Bài soạn He thong kien thuc chuong 9 NC

Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 12 Họ và Tên: HỆ THỐNG HÓA KIẾN THỨC VẬT LÝ 12 NÂNG CAO Chương 9 HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ  I/. Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử. Độ hụt khối 1. Cấu tạo hạt nhân a) Cấu tạo hạt nhân: * Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn, gọi là nuclôn. Có hai loại nuclôn: + Prôtôn (p) có khối lượng 27 p m 1,67262.10 kg − = , mang điện tích nguyên tố dương e+ . + Nơtron (n) có khối lượng 27 n m 1,67493.10 kg − = , không mang điện. * Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong bảng tuần hoàn. Z được gọi là nguyên tử số (còn gọi là điện tích hạt nhân). Tổng số các nuclôn trong hạt nhân gọi là số khối, kí hiệu là A. Số nơtron trong hạt nhân là: N = A – Z. b) Kí hiệu hạt nhân: A Z X hoặc A X hoặc XA. Trong đó X là kí hiệu hóa học. Ví dụ: Hạt nhân của nguyên tử natri có 11p và 12n được kí hiệu là 23 11 Na hoặc 23 Na hoặc Na23 . c) Kích thước hạt nhân: Hạt nhân được xem như một quả cầu có bán kính R thì ( ) 1 15 3 R 1,2.10 A m − = Trong đó A là số khối. 2. Đồng vị Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số prôtôn Z, nhưng có số nơtron N khác nhau. Ví dụ hiđrô có ba đồng vị: hiđrô thường 1 1 H ; hiđrô nặng còn gọi là đơteri ( ) 2 2 1 1 H hay D và hiđrô siêu nặng còn gọi là triti ( ) 3 3 1 1 H hay T . Các đồng vị được chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ (không bền). 3. Đơn vị khối lượng nguyên tử a) Trong vật lý hạt nhân, khối lượng thường được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u. Có trị số bằng 1 12 khối lượng của đồng vị cacbon 12 6 C . Và 27 23 1 12 1u g 1,66055.10 kg 12 6,0221.10 − = × ≈ + khối lượng của một nuclôn xấp xỉ bằng 1u. + Một nguyên tử có số khối A thì có khối lượng xấp xỉ bằng A (u). + Một mol chất đơn nguyên tử thì có khối lượng xấp xỉ bằng A (gam). b) Dựa trên hệ thức Anh-xtanh 2 2 E E mc m c = ⇒ = . Vậy khối lượng còn có thể đo bằng đơn vị của năng lượng chia cho 2 c . Cụ thể là 2 2 eV / c hay MeV / c . Từ đó ta có: 2 1u 931,5 MeV / c= 4. Năng lượng liên kết a) Lực hạt nhân: Các nuclôn trong hạt nhân được liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân có cường độ rất lớn, nhưng có bán kính tác dụng vào khoảng 15 10 m − . b) Độ hụt khối. Năng lượng liên kết. * Khối lượng m của hạt nhân A Z X bao giờ cũng nhỏ hơn một lượng m∆ so với tổng khối lượng các nuclôn tạo thành hạt nhân đó. m∆ được gọi là độ hụt khối của hạt nhân. ( ) p n m Zm A Z m m   ∆ = + − −   Vật lý 12 nâng cao Trang 1 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương * Theo thuyết tương đối, hệ các nuclôn ban đầu có năng lượng: ( ) 2 o p n E Zm A Z m c   = + −   . Hạt nhân tạo thành có năng lượng: 2 o E mc E= < Vì năng lượng toàn phần được bảo toàn, nên có một lượng năng lượng 2 lk 0 W E E m.c= − = ∆ tỏa ra khi hệ các nuclôn kết hợp thành hạt nhân. Ngược lại, nếu muốn tách hạt nhân thành các nuclôn riêng rẽ thì phải tốn năng lượng 2 lk W m.c= ∆ để thắng lực tương tác giữa chúng. Đại lượng 2 lk W m.c= ∆ được gọi là năng lượng liên kết. + Năng lượng liên kết tính cho một nuclôn ( lk W A ), gọi là năng lượng liên kết riêng. