2.2.2.1. Vai trò và vị trí
- Nội dung của phần Vật lí hạt nhân góp phần hoàn chỉnh kiến thức Vật lí phổ thông của HS:
+ Các đặc trưng của hạt nhân nguyên tử là phương tiện để người học liên hệ với kiến thức Vật lí cổ điển như: cơ, nhiệt, điện …thể hiện mối tương quan giữa Vật lí hạt nhân với các ngành Vật lí khác.
+ Các “phản ứng hạt nhân hoặc sự phóng xạ, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch” giúp nghiệm lại các định luật bảo toàn.
+ Việc phát hiện các tia phóng xạ, định luật phóng xạ, giúp các nhà Vật lí học tiên đoán được sự tồn tại của các hạt nơtrinô và phản nơtrinô, là cơ sở hình thành thế giới vi mô và thế giới vĩ mô.
- Hạt nhân nguyên tử gắn với vấn đề năng lượng, đời sống và môi trường
+ Nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng lớn, tuy nhiên các nguồn năng lượng như than đá, dầu khí…ngày càng cạn kiệt, do đó đòi hỏi con người phải sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau. Năng lượng hạt nhân ngày càng được nhiều nước đưa vào sử dụng trong đó có Việt Nam của chúng ta và thực tế đã chứng tỏ sử dụng năng lượng hạt nhân vào mục đích hòa bình mang lại nhiều lợi ích to lớn.
+ Ngày nay kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như xây dựng, giao thông, thăm dò và khai thác dầu khí, y tế.
+ Hơn nữa việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng như than đá, dầu khí, …ngày càng làm ô nhiễm môi trường thông qua việc thải ra khí CO2. Năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng tương đối “sạch” và nếu được sử dụng hợp lý và an toàn thì năng lượng hạt nhân không gây tác hại đến môi trường như các nguồn nhiên liệu hóa thạch.
- Các kiến thức về hạt nhân nguyên tử gắn với việc đào tạo nguồn nhân lực khoa học công nghệ.
+ Trình độ dân trí đối với ứng dụng kỹ thuật hạt nhân còn hạn chế. Do đó cần tăng cường thúc đẩy sự quan tâm năng lượng nguyên tử cho phát triển kinh tế - xã hội.
+ Đào tạo nhân lực ngành hạt nhân là nhiệm vụ lớn trước mắt, để thực hiện chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vào mục đích hòa bình. Việc đào tạo nhân lực khoa học công nghệ hạt nhân là vấn đề quan trọng, nhân lực này sẽ quyết định sự thành công của chương trình hạt nhân. Do đó việc đưa Vật lí hạt nhân vào chương trình Vật lí 12 THPT là bước khởi đầu quan trọng cho sự chuẩn bị nhân lực hạt nhân lâu dài, hoàn chỉnh.
Năng lượn
g
Hình 2.1.Sơ đồ cấu trúc nội dung của chương “Hạt nhân nguyên tử”
HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN tương tác tự phát kích thích PHÓNG XẠ NHIỆT HẠCH PHÂN HẠCH PHÂN LOẠI CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN Số khối A1 + A2 = A3 + A4
Năng lượng toàn phần Động lượng Các dạng Định luật Phón g xạ α Phón g xạ β β- Phón g xạ γ sóng điện CƠ CHẾ CHẾ CƠ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH Cấu tạo Kí hiệu Khối lượn g Lực hạt nhân nơtron proton E = mc2 Năng lượng nghỉ E0 = m0c2 Động năng K = E - E0 Năng lượng liên kết riêng thuyết tương đối HẠT Â + 1u = 1,66055.10-27kg 1u = 931,5 MeV/c2 Đơn vị khối lượng nguyên tử Năng lượng toàn phần Năng lượng liên kết
2.2.3. Chuẩn kiến thức, kỹ năng và thái độ 2.2.3.1. Mục tiêu kiến thức của chương trình 2.2.3.1. Mục tiêu kiến thức của chương trình
NỘI DUNG MỤC TIÊU
Hạt nhân nguyên tử
•Lực hạt nhân
•Độ hụt khối
•Năng lượng liên kết của hạt nhân.
