- Hiểu được cấu tạo và những tính chất cơ bản của hạt nhân nguyên tử, thế nào là hiện tượng
4.3.Sự phân hạch Phản ứng dây chuyền Phản ứng nhiệt hạch Lò phản ứng
4.3.1. Sự phân hạch và phản ứng dây chuyền
Thực nghiệm cho biết nếu truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn thì nó có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh. Năng lượng cực tiểu để làm vỡ hạt nhân gọi là năng lượng ngưỡng
phân hạch hay năng lượng kích hoạt. Lí thuyết chứng tỏ rằng năng lượng kích hoạt phụ thuộc vào tỉ số Z2/A theo hệ thức: 2 / 3( 2 )
k
E =0,18 A 5,2 0,117Z / A MeV .− (4.22)
4.3.1.1. Năng lượng vỡ hạt nhân
Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng của các mảnh vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra tương ứng với độ hụt khối đó gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch.
4.3.1.2. Phản ứng dây chuyền của sự vỡ hạt nhân Uran
Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra thì điều kiện cần thiết là mọi hạt nhân khi vỡ trung bình phải phát ra nhiều nơtron. Những nơtron này lại có thể bắn phá các nhân uran khác ở gần đó và cứ thể phản ứng tiếp diễn.
Thực tế không phải tất cả nơtron sinh ra đều gây phản ứng vỡ hạt nhân, có nhiều nơtron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau. Nên muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới hệ số nhân nơtron k. Nó phụ thuộc tỉ số số nơtron sinh ra và số nơtron mất đi. Nếu k<1 thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Nếu k = 1 thì phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra với mật độ nơtron không đổi. Nếu k>1 thì dòng nơtron sẽ tăng liên tục theo thời gian và dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.
Uran thiên nhiên chứa 99,3% đồng vị 238 và 0,7% đồng vị 235. Hạt U238 chỉ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh, năng lượng lớn hơn 1MeV, nếu hấp thụ hạt nơtron có năng lượng dưới 1MeV thì nó sẽ biến đổi thành hạt Pu239. Hạt U235 hấp thụ cả hai loại hạt nơtron nhanh và chậm, xác suất hấp thụ nơtron chậm lớn hơn nhiều.
Thành thử trong một môi trường đồng nhất nồng độ đồng vị 238 lớn thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Trái lại với một khối lượng đồng vị 235 đủ lớn thì phản ứng dây chuyền tự phát có thể xảy ra và chỉ sau một thời gian ngắn đã tỏa ra một nhiệt lượng lớn và gây ra vụ nổ nguyên tử. Ta gọi khối lượng tối thiểu của U để xảy ra phản ứng dây chuyền tự phát là khối lượng tới hạn. Nhiệt lượng tỏa ra ứng với khối lượng tới hạn này tương đương với nhiệt lượng khi đốt 2000 tấn xăng hay 25000 tấn thuốc nổ trinitrotoluen.
4.3.2. Phản ứng nhiệt hạch
Ngoài tỏa nhiệt khi phá vỡ hạt nhân nặng còn có hiện tượng tỏa nhiệt khi kết hợp các hạt nhân nhẹ, những phản ứng đó gọi là phản ứng kết hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch. Năng lượng tỏa nhiệt gọi là năng lượng nhiệt hạch
4.3.2.1. Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch
Vì các hạt nhân đồng vị hiđrô đều là những hạt tích điện dương nên muốn tạo ra phản ứng nhiệt hạch phải cung cấp cho các hạt nhân một động năng đủ lớn để vượt qua hàng rào thế năng tiến đến gần nhau ở khoảng cách 3.10-14m. Khi đó lực hạt nhân sẽ phát huy tác dụng và phản ứng sẽ xảy ra.
Ở khoảng cách đó thế năng tương tác giữa các hạt đơtêri là 0,5MeV nên muốn đẩy các hạt đơtêri lại gần nhau thì cần phải tốn một công ít nhất là 0,5MeV. Tuy nhiên có thể cung cấp cho các hạt năng lượng nhỏ hơn mà chúng vẫn có thể xuyên qua rào thế năng do hiệu ứng đường ngầm. Muốn truyền năng lượng đó cho một số lớn hạt nhân thì chỉ cần tạo nên nhiệt độ cao theo công thức: W = 3/2.kT. do đó muốn có năng lượng 0,5MeV thì cần có nhiệt độ 10010K. Thực ra thì chỉ cần 108K là đã xảy ra phản ứng nhiệt hạch.
Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ. Có thể dùng bom hạt nhân để tạo ra nhiệt độ đó nhưng phản ứng nhiệt hạch sẽ chỉ tồn tại một một thời gian rất ngắn khoảng 10-6s rồi tắt hẳn. Vì vậy phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong điều kiện đó gọi là phản ứng không điều khiển được.
Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển được ứng dụng làm bom khinh khí
4.3.2.3. Phản ứng nhiệt hạch điều khiển
Vì năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn năng lược tỏa ra trong phản ứng phân hạch rất nhiều và vì nhiên liệu nhiệt hạch có thể coi là vô hạn trong thiên nhiên nên một vấn đề quan trọng đặt ra là làm thế nào thực hiện được phản ứng nhiệt hạch điều khiển để đảm bảo cung cấp năng lượng mãi mãi cho nhân loại. Vấn đề cơ bản là phải giải quyết trong phản ứng nhiệt hạch là thực hiện được nhiệt độ cao hàng chục triệu độ trong một thể tích giới hạn chứa đầy đơtêri hay hỗn hợp đơtêri và liti. Ở nhiệt độ cao thì chất khí hoàn toàn bị ion hóa nghĩa là chỉ gồm các hạt nhân và êlectrôn tự do. Trạng thái đó của chất gọi là trạng thái plasma.
Muốn giữ plasma ở nhiệt độ cao hàng chục triệu độ thì phải giữ không cho plasma tiếp xúc với thành bình tránh trao đổi nhiệt. Có thể thực hiện sự cách nhiệt bằng hiệu ứng nén. Hiệu ứng này là do tương tác của dòng điện với từ trường do chính nó tạo ra giống như tương tác giữa hai dòng điện thẳng.
Muốn nung nóng plasma lên nhiệt độ rất cao người ta cho phóng qua plasma một dòng điện cực mạnh cường độ có thể lên tới 1 triệu Ampe. Dòng điện đốt nóng plasma và do hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Lenxơ. Mặt khác tác dụng từ của nó còn gây ra nén nhanh đoạn nhiệt plasma và do đó đốt nóng plasma mạnh hơn nữa.
*) Tài liệu học tập chương 4
1. Lương Duyên Bình, Ngô Phú An, Lê Băng Sương và Nguyễn Hữu Tăng(2003), Vật lý đại cương, tập 3, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
2. Lương Duyên Bình (2000), Bài tập vật lý đại cương, tập 3, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
*) Câu hỏi, bài tập và thảo luận chương 4
Câu 1. Hãy cho biết cấu tạo, kích thước và các đặc trưng của hạt nhân nguyên tử.
Câu 2. Nêu khái niệm về hiện tượng phóng xạ. Biểu thức của định luật phóng xạ. Quy luật
phóng xạ là gì?
Câu 3. Tương tác hạt nhân gồm những tương tác nào? Hãy nêu những định luật bảo toàn trong
phản ứng hạt nhân.
Câu 4. Khái niệm về năng lượng liên kết, biểu thức của năng lượng liên kết? Để đánh giá độ
bền vững của một hạt nhân người ta dựa vào đại lượng nào?
Câu 5. Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch là gì? Phản ứng nào có khả năng tạo ra
nhiệt lượng lớn hơn? Nêu nguyên tắc để tạo ra phản ứng phân hạch dây chuyền.
Bài 4.1.
a. Tính năng lượng kết của các hạt nhân D, T, 126C, He24 sắp xếp theo tính bền vững. b. Tính năng lượng tối thiểu để chia hạt nhân 12C
6 thành 3 hạt α.
Cho mP = 1,0073u, mn = 1,0087u, mD = 2,0136u, mT = 3,016u, mC = 12,000u, mα = 4,0015u, 1u.c2 = 931 MeV.
Bài 4.2. Năng lượng liên kết của hạt nhân 35Cl
17 là 298 MeV. Hãy tìm khối lượng của nó theo đơn vị khối lượng nguyên tử.
