HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 CẤU TẠO HẠT NHÂN, ĐỘ HỤT KHỐI HẠT NHÂN I CẤU TẠO HẠT NHÂN Cấu tạo hạt nhân * Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ hạt nhỏ gọi nuclơn Có hai loại nuclơn: - Prơtơn kí hiệu p mang điện tích ngun tố dương - Nơtrơn kí hiêu n khơng mang điện tích * Một ngun tố có ngun tử số Z thì: - vỏ nguyên tử có Z electron - hạt nhân có N nơtron Z prôtôn * Tổng số A = Z + N gọi số khối hay số nuclon * Một nguyên tử hay hạt nhân nguyên tố X kí hiệu là: AZ X Ví dụ Hạt nhân 23 11 Na có 11 proton (23 – 11) = 12 notron Đồng vị Đồng vị nguyên tử mà hạt nhân chứa số prôtôn Z có số nơtron N khác nên số khối A khác Ví dụ Hiđrơ có đồng vị : hiđrô thường 11 H ; đơteri 21 H (hay 21 D ) triti 31 H (hay 31T ) Lực hạt nhân Lực tương tác nuclôn gọi lực hạt nhân (tương tác hạt nhân hay tương tác mạnh) Lực hạt nhân có tác dụng liên kết nuclôn với Đặc điểm: * Lực hạt nhân khơng phải lực tĩnh điện, khơng phụ thuộc vào điện tích nuclơn * Lực hạt nhân loại lực truyền tương tác nuclơn hạt nhân, có cường độ lớn, gọi lực tương tác mạnh * Lực hạt nhân phát huy tác dụng phạm vi kích thước hạt nhân (khoảng 10-15m) II KHỐI LƯỢNG HẠT NHÂN Đơn vị khối lượng hạt nhân Trong vật lí hạt nhân, khối lượng thường đo đơn vị khối lượng nguyên tử Kí hiệu u Theo định nghĩa, u có trị số 1u = khối lượng đồng vị cacbon 12 12 C 1 12 mC = (gam) ≈ 1,66.1027 kg 23 12 12 6,023.10 Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 ♥ Chú ý: Khối lượng nuclon tính theo đơn vị u thường dùng mp = 1,0073u mn = 1,0087u Khối lượng lượng hạt nhân Theo Anh-xtanh, lượng E khối lượng m tương ứng vật luôn tồn đồng thời tỉ lệ với nhau, hệ số tỉ lệ c2 theo biểu thức: E = mc2 c tốc độ ánh sáng chân khơng có giá trị c = 3.108m/s Khi 1uc2 = 931,5 MeV → 1u = 931,5 MeV/c2 MeV/c2 coi đơn vị khối lượng hạt nhân ♥ Chú ý: * Một vật có khối lượng m0 trạng thái nghỉ chuyển động với vận tốc v, khối lượng tăng lên thành m với m = m0 1- v2 c2 Trong m0: khối lượng nghỉ m khối lượng động * Năng lượng động: E = mc m0c2 1- v2 c2 Trong đó: E0 = m0c2 gọi lượng nghỉ E – E0 = (m – m0)c2 động vật III ĐỘ HỤT KHỐI, NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN Độ hụt khối * Xét hạt nhân AZ X có Z proton N notron, nuclon chưa liên kết để tạo thành hạt nhân khối lượng hạt nhân khối lượng nuclon, có giá trị m0 = Z.mp + (A - Z).mn * Sau nuclon liên kết hạt nhân có khối lượng m, thực nghiệm chứng tỏ m < m0 Đại lượng Δm = m0 – m, gọi độ hụt khối hạt nhân Từ ta có: Δm = (Z.mP + N.mn ) - m Năng lượng liên kết hạt nhân a) Năng lượng liên kết hạt nhân Theo thuyết tương đối, hệ nuclơn ban đầu có lượng E0 = [Zmp + (A – Z)mn]c2 Còn hạt nhân tạo thành từ chúng có lượng E = mc < E0 Vì lượng toàn Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 phần bảo toàn, nên có lượng lượng WLK = E0 – E = Δm.c2 tỏa hệ nuclôn tạo nên hạt nhân Ngược lại, muốn tách hạt nhân thành nuclơn riêng rẽ, có tổng khối lượng Zmp + N.mn > m, ta phải tốn lượng WLK = Δm.c2 để thắng lực tương tác chúng WLK lớn tốn nhiều lượng để phá vỡ liên kết nuclơn Vì vậy, đại lượng WLK = Δm.c2 gọi lượng liên kết nuclôn hạt nhân, hay gọn hơn, lượng liên kết hạt nhân Ta có: WLK = Δm.c2 = (m0 - m).c2 = Z.mp + N.mn - m c2 b) Năng lượng liên kết riêng Là lượng liên kết tính cho nuclơn, kí hiệu ε cho công thức: ε= WLK A Đặc điểm: Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho bền vững hạt nhân Hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn bền vững Chú ý: Các hạt