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. II/. Phóng xạ 1. Hiện tượng 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. Quá trình phân rã phóng xạ chính là quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân. Hạt nhân phóng xạ gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân sinh ra gọi là hạt nhân con. 2. Các tia phóng xạ a) Các loại tia phóng xạ: Có ba loại tia phóng xạ chính: tia α ; tia β và tia γ. Tia phóng xạ không nhìn thấy được, nhưng có những tác dụng như: kích thích một số phản ứng hóa học, ion hóa không khí, làm đen kính ảnh, xuyên thấu lớp vật chất mỏng, phá hủy tế bào,… b) Bản chất các loại tia phóng xạ: * Tia α là các hạt nhân của nguyên tử heli (kí hiệu 4 2 He ) gọi là hạt α , phóng ra từ hạt nhân với tốc độ khoảng 7 2.10 m / s . Tia α làm ion hóa mạnh các nguyên tử trên đường đi và mất năng lượng rất nhanh. Tia α chỉ đi được tối đa khoảng 8 cm trong không khí và không xuyên qua được tờ bìa dày 1 mm. * Tia β phóng ra với tốc độ xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng, nó cũng làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn tia α . Tia β có thể đi được vài mét trong không khí và có thể xuyên qua lá nhôm dày cỡ milimét. Có hai loại tia β: tia − β và tia + β + Tia − β là các hạt êlectron ( kí hiệu 0 1 e − hay e − ). + Tia + β là các hạt pôzitron hay còn gọi là êlectron dương ( kí hiệu 0 1 e + hay e + ), có cùng khối lượng như êlectron nhưng mang điện tích nguyên tố dương. Ngoài ra trong phóng xạ + β còn phát ra hạt nơtrinô ( ) ν và trong phóng xạ − β còn phát ra hạt phản nơtrinô ( ) ν % . Các hạt này không mang điện, có khối lượng xấp xỉ bằng không, chuyển động với tốc độ xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng. * Tia γ là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (dưới 0,01 nm), cũng là hạt phôtôn có năng lượng cao, có khả năng xuyên thấu lớn, nguy hiểm cho con người. Phóng xạ γ là phóng xạ đi kèm theo của phóng xạ α hoặc của phóng xạ β. 3. Định luật phóng xạ a) Định luật phóng xạ: Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ. Ta có: ( ) t T o N t N .2 − = Hay: ( ) t o N t N .e −λ = Với : ln 2 0,693 T T λ = = Trong đó: o N số hạt nhân (số nguyên tử) ban đầu. N(t) số hạt nhân chưa bị phân rã (số hạt nhân còn lại) sau thời gian t. T được gọi là chu kỳ bán rã và λ gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho từng loại phóng xạ. * Khối lượng m của chất phóng xạ cũng giảm theo thời gian, với cùng quy luật như số hạt nhân: ( ) t T o m t m .2 − = Hay: ( ) t o m t m .e −λ = Vật lý 12 nâng cao Trang 2 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương b) Độ phóng xạ (hoạt độ phóng xạ): * Độ phóng xạ (H) là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, được xác định bằng số hạt nhân phân rã trong một giây. Độ phóng xạ đặc trưng cho tốc độ phân rã. Đơn vị là becơren (Bq). 1 Bq = 1 phân rã/giây. Ngoài ra còn cùng đơn vị là curi (Ci), 10 1Ci 3,7.10 Bq= , xấp xỉ bằng độ phóng xạ của một gam radi. * Gọi N∆ là số hạt nhân bị phân rã trong khoảng thời gian t∆ , ta có: ( ) t t T o o N H t N e N 2 t − −λ ∆ = − = λ = λ ∆ Hay: ( ) ( ) H t N t= λ Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ tại thời điểm t, bằng tích của hằng số phóng xạ và số hạt nhân phóng xạ chứa trong lượng chất đó ở thời điểm t. * Gọi o H là độ phóng xạ ban đầu của lượng chất phóng xạ, ta có: o o H N= λ và ( ) t t T o o H t H .2 H .e − −λ = = Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ giảm theo thời gian theo quy luật hàm số mũ giống như số hạt nhân (số nguyên tử) của nó. 4. Đồng vị phóng xạ và các ứng dụng a) Đồng vị phóng xạ: Ngoài đồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta còn tạo ra được rất nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị phóng xạ của một nguyên tố hóa học có cùng tính chất hóa học như đồng vị bền của nguyên tố đó. b) Các đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng rất đa dạng + Phương pháp nguyên tử đánh dấu được dùng trong y học. + Phương pháp xác định tuổi theo lượng cacbon 14 dùng trong ngành khảo cổ học. III/. Phản ứng hạt nhân 1. Phản ứng hạt nhân a) Thí nghiệm của Rơ-dơ-pho Rơ-dơ-pho dùng chất phóng xạ pôlôni 210, phát ra hạt α để bắn phá nitơ ( 14 7 N ). Kết quả là, nitơ bị phân rã và biến đổi thành ôxi ( 17 8 O ) và hiđrô ( 1 1 H ). * Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân, thường chia thành hai loại: - Phản ứng tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt khác. Ví dụ: sự phóng xạ. Phương trình có dạng: A B C → + Với A là hạt nhân mẹ, B là hạt nhân con và C là hạt α hoặc β. - Phản ứng trong đó các hạt tương tác với nhau, dẫn đến sự biến đổi chúng thành các hạt khác. Phương trình có dạng: A B C D + → + Ví dụ: 4 14 17 1 2 7 8 1 He N O H+ → + b) Phản ứng hạt nhân tạo nên đồng vị phóng xạ nhân tạo Năm 1934, hai ông bà Giô-li-ô Quy-ri dùng hạt α để bắn phá nhôm, lần đầu tiên đã tạo ra được đồng vị phóng xạ nhân tạo phôtpho ( 30 15 P ) có tính phóng xạ + β . 27 30 13 15 Al P nα + → + 2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Cho phản ứng 1 2 4 4 1 2 3 4 A A A A Z Z Z Z A B C D+ → + a) Định luật bảo toàn số nuclôn ( bảo toàn số khối A) Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclôn của các hạt tương tác bằng tổng số nuclôn của các hạt sản phẩm. 1 2 3 4 A A A A+ = + b) Định luật bảo toàn điện tích (bảo toàn nguyên tử số Z). Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm. 1 2 3 4 Z Z Z Z+ = + c) Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm. d) Định luật bảo toàn động lượng: Vật lý 12 nâng cao Trang 3 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Vectơ tổng động lượng của các hạt tương tác bằng vectơ tổng động lượng của các hạt sản phẩm. A B C D p p p p+ = + r r r r 3. Năng lượng trong phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: A B C D+ → + + Tổng khối lượng nghỉ của các hạt tương tác: o A B m m m= + + Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sản phẩm: C D m m m= + a) Nếu o m m< các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạt ban đầu, nghĩa là bền vững hơn thì phản ứng tỏa năng lượng. Năng lượng tỏa ra ( ) 2 o W= m m c− thường gọi là năng lượng hạt nhân. b) Nếu o m m> các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn các hạt ban đầu, nghĩa là kém bền vững hơn thì phản ứng thu năng lượng. Năng lượng thu vào ( ) 2 th o W m m c= − + Năng lượng cần cung cấp để phản ứng xảy ra: ( ) 2 ođ W= m m c W− + Trong đó đ W là tổng động năng của các hạt sinh ra. 4. Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng Có hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng: + Hai hạt nhân rất nhẹ (có số khối A < 10) như hidrrô, heli,…hợp lại thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng kết hợp này xảy ra ở nhiệt độ rất cao, nên gọi là phản ứng nhiệt hạch. + Một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn. Phản ứng này gọi là phản ứng phân hạch. IV/. Phản ứng phân hạch 1. Sự phân hạch a) Sự phân hạch của urani Dùng nơtron nhiệt (nơtron chậm) có năng lượng cỡ 0,01 eV bắn vào 235 92 U , ta có phản ứng phân hạch: 1 2 1 2 A A 1 235 1 0 92 Z 1 Z 