- Nêu được lực hạt nhân là gì và các đặc điểm của lực hạt nhân. - Viết được hệ thức Anh-xtanh giữa khối lượng và năng lượng. - Nêu được độ hụt khối và năng lượng liên kết của hạt nhân là gì.
Phản ứng hạt nhân
• Phản ứng hạt nhân. Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân. • Hiện tượng phóng xạ. Đồng vị phóng xạ. Định luật phóng xạ. • Phản ứng phân hạch. Phản ứng dây chuyền. • Phản ứng nhiệt hạch.
- Nêu được phản ứng hạt nhân là gì.
- Phát biểu được các định luật bảo toàn số khối, điện tích, động lượng và năng lượng toàn phần trong phản ứng hạt nhân.
- Nêu được hiện tượng phóng xạ là gì.
- Nêu được thành phần và bản chất của các tia phóng xạ. - Viết được hệ thức của định luật phóng xạ.
- Nêu được một số ứng dụng của các đồng vị phóng xạ. - Nêu được phản ứng phân hạch là gì.
- Nêu được phản ứng dây chuyền là gì và nêu được các điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra.
- Nêu được phản ứng nhiệt hạch là gì và nêu được điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra.
- Nêu được những ưu việt của năng lượng phản ứng nhiệt hạch.
2.2.3.2. Mục tiêu về kỹ năng
- Vận dụng được các kiến thức đã học để giải thích một số vấn đề liên quan. - Vận dụng được định luật phóng xạ để giải một số bài tập.
2.2.3.3 Mục tiêu về thái độ
- Có thái độ tự giác, tích cực, hứng thú tham gia xây dựng bài học. - Có tinh thần hợp tác, hỗ trợ lẫn nhau trong hoạt động nhóm.
- Có ý thức vận dụng những hiểu biết Vật lí vào cuộc sống, cũng như bảo vệ và giữ gìn môi trường sống tự nhiên.
2.2.4. Nội dung kiến thức trọng tâm của chương “Hạt nhân nguyên tử”
Cấu tạo hạt nhân
- Hạt nhân tích điện dương +Ze (Z là số thứ tự trong bảng tuần hoàn). - Kích thước hạt nhân rất nhỏ, nhỏ hơn kích thước nguyên tử 104÷ 105 lần. - Hạt nhân được tạo thành bởi các nuclôn.
+ Prôtôn (p), mp = 1,67262.10-27kg, điện tích (+e) + Nơtrôn (n), mn = 1,67493.10-27kg, không mang điện.
Kí hiệu hạt nhân
- Hạt nhân của nguyên tố X được kí hiệu: A ZX
+ Số prôtôn trong hạt nhân bằng Z (nguyên tử số) + Tổng số nuclôn trong hạt nhân kí hiệu A (số khối). + Số nơtrôn của hạt nhân: A-Z
Đồng vị: Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số Z, khác nhau số A.
Khối lượng và năng lượng
- Theo thuyết tương đối thì năng lượng E và khối lượng m tương ứng của cùng một vật luôn tồn tại đồng thời và tỉ lệ với nhau, hệ số tỉ lệ là c2 (c là tốc độ ánh sáng trong chân không).
- Hệ thức Anh-xtanh: E = mc2
.
- Năng lượng tương ứng với khối lượng 1u là 1uc2
= 931,5 MeV.
- Đơn vị khối lượng nguyên tử u, có giá trị bằng khối lượng nguyên tử của đồng vị , cụ thể là: 1 u = 1,66055.10-27
kg.
- Sự tăng lên của khối lượng: theo thuyết tương đối, một vật chuyển động với tốc độ v có khối lượng là: m = 0 2 2 1 m v c −
≥ m0 (m0 là khối lượng nghỉ của vật)
- Năng lượng toàn phần của vật là: E = mc2
= 0 2 2 1 m v c −
- Năng lượng E0 = m0c2 được gọi là năng lượng nghỉ và hiệu E - E0 = (m - m0)c2 chính là động năng của vật.