nhân có số khối A khoảng: 50 70: bền HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠợp theo dõi giảng với tài I SỰ PHĨNG XẠ Hiện tượng phóng xạ a) Khái niệm Hiện tượng hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, đồng thời phát tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác gọi tượng phóng xạ b) Đặc điểm * Có chất trình biến đổi hạt nhân * Có tính tự phát khơng điều khiển * Là trình ngẫu nhiên Các tia phóng xạ Các tia phóng xạ thường kèm phóng xạ hạt nhân Có loại tia phóng xạ có chất khác tia anpha (ký hiệu α), tia beta(hí hiệu β), tia gamma(kí hiệu γ) Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 Các tia phóng xạ tia khơng nhìn thấy được, có tác dụng kích thích số phản ứng hóa học, ion hóa chất khí… a) Phóng xạ α - Tia α thực chất hạt nhân nguyên tử Heli, hí hiệu 42 He Phương trình phóng AZ X A-4 Z-2Y + He α Dạng rút gọn: AZ X A-4 Z-2Y - Trong khơng khí, tia α chuyển động với vận tốc khoảng 107 m/s Đi chừng vài cm khơng khí(tối đa cm) chừng vài μm vật rắn, không xuyên qua bìa dày mm b) Phóng xạ β - Tia β hạt phóng xạ phóng xa với tốc độ lớn (xấp xỉ tốc độ ánh sáng), làm ion hóa khơng khí yếu tia α Trong khơng khí tia β qng đường dài vài mét kim loại vài mm Có hai loại phóng xạ β β+ β– * Phóng xạ β–: Tia β– thực chất dòng electron 10 e A Y + -10 e + v Phương trình phân rã β– có dạng: AZ X Z+1 Thực chất phân rã β– sinh hạt sơ cấp (gọi hạt phản notrino) * Phóng xạ β+: Tia β+ thực chất dòng electron dương 10 e A Y + 01 e + 00 v Phương trình phân rã β+ có dạng: AZ X Z-1 Thực chất phân rã β+ sinh hạt sơ cấp (gọi hạt notrino) Chú ý: Các hạt notrino phản notrino hạt không mang điện, có khối lượng chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng c) Phóng xạ γ: * Tia γ sóng điện từ có bước sóng ngắn, hạt phơtơn có lượng cao, thường kèm cách phóng xạ α, β+ β– * Tia γ có khả xuyên thấu lớn nhiều so với tia α β II ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 Định luật phóng xạ Sau khoảng thời gian xác định T nửa số hạt nhân có bị phân rã, biến đổi thành hạt nhân khác, T gọi chu kì bán rã chất phóng xạ Gọi N0 số hạt nhân lúc ban đầu, N số hạt nhân lại thời điểm t Sau t = T số hạt nhân lại N0/2 Sau t = 2T số hạt nhân lại N0/4 Sau t = 3T số hạt nhân lại N0/8 t N0 -k T Sau t = k.T số hạt nhân lại k = N0 = N0 2 Vậy số hạt nhân lại thời điểm t có liên hệ với số hạt nhân ban đầu theo hệ thức - t N(t) = N0 T , có dạng phương trình mũ Áp dụng cơng thức logarith ta có x = a loga x =e lnx - t T 2 = e - t ln2 T =e t - ln2 T =e -t ln2 T t ln2 0,693 T Đặt λ = = = e-λt , T T Khi N(t) = N0 e-λt (1) Do khối lượng tỉ lệ với số hạt nhân nên từ (1) ta tìm phương trình biểu diễn quy luật - t T giảm theo hàm mũ khối lượng chất phóng xạ m(t) = m0 = m0e- λt , (2) Các công thức (1) (2) biểu thị định luật phóng xạ Vậy q trình phóng xạ số hạt nhân khối lượng giảm theo quy luật hàm mũ Chú ý: * Phương trình liên hệ khối lượng hạt nhân (m) số hạt nhân (N) N= m N.A N A m = A NA * Số hạt nhân bị phân rã, kí hiệu ΔN, tính cơng thức - ΔN = N0 - N = N0 1- T = N0 1- e-λt Tương tự, khối lượng hạt nhân phân rã Δm = m0 - m = m0 1- T = m0 1- e-λt - t * Khi thời gian phân rã (t) tỉ lệ với chu kỳ bán rã (T) ta sử dụng công thức N t = N0 T , - Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ƠN THI THPT QUỐC GIA 2017 thời gian t không tỉ lệ với chu kỳ T ta sử dụng cơng thức N t = N0e- λt * Trong phóng xạ khơng có bảo tồn khối lượng mà có bảo toàn số hạt nhân Tức là, số hạt nhân tạo thành số hạt