Đang tải... (xem toàn văn)
CHƯƠNG HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Dạng 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ I. Cấu tạo hạt nhân Hạt nhân cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn gọi là nuclôn. Có 2 loại nuclôn: + Proton (p) mang điện tích nguyên tố dương +e, có khối lượng mp = 1,007276u + Nơtron (n) không mang điện, có khối lượng mn = 1,008665u. Hạt nhân nguyên tử của nguyên tố có số thứ tự là Z trong bảng tuần hoàn Menđêleep có Z prôton và N nơtron, và số nuclôn trong hạt nhân là A = Z + N, với A gọi là số khối. Ký hiệu hạt nhân: Kích thước hạt nhân: Hạt nhân nguyên tử được xem như một quả cầu có bán kính R, được xác định bởi công thức: II. Đồng vị là các nguyên tố có cùng số prôton nhưng khác nhau về số nơtron dẫn đến số khối A khác nhau. Các nguyên tố đồng vị ở cùng 1 ô trong bảng HTTH và có cùng tính chất hoá học. Đồng vị chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ không bền. Ví dụ: các đồng vị của Hidro + Prôton: hidro nhẹ + Đơtêri: hidro nặng + Triti: hidro siêu nặng hay III. Khối lượng và năng lượng hạt nhân 1. Đơn vị khối lượng nguyên tử Đơn vị khối lượng nguyên tử (u) bằng 112 khối lượng của đồng vị phổ biến của nguyên tử
CHƯƠNG HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Dạng ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ I Cấu tạo hạt nhân - Hạt nhân cấu tạo từ hạt nhỏ gọi nuclôn Có loại nuclôn: + Proton (p) mang điện tích nguyên tố dương +e, có khối lượng mp = 1,007276u + Nơtron (n) không mang điện, có khối lượng mn = 1,008665u - Hạt nhân nguyên tử nguyên tố có số thứ tự Z bảng tuần hoàn Menđêleep có Z prôton N nơtron, số nuclôn hạt nhân A = Z + N, với A gọi số khối - Ký hiệu hạt nhân: ZA X - Kích thước hạt nhân: Hạt nhân nguyên tử xem cầu có bán kính R, xác định công thức: R = 1,2.10-15.A II Đồng vị nguyên tố có số prôton khác số nơtron dẫn đến số khối A khác Các nguyên tố đồng vị ô bảng HTTH có tính chất hoá học Đồng vị chia làm hai loại: đồng vị bền đồng vị phóng xạ không bền Ví dụ: đồng vị Hidro + Prôton: hidro nhẹ 11 p hay 11 H + Đơtêri: hidro nặng 12 D hay H + Triti: hidro siêu nặng 31T hay 13 H III Khối lượng lượng hạt nhân Đơn vị khối lượng nguyên tử - Đơn vị khối lượng nguyên tử (u) 1/12 khối lượng đồng vị phổ biến nguyên tử 12 C - Các đơn vị khối lượng: kg; u; MeV/c2 1u = 1,66055.10-27 kg = 931,5MeV/c2 Khối lượng lượng hạt nhân - Theo hệ thức Anhxtanh, vật có khối lượng m có lượng nghỉ: E = mc - Khối lượng lượng nghỉ không bảo toàn, lượng toàn phần bao gồm lượng nghỉ cộng với lượng thông thường bảo toàn Dạng PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG HẠT NHÂN I Phương trình phản ứng hạt nhân A1 Z1 X1 + A2 Z2 X2 → A3 Z3 X3 + A4 Z4 X4 Định luật bảo toàn số khối: Tổng số nuclôn hạt trước phản ứng sau phản ứng A1 + A2 = A3 + A4 Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số điện tích hạt trước phản ứng tổng đại số điện tích hạt sau phản ứng Z1 + Z2 = Z3 + Z4 Định luật bảo toàn động lượng: Tổng động lượng hạt trước phản ứng tổng động lượng hạt sau phản ứng p1 + p2 = p3 + p4 Định luật bảo toàn lượng toàn phần: Tổng lượng toàn phần hạt trước phản ứng tổng lượng toàn phần hạt sau phản ứng m1c2 + Wđ1 + m2c2 + Wđ2 = m3c2 + Wđ3 + m4c2 + Wđ4 Trong phản ứng hạt nhân bảo toàn khối lượng II Các loại tia phóng xạ α LOẠI TIA Bản chất Điện tích Lệch điện trường ,từ trường Tính chất chung tia Tính chất riêng Vận tốc Hạt He +2e Lệch (-) β Hạt electron ( −1 e ) γ Hạt pozitron ( +1 e ) -e +e Lệch (+) Lệch (-) Sóng điện từ có λ < 0,01nm (tức photon có lượng cao) o lệch không nhìn thấy; ion hóa môi trường; làm đen phim ảnh; gây pư hóa học; mang lượng Gây biến đổi cấu Gây biến đổi cấu trúc hạt nhân Không biến đổi hạt trúc hạt nhân nhân Khoảng 2.107 m/s Gần vận tốc ánh sáng vận tốc ánh sáng Mạnh tia β Yếu tia α Khả ion hóa môi trường Tầm bay xa khả Vài cm Vài mét không khí Đâm xuyên mạnh xuyên qua vật không khí Xuyên vài mm kim tia X ( vài mét chất Xuyên vài loại bêtông ,vài cm chì) µm vật rắn III Các phản ứng hạt nhân LOẠI Định