Bài 4. 3. Ytri 90Y
39 là chất phóng xạ β− và toả một năng lượng 2,27MeV. Hãy tính khối lượng của sản phẩm theo đơn vị u. Biết khối lượng của Y là mY = 89,90667u.
Bài 4. 4. Tính năng lượng toả ra khi tổng hợp được 1g Heli từ prôtôn và nơtrôn. Cho biết khối
lượng của các hạt là: mHe = 4,0015u, mp = 1,0073u, mn = 1,0087u, 1u = 931,5 MeV/cl2.
Bài 4. 5. Polôni 210Po
84 là chất phóng xạ α với chu kỳ bán rã là T.
a. Viết phương trình phóng xạ trên. Hãy cho biết tên gọi và cấu tạo của sản phẩm.
b. Tính khối lượng của Pôlôni còn lại và khối lượng chất tạo thành sau thời gian bằng nửa chu kỳ bán rã của Pôlôni. Giả thiết ban đầu có 1 kg Pôlôni.
c. Tính khối lượng ban đầu của khối Pôlôni biết độ phóng xạ ban đầu của nó là 2Ci và chu kỳ bán rã là T = 138 ngày.
d. Tính khối lượng của khối Pôlôni biết tại thời điểm đó độ phóng xạ của nó là 1Ci. e. Lượng Pôlôni giảm bao nhiêu phần trăm sau 414 ngày
f. Ban đầu có 100g Pôlôni hỏi sau bao lâu chất phóng xạ đó chỉ còn 10g.
g. Sau thời gian bao lâu thì 75% khối lượng của 1 khối chất phóng xạ Pôlôni bị phân rã hết.
Bài 4. 6. Tính xem trong một năm khối lượng khí hêli được tạo thành từ 1mg 226
88Ra chứa trong một hộp kín bằng bao nhiêu? Biết chu kì bán rã của Ra là 1620 năm.
Bài 4. 7. Hãy xác định hằng số phân rã của đồng vị phóng xạ 55Co
27 , biết rằng số nguyên tử của của đồng vị ấy cứ mỗi giờ giảm 38%.
Bài 4. 8. Một mẫu phóng xạ 60Co
27 có chu kì bán rã T = 4năm. Lúc ban đầu mỗi ngày có 1014 hạt nhân của mẫu bị phân rã. Hãy tính số hạt nhân của nguồn ấy bị phân rã trong 2 ngày vào thời gian 8 năm sau.
Bài 4. 9. Hạt nhân Pôlôni ( 210Po
84 ) là hạt nhân phóng xạ α, sản phẩm phóng xạ là chì Pb. Dùng một mẫu Pôlôni nào đó, sau 30 ngày người ta thấy tỉ số giữa khối lượng của chì và khối lượng của Pôlôni trong mẫu bằng 0,1595. Tìm chu kỳ bán rã của Pôlôni.
Bài 4. 10. Độ phóng xạ của một chất phóng xạ giảm trong 2 ngày từ 4mCi còn 2,4mCi. Hỏi
hoạt độ phóng xạ sau 8 ngày tiếp theo là bao nhiêu.
Bài 4. 11. Pôlôni 210Po
84 là một chất phóng xạ có chu kỳ bán rã T =138 ngày.
a. Tính độ phóng xạ ban đầu của 1 mg Pôlôni và độ phóng xạ của nó sau 17,25 ngày và 34,5 ngày.
b. Sau 1 thời gian số hạt nhân Pôlôni chưa bị phân rã chỉ còn lại 1 nửa so với ban đầu. Hỏi độ phóng xạ của Pôlôni tăng lên hay giảm đi bao nhiêu lần?
Bài 4. 12. Lúc đầu có một mẫu Pôlôni 210Po
84 nguyên chất là chất phóng xạ có chu kỳ bán rã là T = 138 ngày và chuyển thành chì Pb. Tính tuổi của mẫu chất trên nếu lúc khảo sát khối lượng của Pôlôni gấp 4 lần khối lượng chì.
Bài 4. 13. Urani 238U
92 sau một loạt các phóng xạ α và β- , cuối cùng biến thành chì 206Pb