số nơtron N, gọi là các đồng vị. Ví dụ :  Hiđrô có 3 đồng vị là : 1 1 H (hiđrô thường) ; 2 1 H (hiđrô nặng hay đơteri 2 1 D ) ; 3 1 H (hiđrô siêu nặng hay triti 3 1 T ).  Urani có các đồng vị là : 234 235 92 92 U ; U và 238 92 U .  Cacbon có 3 đồng vị chính là : 12 13 66 C; C và 14 6 C . d. Đơn vị khối luợng nguyên tử Đơn vị khối lượng nguyên tử u có trị số bằng 1 12 khối lượng của đồng vị 12 6 C .  1 u = 1,66055.10 27 kg = 931,5 MeV/c 2 . Hạt nhân có số khối A thì có khối lượng xấp xỉ bằng A u. Khối lượng hạt nhân còn có thể đo bằng đơn vị MeV/c 2 . Ví dụ : m p = 1,00728 u ; m n = 1,00866 u ; m  = 4,0015 u.  Số Avôgađrô N A = 6,022.10 23 mol 1 là số nguyên tử chứa trong 1 mol nguyên tử.  Số nguyên tử có trong m (gam) chất : N = A m N A 2. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT a. Độ hụt khối Khối lượng của một hạt nhân bao giờ cũng bé hơn tổng khối lượng các GV. Nguyễn Đức Hiệp 4 4 nuclôn tạo thành hạt nhân đó, hiệu số m gọi là độ hụt khối của hạt nhân. m = [Zm p + (A  Z)m n ]  m b. Năng lượng liên kết. Năng lượng liên kết riêng Sự tạo thành hạt nhân tỏa năng lượng tương ứng W = m.c 2 , gọi là năng lượng liên kết của hạt nhân (vì muốn tách hạt nhân thành các nuclôn thì cần tốn năng lượng bằng W lk ). Năng lượng liên kết của hạt nhân : W lk = m.c 2 . Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân : lk W A Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng lk W A càng lớn thì càng bền vững. Năng lượng liên kết riêng lớn nhất cỡ 8,8 MeV/nuclôn (đó là các hạt nhân có số khối A trong khoảng từ 50 đến 95). c. Lực hạt nhân Lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân gọi là tương tác mạnh (lực hạt nhân). Loại tương tác này có bản chất khác với tương tác điện từ và tương tác hấp dẫn. 3. SỰ PHÓNG XẠ Hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác gọi là hiện tượng phóng xạ. Phóng xạ do các nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra và hoàn toàn không phụ thuộc vào các tác động ngoài. a. Thành phần các tia phóng xạ Hạt nhân bị phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. 5 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử 5 Hình 1.1. Các tia phóng xạ đi qua từ trường Thành phần tia phóng xạ gồm : ,  – ,  + , . Tia phóng xạ Bản chất Kí hiệu Tính chất  hạt nhân của heli 4 2 He phóng ra từ hạt nhân với tốc độ khoảng 2.10 7 m/s, có khả năng ion hoá môi trường mạnh, chỉ đi được tối đa khoảng 8 cm trong không khí và không xuyên qua được tờ bìa dày 1 mm.  – các êlectron 0 1 e  có tốc độ phóng ra xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng, có khả năng ion hoá môi trường yếu hơn tia , xuyên qua được lá nhôm dày cỡ milimét.  + các pôzitron 0 1 e   sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (ngắn hơn tia X), cũng là hạt phôtôn có năng lượng cao, khả năng xuyên thấu lớn hơn nhiều so với tia  và b.    Lá nhôm mỏng vài mm Tấm bìa dày vài mm Lá chì mỏng vài cm GV. Nguyễn Đức Hiệp 6 6 Hình 1.2. Minh hoạ khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ b) Chu kì bán rã T Chu kì bán rã T của một chất phóng xạ là thời gian sau đó số hạt nhân của một lượng chất ấy chỉ còn bằng 1/2 số hạt nhân ban đầu N 0 . Số hạt nhân N hoặc khối lượng m chất phóng xạ giảm với thời gian t theo định luật hàm số mũ : N(t) = N 0 e t ; m(t) = m 0 e t (hay : N(t) = N 0 2 t/T ; m(t) = m 0 2 t/T )  là hằng số phóng xạ, tỉ lệ nghịch với chu kì bán rã :  = ln 2 0,693 TT  c) Độ phóng xạ H Độ phóng xạ bằng số phân rã trong 1 giây. Nó cũng bằng số nguyên tử N nhân với . H giảm theo định luật phóng xạ giống như N : H(t) dN dt    H 0 e —t trong đó : H 0 = N 0 gọi là độ phóng xạ ban đầu. Đơn vị độ phóng xạ : Bq (1 Bq = 1 phân rã/s) Đơn vị khác : Ci 1 Ci = 3,7.10 10 Bq ; 1 Ci là độ phóng xạ ứng với số phân rã trong 1 giây của 1 g rađi). d) Các quy luật phóng xạ  Trong phân rã , hạt nhân con lùi hai ô trong bảng tuần hoàn so với hạt nhân mẹ : A A 4 Z Z 2 XY      Trong phân rã   hoặc  + hạt nhân con tiến hoặc lùi một ô : AA Z Z 1 XY     AA Z Z 1 XY     Ví dụ : 12 12 0 0 7 6 1 0 N C e        Hình 1.3 7 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử 7 ( 0 0  là hạt nơtrinô, khối lượng rất nhỏ, không tích điện, chuyển động với tốc độ ánh sáng) 0 14 14 0 0 6 7 1 C N e        ( 0 0  là phản hạt của nơtrinô)  Trong phân rã  hạt nhân không biến đổi mà chỉ chuyển xuống mức năng lượng dưới. Phóng xạ  thường đi kèm trong các phóng xạ ,   hoặc  + . e) Đồng vị phóng xạ và các ứng dụng Các đồng vị phóng xạ của cùng một nguyên tố hoá học có cùng tính chất hoá học như đồng vị bền của nguyên tố đó. Ứng dụng : Xác định tuổi cổ vật (gốc sinh vật), dùng trong phương pháp nguyên tử đánh dấu để theo dõi diễn biến bệnh lí của các bộ phận khác nhau của cơ thể, dùng trong nghiên cứu về biến đổi di truyền (lai tạo giống) B. PHƢƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN Dạng 1 : Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, đơn vị khối lƣợng nguyên tử Phƣơng pháp giải : Vận dụng các kiến thức sau : Hạt nhân của nguyên tố có nguyên tử số Z thì chứa Z prôtôn và N nơtron : A = Z + N (A gọi là số khối hay số nuclôn). Kí hiệu là A Z X. Ví dụ 1.1 : Xác định thành phần cấu tạo của các hạt nhân sau đây : a) Stronti 95 38 Sr. b) Platin 195 78 Pt. Hướng dẫn giải a) Hạt nhân stronti 95 38 Sr có cấu tạo gồm : Z = 38 prôtôn và N = A  Z = 95  38 = 57 nơtron. GV. Nguyễn Đức Hiệp 8 8 b) Hạt nhân platin 195 78 Pt có cấu tạo gồm : Z = 78 prôtôn và N = A  Z = 195  78 = 117 nơtron. Ví dụ 1.2 : Hạt nhân bền vững có số nuclôn lớn nhất là 209, trong khi hạt nhân có số nuclôn nhỏ nhất là 1. Nếu coi mỗi hạt nhân là một hình cầu thì tỉ lệ của diện tích mặt cầu (lớn nhất/ nhỏ nhất) của các hạt nhân này bằng bao nhiêu ? Hướng dẫn giải - Bán kính hạt nhân : r = (1,2.10 15 m). 1 3 A , trong đó A là số nuclôn. - Diện tích mặt cầu : S = 4r 2 = 4(1,2.10 15 m). 2 3 A ) Suy ra : max min 2 2 15 2 3 3 max 2 15 2 min 3 4 (1,2.10 ) A S 209 35,2. S1 4 (1,2.10 ) A           Ví dụ 1.3 : Giải thích vì sao 1 u  931,5 MeV/c 2 ? Hướng dẫn giải Ta có : 1 u = 1,66055.10 27 kg ; 1 eV = 1,6022.10 19 J. Năng lượng tương ứng với khối lượng 1 u bằng công thức : E = mc 2 . E = (1,66055.10 27 kg)(2,9979.10 8 m.s 1 ) 2 = 1,4924.10 10 J. hay : E = 10 -13 1,4924.10 J 1,6022.10 J/MeV   931,5 MeV. Suy ra : 1 u  931,5 MeV/c 2 . Dạng 2 : Độ hụt khối, năng lƣợng liên kết, năng lƣợng liên kết riêng Phƣơng pháp giải : Vận dụng các công thức sau : 9 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử 9 Độ hụt khối của hạt nhân A Z X : m = [Zm p + (A  Z)m n ]  m Năng lượng liên kết của hạt nhân W lk = m.c 2 . Năng lượng liên kết riêng lk W A (MeV/nuclôn). Lưu ý : Khối lượng hạt nhân bằng khối lượng của nguyên tử trừ đi khối lượng của các êlectron có trong nguyên tử đó : m hn = m nt  Zm e ; với m e = 0,000549 u Ví dụ 1.4 : Tính