1 12
12 6C
Lực hạt nhân
- Các nuclôn trong hạt nhân hút nhau bằng các lực rất mạnh tạo nên hạt nhân bền vững. Lực hút đó gọi là lực hạt nhân.
- Đặc điểm của lực hạt nhân:
+ Lực hạt nhân không có cùng bản chất với lực tĩnh điện và lực hấp dẫn. Nó là một loại lực truyền tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân (còn được gọi là lực tương tác mạnh).
+ Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân, cỡ nhỏ hơn 10-15
m.
Độ hụt khối
Khối lượng m của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó. Đại lượng: ∆m = Z.mp + (A – Z).mn – m: gọi là độ hụt khối của hạt nhân .
Năng lượng liên kết hạt nhân
- Là năng lượng tương ứng với độ hụt khối của hạt nhân để các nuclon liên kết với nhau thành hạt nhân bền vững. Năng lượng liên kết hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số c2
.
- Công thức tính năng lượng liên kết: Wlk = ∆m.c2
+ Năng lượng liên kết bằng với năng lượng tỏa ra khi tổng hợp các nuclon riêng rẽ thành một hạt nhân bền vững.
+ Năng lượng liên kết bằng với năng lượng tối thiểu cần thiết để phá vỡ một hạt nhân bền vững thành các nuclon riêng rẽ.
Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân
- Năng lượng liên kết riêng là thương số giữa năng lượng liên kết Wlk và số nuclôn A.
- Công thức tính năng lượng liên kết: Wr = Wlk/A
- Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. Các hạt nhân bền vững có năng lượng liên kết riêng vào cỡ 8,8 MeV/nuclon, đó là những hạt nhân có số khối nằm trong khoảng: 50 < A < 95.
A ZX
A ZX
Hình 2.2. Biểu đồ so sánh năng lượng liên kết riêng của một số hạt nhân
Phản ứng hạt nhân
- Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi của các hạt nhân. Phản ứng hạt nhân chia thành hai loại:
+ Phản ứng hạt nhân tự phát là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác: A → C + D (Trong đó, A là hạt nhân mẹ, C là hạt nhân con, D là tia phóng xạ (α, β…).
+ Phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt tương tác với nhau thành các hạt khác: A + B → C + D (Các hạt trước và sau phản ứng có thể nhiều hoặc ít hơn 2. Các hạt có thể là hạt nhân hay các hạt sơ cấp êlectron, pôzitron, nơtrôn…
Các định luật bảo toàn của phản ứng hạt nhân
- Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm.
- Định luật bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số A): Tổng số nuclôn của các hạt tương tác bằng tổng số nuclôn của các hạt sản phẩm.
- Định luật bảo toàn năng lượng: Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm.
- Định luật bảo toàn động lượng: Vectơ tổng động lượng của các hạt tương tác bằng vectơ tổng động lượng của các hạt sản phẩm.
Năng lượng phản ứng hạt nhân
Gọi mtrước và msau lần lượt là tổng khối lượng của các hạt trước phản ứng và sau phản ứng. Năng lượng tỏa ra hay thu vào của một phản ứng hạt nhân là:
W = (mtrước - msau)c2
+ Nếu mtrước > msau thì W > 0 , ta có phản ứng toả năng lượng.
+ Nếu mtrước < msau thì W < 0 , ta có phản ứng thu năng lượng. Muốn thực hiện phản ứng hạt nhân thu năng lượng, phải cung cấp cho hệ một năng lượng đủ lớn.
Phóng xạ
Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.
Các dạng phóng xạ • Phóng xạ α - Phương trình phóng xạ: 4 4 2 2 A A ZX → Z−−Y+ He (thu gọn 4 2 A A ZX →α Z−−Y) - Bản chất: tia α thực chất là dòng các hạt 4 2He.