nhân mẹ phân rã Khi ta có ΔNX = NY mY = NY ΔN A Y = A Y NA NA Đồng vị phóng xạ ứng dụng a) Đồng vị phóng xạ Đặc điểm đồng vị phóng xạ nhân tạo nguyên tố hóa học chúng có tính chất hóa học đồng vị bền nguyên tố b) Các ứng dụng đồng vị phóng xạ * Nguyên tử đánh dấu Nhờ phương pháp nguyên tử đánh dấu, người ta biết xác nhu cầu với nguyên tố khác thể thời kì phát triển tình trạng bệnh lí phận khác thể, thừa thiếu nguyên tố * Sử dụng phương pháp xác định tuổi theo lượng Cacbon 14 để xác định niên đại cổ vật khai quật PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Định nghĩa Phản ứng hạt nhân trình biến đổi hạt nhân dẫn đến biến đổi chúng thành hạt khác X1 + X2 → X3 + X4 X1, X2 hạt tương tác, X3, X4 hạt sản phẩm Nhận xét: Sự phóng xạ: A→ B + C dạng phản ứng hạt nhân, A hạt nhân mẹ, B hạt nhân C hạt α β Một số dạng phản ứng hạt nhân: a Phản ứng hạt nhân tự phát - Là trình tự phân rã hạt nhân không bền vững thành hạt nhân khác b Phản ứng hạt nhân kích thích - Q trình hạt nhân tương tác với tạo hạt nhân khác c Đặc điểm phản ứng hạt nhân: Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 * Biến đổi hạt nhân * Biến đổi ngun tố * Khơng bảo tồn khối lượng nghỉ Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: A1 Z1 X1 + AZ22 X2 AZ33 X3 + AZ44 X4 a) Định luật bảo tồn điện tích Tổng đại số điện tích hạt tương tác tổng đại số điện tích hạt sản phẩm Tức là: Z1 + Z2 = Z3 + Z4 b) Bảo toàn số nuclơn (bảo tồn số A) Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclôn hạt tương tác tổng số nuclôn hạt sản phẩm Tức là: A1 + A2 = A3 + A4 c) Bảo toàn động lượng Trong phản ứng hạt nhân động lượng hạt trước sau phản ứng Tức p1 p2 p3 p4 d) Bảo toàn lượng toàn phần Trong phản ứng hạt nhân lượng tồn phần trước sau phản ứng Năng lượng toàn phần gồm động lượng nghỉ nên ta có biểu thức định luật bảo toàn lượng toàn phần: mX1 c2 + K X1 + mX2 c2 +K X2 = mX3 c2 + K X3 + mX4 c2 + K X4 Chú ý: Từ cơng thức tính động lượng động ta có hệ thức liên hệ động lượng động p m v p mv mv 2 p m p 2m.K , (1) mv mv K K Năng lượng phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: X1 + X2 → X3 + X4 Tổng khối lượng hạt nhân tham gia phản ứng: m0 mX mX Tổng khối hạt nhân sau phản ứng: m mX mX Do có hụt khối hạt nhân nên phản ứng hạt nhân khơng có bảo toàn khối lượng m0 m Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 a) Khi m0 > m Do lượng toàn phần phản ứng bảo toàn nên trường hợp phản ứng tỏa lượng lượng, có giá trị ΔE = (m0 – m)c2 Năng lượng tỏa dạng động hạt nhân Chú ý: Trong trường hợp hạt sinh có độ hụt khối lớn hạt nhân ban đầu nên hạt sinh bền vững hạt ban đầu b) Khi m0 < m Khi phản ứng khơng tự xảy ra, để xảy ta phải cung cấp cho lượng lượng Trong trường hợp phản ứng gọi phản ứng thu lượng Năng lượng thu vào phản ứng có độ lớn: ΔE = |m0 – m|c2 PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH, NHIỆT HẠCH I PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH Khái niệm +) Là phản ứng hạt nhân nặng hấp thụ nơtron chậm vỡ thành hai hạt nhân trung bình đồng thời phóng số nơtron tỏa lượng lớn (khoảng 200 MeV) +) Năng lượng tỏa dạng động hạt +) Các nhiên liệu chủ yếu thực phản ứng nhiệt hạch 235 92 U 239 94 Pu Cơ chế phản ứng phân hạch Để phản ứng xảy phải truyền cho hạt nhân mẹ X lượng đủ lớn (giá trị tối thiểu lượng gọi lượng kích hoạt) Cách đơn giản để truyền lượng kích hoạt cho hạt nhân mẹ X cho nơtron bắn vào X để X bắt (hoặc hấp thụ) nơtron chuyển sang trạng thái kích thích Trạng thái khơng bền kết xảy phân