độ hụt khối của hạt nhân 12 6 C , 9 4 Be , 202 80 Hg. Biết khối lượng của prôtôn xấp xỉ bằng 1,00728 u, của nơtron xấp xỉ bằng 1,00866 u. Hạt nhân 9 4 Be có khối lượng là 9,0122 u ; khối lượng nguyên tử 12 6 C là 12,00000 u ; khối lượng nguyên tử 202 80 Hg là 201,970617 u. Hướng dẫn giải a) Khối lượng tổng cộng các nuclôn trong hạt nhân 9 4 Be : m 0 = Zm p + Nm n = 4(1,00728 u) + 5(1,00866 u) = 9,0724 u Độ hụt khối của hạt nhân 9 4 Be : m = m 0  m hn = 9,0724 u  9,0122 u = 0,0602 u. b) Khối lượng hạt nhân 12 6 C m hn = 12,00000 u  6m e = 12,00000 u  6(0,000549 u) = 11,996706 u. Khối lượng tổng cộng các nuclôn trong hạt nhân 12 6 C : m 0 = 6(1,00728 u) + 6(1,00866 u) = 12,09564 u. Độ hụt khối của hạt nhân 12 6 C : m = m 0  m hn = 0,09893 u. c) Khối lượng hạt nhân 202 80 Hg m hn = 201,970617u 80m e GV. Nguyễn Đức Hiệp 10 10 = 201,970617 u80(0,000549 u) = 201,926697 u. Khối lượng tổng cộng các nuclôn trong hạt nhân 202 80 Hg : m 0 = 80(1,00728 u) + 122(1,00866 u) = 203,63892 u. Độ hụt khối của hạt nhân 202 80 Hg : m = m 0  m hn = 1,712223 u. Ví dụ 1.5 : Tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của đồng vị 202 80 Hg . Cho biết độ hụt khối của hạt nhân 202 80 Hg là 1,712223 u; 1 u  931,5 MeV/c 2 . Hướng dẫn giải Năng lượng liên kết của hạt nhân 202 80 Hg : W lk = m.c 2 = 1,712223 u.c 2 = (1,712223 u)(931,5 MeV.u 1 )  1594,94 MeV. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 202 80 Hg : lk W A = 1594,94 202  7,90 MeV/nuclôn. Ví dụ 1.6 : Tính năng lượng liên kết của hạt nhân 16 8 O , biết rằng năng lượng liên kết riêng của 16 8 O là 8,00 MeV/nuclôn. Hướng dẫn giải Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 16 8 O : lk W A = 8,00 MeV/nuclôn. Suy ra năng lượng liên kết của hạt nhân 16 8 O : W lk = 16 nuclôn. 8,00MeV nucl«n = 128 MeV. [...]... liên kết 1 Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt A prôtôn và êlectron B nơtron và êlectron C êlectron và nuclôn D prôtôn và nơtron 2 Hạt nhân 3 4 5 6 7 16 235 92 U có A số nuclôn bằng 235 B số nơtron bằng 235 C số prôtôn bằng 143 D số nơtron bằng 92 Đơn vị khối lượng nguyên tử là A khối lượng của nguyên tử hiđrô B khối lượng của nguyên tử cacbon 12 C 1/12 khối lượng của nguyên tử cacbon 12 D 1 MeV/c2... 19 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử A Trong phóng xạ +, hạt nhân con có số khối không đổi B Trong phóng xạ , hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng hệ thống tuần hoàn C Phóng xạ  là phóng xạ đi kèm phóng xạ  và  D Thực chất của phóng xạ  là trong hạt nhân, một prôtôn biến đổi thành nơtron, pôzitron và một êlectron Một hạt nhân X sau khi hấp thụ một nơtron lại phát ra một êlectron và tự tách thành hai hạt. .. các nguyên tử mà hạt nhân của chúng có A cùng số Z B cùng số khối A C cùng số nơtron N D cùng khối lượng Hạt nhân nguyên tử 226 88 Ra có A 88 prôtôn và 226 nơtron B 226 prôtôn và 138 nơtron C 138 prôtôn và 88 nơtron D 88 prôtôn và 138 nơtron Nguyên tử oxi có khối lượng 15,999 u Trong một gam khí oxi có số phân tử oxi là A 6,023.1023 B 32.1023 C 1,88.1022 D 0,188.1020 Biết số Avôgađrô NA = 6,02.1023 hạt/ mol... 0,188.1020 Biết số Avôgađrô NA = 6,02.1023 hạt/ mol và khối lượng của hạt nhân bằng số khối của nó Số prôtôn có trong 0,27 g 27 Al là 13 A 6,826.1022 B 8,826.1022 C 9,826.1022 D 7,826.1022 17 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử Biết năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 