- Tính chất: tia α mang điện tích dương và chuyển động với tốc độ cỡ 20000 km/s. Quãng đường đi được của tia αtrong không khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micrômét. • Phóng xạ β - Phương trình phóng xạ: + phương trình phóng xạ β-: 0 1 1 A A ZX → Z+Y +− e (thu gọn 1 A A ZX →β− Z+Y) + phương trình phóng xạ β+: 0 1 1 A A ZX → Z−Y ++ e (thu gọn 1 A A ZX →β+ Z−Y) - Bản chất: Tia β thực chất là dòng các hạt êlectron (tia β-) hay dòng các hạt pôzitron (tia β+
)
- Tính chất: Tia β chuyển động với tốc độ rất lớn, xấp xỉ tốc độ ánh sáng (cỡ 108m/s). Tia βtruyền đi được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại.
• Phóng xạ γ
- Phương trình phóng xạ: * 0 0
A A
ZX → ZX + γ (thường đi kèm sau quá trình phóng xạ α hay β)
- Bản chất: tia γ có bản chất là sóng điện từ.
- Tính chất: tia γ có bước sóng rất ngắn (ngắn hơn 10-13
m), tia γ có tính đâm xuyên mạnh, có thể đi qua được vài mét trong bê tông và vài xen-ti-mét trong chì.
Định luật phóng xạ
- Hệ thức của định luật phóng xạ: N = N0e-λt
- Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ của một nguồn giảm theo quy luật hàm số mũ. Trong đó, N0 là số nguyên tử ban đầu của chất phóng xạ, N là số nguyên tử chất ấy ở thời điểm t , λ là hằng số phóng xạ.
- Chu kì bán rã T là đại lượng đặc trưng cho chất phóng xạ, được đo bằng thời gian qua đó số lượng hạt nhân còn lại là 50% (nghĩa là phân rã 50%), được xác định bởi công thức:
Ứng dụng của các đồng vị phóng xạ nhân tạo
- Ngoài các đồng vị có sẵn trong thiên nhiên gọi là các đồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta còn tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ khác, gọi là các đồng vị phóng xạ nhân tạo.
- Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng trong sinh học, hoá học, yhọc... Trong y học, người ta đưa các đồng vị khác nhau vào cơ thể để theo dõi sự xâm nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định trong cơ thể người. Đây là phương pháp nguyên tử đánh dấu, có thể dùng để theo dõi được tình trạng bệnh lí. Trong ngành khảo cổ học, người ta sử dụng phương pháp cacbon , để xác định niên đại của các cổ vật.
Phản ứng phân hạch
- Định nghĩa: Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn (có khối lượng cùng cỡ). Hai mảnh này gọi là sản phẩm phân hạch hay “mảnh vỡ” của phân hạch.
ln 2 0,693
T = =
λ λ
14 6C
- Cơ chế phản ứng phân hạch kích thích: n+X →X* → + +Y Z kn
Khi bắn nơtron chậm vào hạt nhân 235
U thì nó sẽ vỡ thành 2 mảnh M và N và giải phóng 2 hoặc 3 nơtron theo phương trình: 235
92
n+ U →M + +N kn (k = 1,2,3). Hai mảnh
M và N là những hạt nhân của nhiều chất khác nhau tùy theo điều kiện phản ứng. Xác suất xuất hiện hai hạt M và N tùy thuộc vào số nuclon của chúng. Xác suất lớn nhất khi A≈140. VD: 1 235 138 95 1
0n+ 92U → 53I+39Y+30n hoặc hoặc 1 235 139 95 1
0n+ 92U → 54Xe+38Sr+20n hoặc 1 235 140 92 1 0n+ 92U → 56Ba+36Kr+30n
- Năng lượng phản ứng phân hạch:
+ Khi phản ứng phân hạch xảy ra, nó có kèm theo sự giải phóng năng lượng, năng lượng này gọi là năng lượng phân hạch.
+ VD: Trong phản ứngphân hạch của dưới tác dụng của một nơtron, năng lượng toả ra vào cỡ 210 MeV.
1 235 236 * 95 138 1
0n+ 92U → 92U →39Y + 53I+30n+210MeV
1 235 236 * 139 95 1
0n+ 92U → 92U → 54Xe+38Sr+20n+210MeV