1. Hạt nhân: Hạt nhân được cấu tạo bởi hai loại hạt là proton (mp = 1,00728u; qp = +e) và nơtron (mn = 1,00866u; khơng mang điện tích), gọi chung là nuclon.
Kí hiệu của hạt nhân nguyên tố hĩa học X: ZAX
Z: nguyên tử số (số thứ tự trong bảng hệ thống tuần hồn số proton ở hạt nhân số electron ở vỏ nguyên tử ).
A: Số khối tổng số nuclon. N = A - Z: Số nơtron
2. Đồng vị: Cùng Z nhưng khác A (cùng prơtơn và khác số nơtron) Vd: Hidro cĩ ba đồng vị: 1
1H 12H 13H
3. Khối lượng hạt nhân: Khối lượng hạt nhân rất lớn so với khối lựơng của êlectron, vì vậy khối lượng nguyên tử gần như tập trung tồn bộ ở hạt nhân.
Đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu: u = 12
1
khối lượng của đồng vị Cacbon 126C
Vậy khối lượng hạt nhân cĩ 3 đơn vị: u, kg và MeV/c2
4. Hệ thức Anhxtanh giữa khối lượng và năng lượng: E = m.c2 Với c = 3.108 m/s là vận tốc ás trong chân khơng.
Khối lượng động: 2 2 0 1 c v m m − = 2 0 0 2 0 ; E m c mc E W E E đ = = + =
E0, m0: Năng lượng và khối lượng nghỉ
5. Lực hạt nhân: Lực tương tác giữa các nuclon gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân khơng cĩ cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn. Lực hạt nhân là lực tương tác mạnh chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (Bán kính tương tác khoảng 10-15m).
6. Độ hụt khối của hạt nhân:m = Zmp + (A - Z)mn - mX mX là khối lượng hạt nhân ZAX
7. Năng lượng liên kết: Wlk = m.c2
8. Năng lượng liên kết riêng: là năng lượng liên kết tính cho một nuclon: Wlkr Wlk A
= Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững (khơng quá 8,8MeV/nuclơn). Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững. II. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN a. Phương trình phản ứng: A4Y 4 Z X 3 A 3 Z B 2 A 2 Z A 1 A 1 Z + → +
--35--
b. Các định luật bảo tồn
+ Bảo tồn số nuclơn (số khối): A1 + A2 = A3 + A4 + Bảo tồn điện tích (nguyên tử số): Z1 + Z2 = Z3 + Z4
+ Bảo tồn động lượng: 4 4 3 3 2 2 1 1 4 3 2 1 p p p mv m v m v m v p + = + + = +
+ Bảo tồn năng lượng:
4 3 2
1 K E K K
K + + = + Trong đĩ: E là năng lượng phản ứng hạt nhân
K: là động năng cđ của hạt X
Khơng cĩ định luật bảo tồn khối lượng.
c. Năng lượng của phản ứng hạt nhân:
ΔE = W = (mtrước- msau).c20 ΔE > 0 mtrước > msau: Tỏa năng lượng.
ΔE < 0 mtrước < msau: Thu năng lượng
+ Phản ứng tỏa năng lượng hạt nhân sau bền vững hơn + Phản ứng thu năng lượng hạt nhân sau kém bền hơn
II. PHĨNG XẠ
1.Hiện tượng phĩng xạ: là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân khơng bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). Quá trình phân hủy này, hạt nhân mẹ tạo ra các hạt con và cĩ thể kèm theo sự phát ra các bức xạ địên từ.
2. Đặc tính:
+ Phĩng xạ là phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.
+ Phĩng xạ mang tính tự phát khơng phụ thuộc vào yếu tố bên ngồi như: nhiệt độ, áp suất...
3.Các dạng tia phĩng xạ:
a) Phĩng xạ α
- Tia α thực chất hạt nhân của nguyên tử Heli 4 2He Phương trình phĩng xạ 4He 2 Y 4 A 2 Z X A Z ⎯⎯→ −− + Rút gọn: α AZ 42Y X A Z − − ⎯→ ⎯
- Khả năng đâm xuyên kém.
b) Phĩng xạ β
Cĩ hai loại phĩng xạ β là β+ và β–
- Phĩng xạ β–: e−10
Phương trình phân rã β–
cĩ dạng: AZX⎯⎯→- ZA+1Y
Thực chất trong phân rã β– cịn sinh ra một hạt sơ cấp (gọi là hạt phản notrino).
- Phĩng xạ β+: e+01
--36-- Phương trình phân rã β+ cĩ dạng: AZX ZA−1Y + ⎯ ⎯→ ⎯
Thực chất trong phân rã β+ cịn sinh ra một hạt sơ cấp (goi là hạt notrino).
Chú ý: Các hạt notrino và phản notrino là những hạt khơng mang điện, cĩ khối lượng bằng 0 và chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng.
- Tia β là các hạt phĩng xạ phĩng xa với tốc độ lớn (xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia α.
c) Phĩng xạ γ:
+ Tia γ là sĩng điện từ cĩ bước sĩng rất ngắn, cũng là hạt phơtơn cĩ năng lượng cao, thường đi kèm trong các phĩng xạ β+ và β–
+ Tia γ cĩ khả năng xuyên thấu lớn hơn nhiều so với tia α và β.
4.Chu kì bán rã: là khoảng thời gian để ½ số hạt nhân nguyên tử biến đổi thành hạt nhân khác. ln 2
T
= : Hằng số phĩng xạ (s−1)
và T khơng phụ thuộc vào tác động bên ngồi mà chỉ phụ thuộc bản chất bên trong của chất phĩng xạ.
5.Định luật phĩng xạ: Số hạt nhân (khối lượng) phĩng xạ giảm theo qui luật hàm số mũ
T t t N e N N = 0 − = 0.2− T t t m e m m= 0 − = 0.2− N0, m0: số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại t = 0. N, m: số hạt nhân và khối lượng cịn lại vào thời điểm t.
0 0 m m m N N N = − = −
m, N: số hạt nhân và khối lượng bị phân rã (thành chất khác)
6. Đồng vị phĩng xạ và các ứng dụng
a. Đồng vị phĩng xạ
Đặc điểm của các đồng vị phĩng xạ nhân tạo của một nguyên tố hĩa học là chúng cĩ cùng tính chất hĩa học như đồng vị bền của nguyên tố đĩ.
b. Các ứng dụng của đồng vị phĩng xạ
- Nguyên tử đánh dấu. Nhờ phương pháp nguyên tử đánh dấu, người ta cĩ thể biết được chính xác nhu cầu với các nguyên tố khác nhau của cơ thể trong từng thời kì phát triển của nĩ và tình trạng bệnh lí của các bộ phận khác nhau của cơ thể, khi thừa hoặc thiếu những nguyên tố nào đĩ.
- Sử dụng phương pháp xác định tuổi theo lượng Cacbon 14 để xác định niên đại của các cổ vật khai quật được.
III. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH VÀ NHIỆT HẠCH
1. Phản ứng phân hạch: Là phản ứng trong đĩ một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn (cĩ số khối trung bình) và vài nơtron.
n 1
--37--
+ Nơtron chậm là nơtron cĩ động năng dưới 0,01MeV.
+ Mỗi hạt nhân 23592U khi phân rã tỏa năng lượng khoảng 200MeV.
a. Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng, năng lượng đĩ gọi là năng lượng phân hạch.
b. Phản ứng phân hạch dây chuyền.
- Giả sử một lần phân hạch cĩ k nơtron được giải phĩng đến kích thích các hạt nhân 235
U tạo nên những phân hạch mới. Sau n lần phân hạch liên tiếp, số nơtron giải phĩng là n
k và kích thích n
k phân hạch mới - Khi k1 thì phản ứng phân hoạch dây chuyền được duy trì.
- Khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch duy trì gọi là khối lượng tới hạn. Để xảy ra phản ứng phân hạch thì khối lượng chất phải lớn hơn khối lượng tới hạn. (Đây là phản ứng của bom nguyên tử).
c. Phản ứng phân hạch khi cĩ điều khiển.
Khi k = 1 thì phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra khơng đổi theo thời gian. Đây là phản ứng phân hạch cĩ điều khiển được thực hiện trong các lị phản ứng hạt nhân.
2. Phản ứng nhiệt hạch: là phản ứng trong đĩ 2 hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn và vài nơtron.
21H+ 31H→ 42He+ 01n + 17,6MeV
a. Đặc điểm: + Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng toả năng lượng.
+ Tính theo mỗi một phản ứng thì phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng ít hơn phản ứng phân hạch, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì nhiệt hạch toả ra năng lượng nhiều hơn.
+ Sản phẩm của pứ nhiệt hạch sạch hơn (khơng cĩ tính phĩng xạ) b. Điều kiện để cĩ phản ứng nhiệt hạch xảy ra:
Nhiệt độ cao khoảng 100 triệu độ.
Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.
Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải đủ lớn. c. Năng lượng nhiệt hạch:
Tỏa ra năng lượng rất lớn.
Là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các vì sao. d. Ưu điểm của năng lượng nhiệt hạch:
Nguồn nguyên liệu dồi dào.
Phản ứng nhiệt hạch khơng gây ơ nhiễm mơi trường.