1. Hệ thức Anhstanh
Một vật cĩ khối lượng m thì cĩ một năng lượng E = mc2, gọi là năng lượng nghỉ. Năng lượng nghỉ cĩ thể biến đổi thành năng lượng thơng thường và ngược lại.
Khi khối lượng giảm, năng lượng nghỉ giảm: năng lượng nghĩ chuyển hố thành năng lượng thơng thường.
Khi khối lượng tăng thì năng lượng nghĩ tăng, năng lượng thơng thường chuyển hố thành năng lượng nghĩ.
Trong phản ứng hạt nhân chỉ cĩ năng lượng tồn phần bao gồm cả năng lượng thơng thường và năng lượng nghỉ mới được bảo tồn.
Từ hệ thức Anhxtanh ta thấy cĩ thể dùng đơn vị khối lượng là eV/c2 hoặc MeV/c2. 1u = 931MeV/c2 = 1,66.10-27kg.
2. Độ hụt khối và năng lượng liên kết
+ Độ hụt khối của một hạt nhân là hiệu số giữa tổng khối lượng của các nuclơn cấu tạo nên hạt nhân và khối lượng hạt nhân đĩ: ∆m = Zmp + (A – Z)mn – mhn
+ Năng lượng liên kết của hạt nhân là năng lượng toả ra khi các nuclơn riêng lẽ liên kết thành hạt nhân và đĩ cũng là năng lượng cần cung cấp để phá vở hạt nhân thành các nuclơn riêng lẽ: ∆E = ∆mc2
+ Năng lượng liên kết riêng
Năng lượng liên kết riêng của mỗi hạt nhân là năng lượng liên kết tính cho mỗi nuclơn của hạt nhân đĩ: ε =
A E
∆
Hạt nhân cĩ năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
3. Phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng và thu năng lượng
Phản ứng hạt nhân toả năng lượng là phản ứng trong đĩ các hạt sinh ra cĩ tổng khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng các hạt ban đầu, nghĩa là bền vững hơn các hạt nhân ban đầu.
Năng lượng toả ra: ∆E = (Mo - M)c2
Phản ứng hạt nhân thu năng lượng là phản ứng trong đĩ các hạt sinh ra cĩ tổng khối lượng lớn hơn tổng khối lượng các hạt ban đầu, nghĩa là kém bền vững hơn các hạt nhân ban đầu.
Năng lượng thu vào: ∆E = (M – Mo)c2
4. Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng
Các hạt nhân cĩ số khối trung bình cĩ năng lượng liên kết riêng lớn hơn năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân cĩ số khối nhỏ ở đầu bảng và các hạt nhân cĩ số khối lớn ở cuối bảng tuần hồn. Vì vậy cĩ thể cĩ hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng:
Một hạt nhân rất nặng như urani, plutơni, ... hấp thu một nơtrơn rồi vỡ thành hai hạt nhân cĩ số khối trung bình và toả ra năng lượng. Sự vỡ này cĩ tên là sự phân hạch.
Hai hạt nhân rất nhẹ như hiđrơ, hêli, ... kết hợp với nhau thành 1 hạt nhân nặng hơn và toả ra năng lượng. Phản ứng kết hợp này gọi là phản ứng nhiệt hạch.
17
Tài liệu ơn Lí thuyết vật lí thi TNTHPT-Trường THPT Hạ Lang – Cao Bằng VI. SỰ PHÂN HẠCH
1. Sự phân hạch
+ Sự phân hạch là hiện tượng một hạt nhân rất nặng hấp thụ một nơtrơn chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân nặng trung bình.
+ Đặc điểm của sự phân hạch: mỗi phản ứng phân hạch sinh ra từ 2 đến 3 nơtrơn và toả ra một năng lượng khoảng 200MeV.
2. Phản ứng dây chuyền
+ Phản ứng phân hạch sinh ra một số nơtrơn thứ cấp. Nếu sau mỗi lần phân hạch cịn lại trung bình s nơtrơn gây được phân hạch mới và khi s ≥ 1 thì sẽ cĩ phản ứng hạt nhân dây chuyền.