2 0 n U X X k n+ → + + . Trong đó 1 X và 2 X là các hạt nhân có số khối trung bình và hầu hết là các hạt nhân phóng xạ ; phản ứng này sinh ra 2 hoặc 3 nơtron (trung bình k = 2,5 nơtron) và tỏa ra năng lượng khoảng 200 MeV dưới dạng động năng của các hạt. b) Đặc điểm chung của các phản ứng phân hạch Sau mỗi phân hạch đều có hơn 2 nơtron được phóng ra và mỗi phân hạch đều giải phóng ra năng lượng lớn, thường gọi là năng lượng hạt nhân. 2. Phản ứng phân hạch dây chuyền a) Các nơtron sinh ra sau mỗi phân hạch của urani (hoặc plutoni,…) lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân urani (hoặc plutoni,…) khác ở gần đó, và, cứ thế, sự phân hạch tiếp diễn thành một dây chuyền. Số phân hạch tăng rất nhanh trong một thời gian rất ngắn, ta có phản ứng phân hạch dây chuyền. b) Điều kiện xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền Số nơtron sinh ra sau mỗi phân hạch sẽ bị mất mát vì nhiều nguyên nhân, nhưng nếu sau mỗi phân hạch còn lại trung bình k nơtron. k được gọi là hệ số nhân nơtron. + Nếu k < 1 thì phản ứng dây chuyền không xảy ra. + Nếu k = 1 thì phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ nơtron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được xảy ra trong các lò phản ứng hạt nhân. + Nếu k > 1 thì dòng nơtron tăng liên tục theo thời gian, phản ứng dây chuyền không điều khiển được, dẫn đến vụ nổ nguyên tử. Để có k 1≥ thì khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải có một giá trị tối thiểu, gọi là khối lượng tới hạn th m . 3. Lò phản ứng hạt nhân Phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, có điều khiển, được thực hiện trong thiết bị gọi là lò phản ứng hạt nhân. 4. Nhà máy điện hạt nhân Bộ phân chính của nhà máy điện hạt nhân là lò phản ứng hạt nhân. Chất tải nhiệt sơ cấp, sau khi chạy qua vùng tâm lò, sẽ chảy qua bộ trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt cho lò sinh hơi. Hơi nước làm chạy tua bin phát điện giống như trong nhà máy điện thông thường. V/. Phản ứng nhiệt hạch Vật lý 12 nâng cao Trang 4 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương 1. Phản ứng nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp giữa hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn. Ví dụ: 2 2 3 1 1 1 2 0 H H He n 4 MeV+ → + + 3 2 4 1 1 1 2 0 H H He n 17,5 MeV+ → + + Sự tổng hợp này chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao (khoảng 7 8 10 10 K÷ ), nên được gọi là phản ứng nhiệt hạch. 2. phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ Phản ứng nhiệt hạch trong lòng Mặt Trời và các ngôi sao là nguồn gốc năng lượng của chúng. 3. Thực hiện phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất a) Con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng không kiểm soát được. Đó là sự nổ của bom nhiệt hạch hay bom H. b) Nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng nhiều hơn phản ứng phân hạch và nhiên liệu nhiệt hạch hầu như là vô tận trong thiên nhiên, nên vấn đề đặt ra là làm sao thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng kiểm soát được, để đảm bảo cung cấp năng lượng lâu dài cho nhân loại. Vật lý 12 nâng cao Trang 5 . chất các loại tia phóng xạ: * Tia α là các hạt nhân của nguyên tử heli (kí hiệu 4 2 He ) gọi là hạt α , phóng ra từ hạt nhân với tốc độ khoảng 7 2.10 m. đi kèm theo của phóng xạ α hoặc của phóng xạ β. 3. Định luật phóng xạ a) Định luật phóng xạ: Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời