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
- Phản ứng phân hạch dây chuyền:
+ Sự phân hạch của có kèm theo sự giải phóng 2,5 nơtron (tính trung bình) với năng lượng lớn. Các nơtron này kích thích hạt nhân khác của chất phân hạch tạo nên những phản ứng phân hạch mới. Kết quả là các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp tạo thành một phản ứng dây chuyền.
235U
235U
Hình 2.4. Đồ thị xác suất xuất hiện các mảnh M,N phụ thuộc theo số nuclon Hình 2.3. Mô tả sự phân hạch Uranium
+ Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra: Khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì được trong đó gọi là khối lượng tới hạn. Giả sử sau một lần phân hạch, có k nơtron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân khác tạo nên những phân hạch mới.
Khi k < 1, phản ứng phân hạch dây chuyền không xảy ra.
Khi k = 1, phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lượng phát ra không đổi theo thời gian. Phản ứng phân hạch có thể kiểm soát được và được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân.
Khi k > 1, phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, số nơtron tăng nhanh, số phản ứng tăng nhanh, nên năng lượng toả ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ (gây ra vụ nổ hạt nhân)
Phản ứng nhiệt hạch
- Định nghĩa: là những phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ, kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
- Cơ chế phản ứng nhiệt hạch:
+ Biến đổi hỗn hợp nhiên liệu chuyển sang trạng thái plasma tạo bởi các hạt nhân và các electron tự do. Tăng nhiệt độ của hỗn hợp plasma lên đến cỡ 100 triệu độ để các hạt nhân được tăng tốc với động năng đủ lớn để xảy ra phản ứng.
235U
+ Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.
+ Thời gian duy trì trạng thái plasma (τ) ở nhiệt độ cao (từ 50 đến 100 triệu độ) phải đủ lớn.
- Năng lượng phản ứng nhiệt hạch:
+ Khi phản ứng nhiệt hạch xảy ra, nó có kèm theo sự giải phóng năng lượng, năng lượng này gọi là năng lượng nhiệt hạch (năng lượng hợp hạch).
+ Tham gia phản ứng tổng hợp nhiệt hạch thường là hạt nhân hydro nhẹ 1H hoặc các hydro nặng deuterium 2
H và tritium 3
H. Các nhiên liệu này có thể tách dễ dàng từ nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém trong quy mô công nghiệp từ các nguyên tử Hydrogen. VD: 12H+12H →23He+01n+4MeV
2 3 4 1
1H+1H → 2He+0n+17, 5MeV hoặc 7 2 4 4 1
3Li+1H →2He+2He+0n+15,1MeV
+ Phản ứng nhiệt hạch có những ưu việt sau:
Nguồn nhiên liệu hydro (H, D, T) gần như vô tận trong tự nhiên.
Phản ứng này phát nhiệt, năng lượng giải phóng vơi hiệu suất rất cao. Tính trên đơn vị khối lượng nhiên liệu tiêu hao kilogam, hiệu suất này cao gấp tỷ lần so với nhiên liệu hoá thạch và gấp chục lần so với nhiên liệu phân hạch uranium.
Sản phẩm thải ra là He, một loại khí hiếm, hoàn toàn không hề làm nhiễm bẩn môi trường sống.
- Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ:chính là nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao.
- Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất: điều kiện ngặt nghèo của phản ứng tổng hợp nhiêt hạch là: Biến đổi hỗn hợp nhiên liệu sang trạng thái plasma (tạo bởi các hạt nhân), đặt hỗn hợp này ở nhiệt độ rất cao, tiếp nữa là mật độ của plasma phải đạt một giá trị tối thiểu và được duy trì trong một thời gian không quá bé. Như vậy, tạo ra và duy trì phản ứng tổng hợp nhiệt hạch nhằm biến năng lượng nó phát ra thành sản phẩm hữu ích phụng sự hạnh phúc con người, như điện năng, là điều không dễ dàng.
Hình 2.6. Sơ đồ mô tả tổng hợp nhiệt hạch