+ Các chế độ của phản ứng dây dây chuyền: với s > 1: phản ứng dây chuyền vượt hạn, khơng khống chế được, với s = 1: phản ứng dây chuyền tới hạn, kiểm sốt được, với s < 1: phản ứng dây chuyền khơng xảy ra.
+ Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra - Các nơtrơn sinh ra phải được làm chậm lại.
- Để cĩ s ≥ 1 thì khối lượng của khối chất hạt nhân phân hạch phải đạt tới một giá trị tối thiểu nào đĩ gọi là khối lượng tới hạn mh. Ví dụ: Với 235U, khối lượng tới hạn mh = 50kg.
3. Nhà máy điện nguyên tử
+ Bộ phận chính là lị phản ứng hạt nhân, ở đĩ phản ứng phân hạch được giữ ở chế độ tới hạn khống chế được.
+ Nhiên liệu của nhà máy điện nguyên tử là các thanh Urani đã làm giàu 235U đặt trong chất làm chậm để giảm vận tốc nơtrơn.
+ Để đạt được hệ số s = 1, người ta đặt vào lị các thanh điều chỉnh hấp thụ bớt các nơtrơn .
+ Năng lượng do phân hạch tỏa ra dưới dạng động năng của các hạt được chuyển thành nhiệt năng của lị và truyền đến nồi sinh hơi chứa nước. Hơi nước được đưa vào làm quay tua bin máy phát điện. VII. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.
Là phản ứng tỏa năng lượng, tuy một phản ứng kết hợp tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng nhiều hơn.
Phản ứng phải thực hiện ở nhiệt độ rất cao (hàng trăm triệu độ).
Lý do: các phản ứng kết hợp rất khĩ xảy ra vì các hạt nhân mang điện tích dương nên chúng đẩy nhau. để chúng tiến lại gần nhau và kết hợp được thì chúng phải cĩ một động năng rất lớn để thắng lực đẩy Culơng. để cĩ động năng rất lớn thì phải cĩ một nhiệt độ rất cao.
Trong thiên nhiên phản ứng nhiệt hạch xảy ra trên các vì sao, chẵng hạn trong lịng Mặt Trời.
Con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng khơng kiểm sốt được, ví dụ sự nổ của bom khinh khí (bom H).
B. CÁC CƠNG THỨC.
Hạt nhân AX
Z . Cĩ A nuclon ; Z prơtơn ; N = (A – Z) nơtrơn. Định luật phĩng xạ: N = No T t − 2 = No e-λt ; m = mo T t − 2 = moe-λt. H = λN = λ No e-λt = Ho e-λt ; với λ = T T 693 , 0 2 ln = =
Số hạt trong m gam chất đơn nguyên tử: N = NA A m
. Năng lượng nghĩ: E = mc2.
Độ hụt khối của hạt nhân: ∆m = Zmp + (A – Z)mn – mhn. Năng lượng liên kết : ∆E = ∆mc2.
Năng lượng liên kết riêng: ε =
A E
∆
.
Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững. 18
Tài liệu ơn Lí thuyết vật lí thi TNTHPT-Trường THPT Hạ Lang – Cao Bằng Các định luật bảo tồn trong phản ứng hạt nhân: a + b → c + d
Bảo tồn số nuclon (số khối): Aa + Ab = Ac + Ad. Bảo tồn điện tích: Za + Zb = Zc + Zd.
Bảo tồn động lượng: mav→a+mbv→b =mcv→c+md v→d
Bảo tồn năng lượng: (ma + mb)c2 + 2 2 a av m + 2 2 b bv m = (mc + md)c2 + 2 2 c cv m + 2 2 d dv m
Nếu Mo = ma + mb > M = mc + md ta cĩ phản ứng hạt nhân toả năng lượng, nếu Mo < M ta cĩ phản ứng hạt nhân thu năng lượng. Năng lượng toả ra hoặc thu vào: E = |Mo – M|.c2.
Trong phản ứng hạt nhân khơng cĩ sự bảo tồn khối lượng.
C. CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM.
(Các em làm các câu trắc nghiệm ở các sách CHUẨN KIẾN THỨC , SÁCH BÀI TẬP VÀ SÁCH THAM KHẢO KHÁC,...)
19