Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 7: Vật lý hạt nhân - Chuyên đề 1: Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 7: Vật lý hạt nhân - Chuyên đề 1: Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử

1. CHƯƠNG 7: VẬT LÝ HẠT NHÂN CHUYÊN ĐỀ 1: CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM 1. Cấu tạo hạt nhân Hạt nhân là phần “lõi” của nguyên tử cấu tạo từ các nuclôn: Kí Điện Tên nuclôn Khối lượng hiệu tích prôton p +e 1,67262.10 27 kg nơtron n 0 1,67493.10 27 kg Hạt nhân mang điện tích dương. Kí hiệu hạt nhân của nguyên tố X: Cấu tạo và vị trí hạt nhân trong nguyên tử Ví dụ: Hạt nhân của nguyên tố sắt (Fe) Trong đó Số prôtôn Z 26 . Số prôtôn = số electron = số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn = Z (gọi là nguyên tử số hay điện tích hạt nhân). Số nuclôn = số prôtôn + số nơtron = A (gọi là số Số khối: A Z N 56 khối) A Z N Suy ra số nơtron: N A Z 56 26 30 . 2. Đồng vị Là những nguyên tử mà hạt nhân có cùng số Ví dụ: Cacbon (C) có hai đồng vị là: prôtôn nhưng khác số nơtron. 12 6 C : Z1 6;A1 12 N1 A1 Z1 6 (Z1 Z2 ; N1 N2 ) 13 6 C : Z2 6;A2 13 N2 A2 Z2 7 N1 Có 2 loại đồng vị là đồng vị bền và đồng vị phóng xạ. 3. Đơn vị khối lượng nguyên tử Để đo khối lượng nguyên tử, ta thường sử dụng Ví dụ: khối lượng prôtôn đơn vị u (đơn vị cacbon) 27 1,6727 mp 1,6762.10 kg 1,0073u . u 1,66055.10 27 kg 1,66055 Một nguyên tử có số khối là A thì khối lượng 56 Ví dụ: Nguyên tử 26 Fe có khối lượng xấp xỉ bằng: của nó xấp xỉ bằng 56 u A.u Trang 1
2. 2 E Ví dụ: Khối lượng prôtôn: Từ hệ thức Anh-xtanh: E mc m 2 ta có c 2 mp 1,0073u 1,0073.931,5 938,3MeV / c thêm một đơn vị nữa về khối lượng. 1u 931,5MeV / c2 4. Lực hạt nhân Các hạt nuclôn trong hạt nhân hút nhau bằng các lực rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Lực này không phải lực tĩnh điện cũng không phải lực hấp dẫn. Lực này chỉ có tác dụng trong phạm vi kích cỡ hạt nhân. 5. Độ hụt khối Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó. Chênh lệch khối lượng đó gọi là độ hụt khối: m Z.mp A Z .mn m Theo thuyết tương đối, độ hụt khối này tương ứng với một lượng năng lượng: 2 Wlk m.c gọi là năng lượng liên kết. Khi tổng hợp các nuclôn riêng rẽ thành hạt nhân thì tỏa ra năng lượng đúng bằng năng lượng liên kết. Ngược lại để tách hạt nhân thành các nuclôn riêng biệt thì cần năng lượng đúng bằng năng lượng liên kết để thắng lực hạt nhân. Năng lượng liên kết tính cho một nuclôn gọi là 16 năng lượng liên kết riêng. Ví dụ: với hạt nhân 8 O có W W 8MeV / nuclôn bền vững hơn hạt 235 U có W lk MeV / nuclôn lkr 92 lkr A Wlkr 7,6 MeV / nuclôn Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Nhận biết cấu tạo hạt nhân 1. Phương pháp giải Vận dụng công thức xác định số prôtôn và 12 Ví dụ: Hạt nhân 6 C có 6 prôtôn. nơtron để tính số hạt trong hạt nhân. Ví dụ: số mol hạt nhân có trong 0,6g 12 C là: Vận dụng công thức liên hệ số mol, khối lượng 6 m 0,6 mol và khối lượng. n 0,05mol Đơn vị: M 12 m n M Với: n: số mol (đơn vị: mol) Trang 2