8 37 17 Cl bằng 8,57 8 MeV/nuclôn ; c = 3.10 m/s Độ hụt khối lượng của hạt nhân A 0,3404 u  9 B 0,4325 u C 0,3545 u 37 17 Cl là D 0,6808 u Sự... 85 nguyên tử bị phân rã Xác định chu kì bán rã của 14 Si C1.19 Hạt nhân rađi 226 Ra phóng xạ anpha, tạo thành rađon 222 Rn Tính 88 88 năng lượng toả ra trong phản ứng phóng xạ này Biết khối lượng của rađi 226 Ra là 226,025406 u, của 222 Rn là 222,017574 u, của hạt nhân 88 88 4 2 He là 4,002603 u 15 GV Nguyễn Đức Hiệp 16 D CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM  Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Năng lƣợng liên kết 1 Hạt nhân. .. xạ tạo thành một hạt nhân Y Chứng tỏ rằng nếu hiện nay trong mẫu chất đó tỉ lệ với số nguyên tử của chất Y và chất X là k thì tuổi của mẫu chất được xác định theo hệ ln(1  k) thức sau : t = T ln 2 31 C1.18 Silic 14 Si là chất phóng xạ, phát ra hạt  và biến thành hạt nhân X a) Viết phương trình phân rã 31 b) Ban đầu, trong thời gian 5 phút, một mẫu chất phóng xạ 14 Si có 190 nguyên tử bị phân rã Nhưng... thẳng là tia  (không mang điện) - 12 Tia X bị lệch về phía bản dương là tia  (êlectron) Tia Z bị lệch về phía bản âm (độ lệch ít hơn so với tia X) là tia  (hạt anpha mang điện dương và có khối lượng lớn hơn so với êlectron) Ôn tập Hạt nhân nguyên tử 13 Ví dụ 1.11 : Sơ đồ trên Hình 1.5 mô tả tia phóng xạ phóng ra từ một đồng vị phóng xạ đi qua một từ trường đều có đường sức từ vuông góc với mặt phẳng... lượng nguyên tử của hạt nhân 16 8 16 8 O là 15,9949 u Tính năng lượng liên kết O C1.5 Ban đầu có 5 g Radon ( 222 Rn ) là chất phóng xạ có chu kì bán rã là 86 3,8 ngày Tính số nguyên tử còn lại sau thời gian 9,5 ngày C1.6 Biết độ hụt khối của của 56 26 56 26 Fe là 0,5285 u Tính năng lượng liên kết riêng Fe C1.7 Biết khối lượng của prôtôn là mp = 1,0073 u, của nơtron là mn = 1,0087 u và của hạt nhân. ..11 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử Ví dụ 1.7 : Biết tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.10 8 m/s Theo hệ thức Anh-xtanh giữa năng lượng và khối lượng thì vật có khối lượng 0,005 g có năng lượng nghỉ bằng bao nhiêu ? Hướng dẫn giải Năng lượng nghỉ : E = mc2 = 5.10—6 kg.(3.108 m/s)2 = 4,5.1011 J Dạng 3 : Định luật phóng xạ Phƣơng pháp giải : Vận dụng các công thức sau : N(t) = N0et... bằng gỗ biết rằng độ phóng xạ của nó bằng 86% độ phóng xạ của một mẫu gỗ cùng khối lượng và vừa mới chặt Biết chu kì bán rã của 14C là T = 5 730 năm C1.13 Hạt nhân 14 14 6 C là chất phóng xạ có chu kì bán rã là T = 5 730 năm 15 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử Một lượng chất phóng xạ của một mẫu 14 C sau thời gian bao lâu chỉ 6 còn bằng 25% lượng chất phóng xạ ban đầu của mẫu đó ? C1.14 Hiện nay trong quặng . ĐỀ 3 Ôn tập Hạt nhân nguyên tử 3 Bán kính hạt nhân : r = (1,2.10 —15 m). 1 3 A , trong đó A là số nuclôn. b. Kí hiệu hạt nhân nguyên tử Hạt nhân của nguyên tố có nguyên tử số Z. CẤU TẠO HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ a. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử. Nuclôn Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ (bán kính cỡ 10 15 m) và được cấu tạo từ các prôtôn (mang một điện tích nguyên tố. BÀI TẬP CƠ BẢN Dạng 1 : Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, đơn vị khối lƣợng nguyên tử Phƣơng pháp giải : Vận dụng các kiến thức sau : Hạt nhân của nguyên tố có nguyên tử số Z thì chứa Z prôtôn