hạch theo sơ đồ n X X * Y Z kn Như q trình phân hạch hạt nhân X khơng trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích 236 95 138 Ví dụ: 01n 235 92 U 92 U 39Y 53I 30 n Đặc điểm +) Sau phản ứng phân hạch có notron chậm sinh +) Phản ứng phân hạch tỏa lượng lớn, khoảng 200 MeV Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 Phản ứng dây chuyền Các nơtron tạo thành sau phân hạch có động lớn (nơtron nhanh) thường bị U238 hấp thụ hết ngồi khối Urani Nếu chúng làm chậm lại gây phân hạch cho hạt U235 khác khiến cho phân hạch trở thành phản ứng dây chuyền Trên thực tế nơtron sinh gây phân hạch (vì có nhiều nơ tron bị mát bị hấp thụ tạp chất nhiên liệu, bị U238 hấp thụ mà không gây nên phân hạch, bay ngồi khối nhiên liệu ) Vì muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét đến số nơtron trung bình k lại sau phân hạch Gọi k số nơtron lại sau phân hạch tiếp tục U235 hấp thụ + Nếu k >1: số phân hạch tăng lên nhanh với tốc độ k 1, k2, k3…Phản ứng dây chuyền trở thành thác lũ không chế Hệ thống gọi vượt hạn Đây chế nổ bom nguyên tử + Nếu k < 1: Phản ứng dây chuyền xảy Hệ thống gọi hạn + Nếu k =1: Phản ứng dây chuyền khống chế Hệ thống gọi tới hạn Đây chế hoạt động nhà máy điện nguyên tử Muốn k khối lượng Urani Plutoni phải đạt đến trị số tối thiểu gọi khối lượng tới hạn mtH Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy k m > mth Lò phản ứng hạt nhân +) Là thiết bị để tạo phản ứng phân hạch dây chuyền tự trì điều khiển +) Nhiên liệu phân hạch lò phản ứng hạt nhân thường U235 Pu239 +) Để đảm bảo cho k = người ta dùng điều khiển chứa Bo hay Cd, chất có tác dụng hấp thụ nơtron (khi số nơtron lò tăng lên nhiều người ta cho điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nhiên liệu để hấp thụ số nơtron thừa) +) Năng lượng tỏa từ lò phản ứng khơng đổi theo thời gian III PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH 1) Khái niệm Là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng 2) Đặc điểm Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 Tuy phản ứng nhiệt hạch tỏa lượng nhỏ phản ứng phản ứng phân hạch tính theo khối lượng nhiên liệu phản ứng nhiệt hạch tỏa lượng lớn phản ứng phân hạch Các phản ứng nhiệt hạch xảy nhiệt độ cao, khoảng 50 đến 100 triệu độ nhiệt độ cao hạt nhân nhẹ thu động đủ lớn thắng lực đẩy Culông tiến lại gần đến mức lực hạt nhân tác dụng kết hợp chúng lại → điều kiện để xảy phản ứng nhiệt hạch nhiệt độ phải lớn (lên đến hàng triệu độ) Nguồn gốc lượng mặt trời phản ứng nhiệt hạch Con người dã thực hiện phản ứng nhiệt hạch dạng nổ bom khinh khí 2) Lí để người quan tâm nhiều đến phản ứng nhiệt hạch: +) Có nguồn nhiên liệu vô tận, nước biển chứa 0,015% D2O điện phân lấy D +) Phản ứng nhiệt hạch phản ứng phân hạch cặn bã phóng xạ Chú ý: +) Năng lượng xạ mặt trời E = mc2 , với m khối lượng mặt trời giảm xạ E t +) Công suất xạ P = = Thầy Nguyễn Hà Thanh mc2 m 0 m = 100 0 t M Page 10 ... ứng hạt nhân, A hạt nhân mẹ, B hạt nhân C hạt α β Một số dạng phản ứng hạt nhân: a Phản ứng hạt nhân tự phát - Là q trình tự phân rã hạt nhân khơng bền vững thành hạt nhân khác b Phản ứng hạt nhân. .. trình hạt nhân tương tác với tạo hạt nhân khác c Đặc điểm phản ứng hạt nhân: Thầy Nguyễn Hà Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 * Biến đổi hạt nhân. .. Thanh Page HỆ THỐNG LÝ THUYẾT CHƯƠNG VII – VẬT LÝ HẠT NHÂN – ÔN THI THPT QUỐC GIA 2017 Định luật phóng xạ Sau khoảng thời gian xác định T nửa số hạt nhân có bị phân rã, biến đổi thành hạt nhân khác,