nghĩa Đặc điểm chung Đặc điểm riêng PHÓNG XẠ Phương trình PỨ −λt *Hoàn toàn không phụ thuộc điều kiện * Hệ số nhân nơ tron sau phân hạch k ≥ *Nhiệt độ đến cỡ trăm triệu độ * Khối lương chất phân hạch không nhỏ * Mật độ hạt nhân plasma (n) phải đủ lớn * Thời gian trì trạng thái plasma (τ) phải đủ khối lượng tới hạn lớn A n + X → X* → Y + Z + kn (k = 1, 2, 3) H + 13 H → 24 He + 01n X → A − 4Y + He Phóng xạ α Z −2 Z Phóng xạ β Phóng xạ β + Năng lượng tỏa Ghi NHIỆT HẠCH Là trình phân hủy tự phát hạt Là vỡ hạt nhân nặng thành hạt Là trình hai hay nhiều hạt nhân nhẹ nhân không bền vững nhân trung bình (kèm theo vài nơtrôn phát hợp lại thành hạt nhân nặng ra) Có chất trình biến đổi hạt nhân Là phản ứng tỏa lượng - Không cần tương tác - Do tương tác nơtron chậm với hạt nhân - Năng lượng phát từ Mặt Trời từ hầu hết - Có tính tự phát không điều khiển nặng vũ trụ có nguồn gốc - Quá trình phân hạch X không trực tiếp lượng tổng hợp hạt nhân - Là trình ngẫu nhiên mà phải qua trạng thái kích thích X* - Con người chưa điều khiển phản ứng - Số lượng hạt nhân phóng xạ giảm - Có thể điều khiển - Chế tạo bom hidro theo hàm số mũ N = N e Điều kiện PHÂN HẠCH A Z A Z X→ X→ −1 0 Y + e+ ν A Z +1 n + 235 U →236 U* 92 92 95 39 → Y+ Y + 10 e + 00ν A Z −1 Mỗi phân hạch 138 53 - Quá trình tổng hợp Heli từ hiđrô: I +3 n 235 92 U tỏa lượng 212MeV k > 1: phản ứng dây chuyền không điều khiển được, sử dụng chế tạo bom nguyên tử k = 1: phản ứng dây chuyền điều khiển được, sử dụng nhà máy điện nguyên tử 11H → 24 He + 10 e + 00ν + 2γ 1 H + 12 H → 23 He Qtoả = 17,6MeV/ hạt nhân Dạng ĐỘ HỤT KHỐI NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT RIÊNG Xét hạt nhân: ZA X , có Z prôton N nơtron, A = Z + N Độ hụt khối (∆m) ∆m = Z.mp + (A - Z) mn - mX Trong đó: - mp: khối lượng proton mp = 1,0073u - mn: khối lượng notron mn = 1.0087u - mX: khối lượng hạt nhân X Năng lượng liên kết (∆E) ∆E = ∆m.c2 Năng lượng liên kết lượng để liên kết tất nulon tron hạt nhân Đơn vị (MeV) (J) 1MeV = 1,6.10-19J Năng lượng liên kết riêng Wlk = Năng lượng liên kết riêng lượng để liên kết nuclon hạt nhân Đơn vị (MeV/nuclon) Năng lượng liên kết riêng lớn hạt nhân bền Lực hạt nhân Lực hạt nhân lực tương tác mạnh, lực hấp dẫn hay lực điện từ mạnh nhiều so với lực Lực hạt nhân tác dụng phạm vi khoảng cách cỡ kích thước hạt nhân (10-15m) Dạng TÍNH NĂNG LƯỢNG TOẢ RA HAY THU VÀO CỦA MỘT PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Xét phản ứng hạt nhân A1 Z1 X1 + A2 Z2 X2 → A3 Z3 Tìm lượng phản ứng toả thu B1: Tính tổng khối lượng hạt trước phản ứng m0 = m1 + m2 B2: Tính tổng khối lượng hạt sau phản ứng m0 = m3 + m4 Khi đó: Nếu m0 > m: phản ứng toả lượng W = (m0 – m)c2 Nếu m0 < m: phản ứng thu lượng W = (m – m0)c2 X3 + A4 Z4 X4 Dạng BÀI TOÁN VỀ ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ * Số nguyên tử chất phóng xạ lại sau thời gian t - N = N t T = N e- l t * Số hạt nguyên tử bị phân rã số hạt nhân tạo thành số hạt (α e- e+) tạo thành: D N = N - N = N (1- e- l t ) * Khối lượng chất phóng xạ lại sau thời gian t - m = m0 t T = m0 e- l t Trong đó: N0, m0 số nguyên tử, khối lượng chất phóng xạ ban đầu , T chu kỳ bán rã l = ln2 0, 693 = T T số phóng xạ λ T không phụ thuộc vào tác động bên mà phụ thuộc chất bên chất phóng xạ * Khối lượng chất bị phóng xạ sau thời gian t D m = m0 - m = m0 (1- e- l t ) Dm = 1- e- l t * Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã: m0 Phần trăm chất phóng xạ lại : t m = T = e- l t m0 * Khối lượng chất tạo thành sau thời gian t : m1 = AN DN A A1 = (1- e- l t ) = m0 (1- e- l t ) NA NA A Trong đó: A, A1 số khối chất phóng xạ ban đầu chất tạo thành NA = 6,022.10-23 mol-1 số Avôgađrô Lưu ý: Trường hợp phóng xạ β+, β- A = A1 ⇒ m1 = ∆m * Độ phóng xạ H Là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu lượng chất phóng xạ, đo số phân rã giây - H = H t T = H e- l t = l N H0 = λN0 độ phóng xạ ban đầu Đơn vị : Becơren (Bq) ; 1Bq = phân rã/giây Curi (Ci) ; Ci = 3,7.10 10 Bq Lưu ý: Khi tính độ phóng xạ H, H0 (Bq) chu kỳ phóng xạ T phải đổi đơn vị giây (s)