3. m: khối lượng (đơn vị: g) M: khối lượng mol (đơn vị: u) Trong đó khối lượng mol M có độ lớn bằng số khối A. Trong 1 mol có chứa 6,02.1023 nguyên tử, phân Số hạt nhân có trong 0,05 mol là: tử, hạt nhân của nguyên tố ấy. 0,05. 6,02.1023 3.01.1023 . 23 1 NA 6,02.10 mol là số Avôgadrô. 2. Ví dụ minh họa 27 Ví dụ 1: Trong hạt nhân 13 Al có A. 13 nuclôn và 27 nơtron.B. 27 nuclôn và 13 nơtron. C. 14 nuclôn và 27 nơtron.D. 27 nuclôn và 14 nơtron. Hướng dẫn Số nuclôn trong hạt nhân bằng số khối A 27 , số prôtôn trong hạt nhân bằng Z 13 . Suy ra số nơtron bằng A Z 27 13 14. Chọn D. 226 235 Ví dụ 2: So với hạt nhân 88 Ra , hạt nhân 92 U có nhiều hơn A. 3 prôtôn và 4 nơtron.B. 4 prôtôn và 5 nơtron C. 4 prôtôn và 4 nơtron.D. 4 prôtôn và 6 nơtron Hướng dẫn Số prôtôn trong hạt nhân bằng Z: ZRa 88; ZU 92 Suy ra U có nhiều hơn Ra: 92 88 4prôtôn . Số nơtron trong hạt nhân Ra là: NRa ARa ZRa 226 88 138 . Số nơtron trong hạt nhân U là: NU AU ZU 235 92 143. Suy ra u có nhiều hơn Ra: 143 138 5 nơtron . Chọn B. 23 1 16 Ví dụ 3: Biết số Avôgadrô NA 6,02.10 mol . Số hạt nhân có trong 4 g hạt nhân 8 O là: A. 1,505.1023. B. 1,805.1023 . C. 1,405.1023 . D. 1,405.1022 . Hướng dẫn m 4 Số mol hạt nhân là: n 0,25mol. M 16 23 23 Số hạt nhân có trong 0,25 mol là: NO n.NA 0,25.6,02.10 1,505.10 . Chọn A. 23 1 14 Ví dụ 4: Biết số Avôgadrô NA 6,02.10 mol . Số prôtôn có trong 7 g hạt nhân 7 N là: Trang 3
4. A. 4,124.1024. B. 2,107.1024. C. 1,235.1024 . D. 6,235.1024 . Hướng dẫn Trong 1 hạt nhân N có Z 7 prôtôn. Vậy chỉ cần tính được số hạt nhân có trong 7g ta sẽ tính được số prôtôn. m 7 Số mol hạt nhân: n 0,5mol . M 14 23 23 Số hạt nhân có trong 7 g là: NN n.NA 0,5.6,02.10 3,01.10 . 23 23 24 Suy ra số prôtôn có trong 7 g là: Np 3,01.10 .7 21,07.10 2,107.10 . Chọn B. 3. Bài tập tự luyện 10 Câu 1: Cho hạt nhân 5 X . Hãy tìm phát biểu sai? A. Số nơtron là 5.B. số prôtôn là 5. C. Số nuclôn là 10.D. Điện tích nhân là 6e. Câu 2: Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt A. proton.B. nơtron.C. nuclôn.D. electron. Câu 3: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về hạt nhân nguyên tử? A. Hạt nhân có nguyên tử số Z thì chứa Z prôtôn. B. Số nuclôn bằng số khối A của hạt nhân. C. Số nơtron bằng hiệu số khối A và số prôtôn Z. D. Hạt nhân trung hòa về điện. 24 Câu 4: Hạt nhân 11 Na có A. 11 prôtôn và 24 nơtron.B. 13 prôtôn và 11 nơtron. C. 24 prôtôn và 11 nơtron.D. 11 prôtôn và 13 nơtron. Đáp án: 1 – D 2 – C 3 – D 4 – D Dạng 2: Độ hụt khối và năng lượng liên kết 1. Phương pháp giải Vận dụng công thức tính độ hụt khối, năng 60 Ví dụ: Hạt nhân 27 Co có khối lượng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng. mCo 59,934 u . Biết khối lượng của các hạt Độ hụt khối: mp 1,007276 u , mn 1,008665 u . Độ hụt khối m Z.m A Z .m m p n của hạt nhân đó là Năng lượng liên kết: m Z.mp A Z .mn m 2 Wlk Amc 27.1,007276 60 27 .1,008665 59,934 Chú ý: Sau khi tính được độ hụt khối ta chỉ cần lấy giá trị đó nhân với 931,5 được năng lượng liên kết 0,548u đơn vị là MeV. Năng lượng liên kết: Trang 4
5. Đổi đơn vị: 2 2 Wlk m.c 0,548.u.c 1eV 1,6.10 19 J MeV 2 0,548.931,5. 2 .c 510,5MeV. 1MeV 106 eV 1,6.10 13 J. c 2. Ví dụ minh họa 27 Ví dụ 1: Khối lượng hạt nhân nguyên tử nhôm 13 Al là 26,9803 u. Khối lượng của prôtôn và nơtron lần lượt là 1,00728 u và 1,00866 u. Biết 1 u 931,5 MeV / c2 . Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân nhôm là: A. 219,44 MeV/ nuclôn. B. 8,13 MeV/ nuclôn. C. 211,14 MeV/ nuclôn. D. 7,82 MeV/ nuclôn. Hướng dẫn Để tính được năng lượng liên kết riêng ta cần tính được năng lượng liên kết trước. Độ hụt khối của hạt nhân: m Z.mp A Z .mn m 13.1,00728 27 13 .1,00866 26,9803 0,23558u 2 Năng lượng liên kết hạt nhân: Wlk m.c 0,23558.931,5 219,44MeV. W 219,44 Năng lượng liên kết riêng: W lk 8,13MeV . lkr A 27 Chọn B. 16 Ví dụ 2: Hạt nhân 8 O có năng lượng liên kết bằng 128 MeV. Biết khối lượng của nơtron 2 mn 1,008665 u , của prôtôn mp 1,007276 u và 1 u 931,5 MeV / c . Khối lượng của hạt nhân là: A. 15,8665 u. B. 15,9901 u. C. 15,7276 u. D. 15,8472 u. Hướng dẫn Biết năng lượng liên kết của hạt nhân ta có thể tính độ hụt khối rồi tính ra khối lượng hạt nhân. W 128 256 m lk u c2 931,5 1863 Mặt khác: m Z.mp A Z .mn m 256 8.1,007276 16 8 .1,008665 m m 15,9901u . 1863 Chọn B. Ví dụ 3: Cho khối lượng của prôtôn và nơtron lần lượt bằng mp 1,0073 u và mn 1,0087 u . Khối 40 6 230 lượng của các hạt nhân 18 Ar , 3 Li , 90 Th lần lượt bằng 39,9525 u, 6,0145 u, 229,9737 u. So sánh nào sau đây là đúng về độ bền vững của các hạt nhân? A. Ar bền vững hơn Li.B. Li bền vững hơn Th. C. Th bền vững hơn Ar.D. Ba hạt nhân bền vững như nhau. Hướng dẫn Trang 5
6. Để so sánh được độ bền vững, ta cần tính được các năng lượng liên kết riêng. Năng lượng liên kết của hạt nhân Ar: 2 WlkAr m.c ZAr .mp AAr ZAr .mn mAr .931,5 344,93 MeV . W 344,93 Năng lượng liên kết riêng: W lkAr 8,62Mev / nuclôn . lkrAr A 40 Năng lượng liên kết của hạt nhân Li: 2 WlkLi m.c ZLi .mp ALi ZLi .mn mLi.931,5 31,21 MeV. W 31,21 Năng lượng liên kết riêng W lkLi 5,20Mev / nuclôn . lkrLi A 6 Năng lượng liên kết của hạt nhân Th: 2 WlkTh m.c ZTh .mp ATh ZTh .mn mTh .931,5 1771,06 MeV. W 1771,06 Năng lượng liên kết riêng W lkTh 7,7Mev / nuclôn . lkrTh A 230 So sánh các năng lượng liên kết riêng ta có: WlkrAr WlkrTh WlkrLi Như vậy độ bền vững giảm dần từ Ar đến Th đến Li Chọn A. 3. Bài tập tự luyện 27 Câu 1: Cho hạt nhân 13 Al (nhôm) có khối lượng mAl 26,9972u . Tính độ hụt khối của hạt nhân biết mp 1,0073 u, mn 1,0087 u ? A. m 0,1295u. B. m 0,0295u. C. m 0,2195u. D. m 0,0925u. 235 Câu 2: Hạt nhân 92 U có năng lượng liên kết 1784 MeV. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân này là A. 5,46 MeV/ nuclôn.B. 12,48 MeV/ nuclôn. C. 19,39 MeV/ nuclôn.D. 7,59 MeV/ nuclôn. Đáp án: 1 – C 2 – D PHẦN 3: BÀI TẬP TỔNG HỢP 210 Câu 1: Hạt nhân 84 Po có điện tích là: A. 210 e.B. –126 e. C. 84 e . D. 0. 235 Câu 2: Cho hạt nhân 92 U (Urani) có mU 235,098 u . Tính năng lượng liên kết của hạt nhân theo đơn 2 vị Jun, biết khối lượng các nuclôn là mp 1,0073 u, mn 1,0087 u . 1u 931,5 MeV / c . A. E 2,7.10 13 J . B. E 2,7.10 16 J . C. E 2,7.10 10 J . D. E 2,7.10 19 J . 2 Câu 3: Hạt nhân đơteri 1 D có khối lượng 2,0136 u. Biết khối lượng của prôtôn là 1,0073 u và khối lượng của nơtron là 1,0087 u. Năng lượng liên kết của hạt nhân là : A. 0,67 MeV.B. 1,86 MeV.C. 2,02 MeV. D. 2,23 MeV. Trang 6
7. Câu 4: Giả sử hai hạt X và Y có độ hụt khối bằng nhau và số nuclôn của hạt nhân X lớn hơn số nuclôn của hạt nhân Y, khi đó A. năng lượng liên kết riêng của hai hạt nhân bằng nhau. B. hạt nhân X bền vững hơn hạt nhân Y. C. hạt nhân Y bền vững hơn hạt nhân X. D. năng lượng liên kết của hạt nhân X lớn hơn năng lượng liên kết của hạt nhân Y. 230 Câu 5: Cho hạt nhân 90 Th (Thori) có mTh 230,0096 u . Tính năng lượng liên kết của hạt nhân biết 2 khối lượng các nuclôn là mp 1,0073 u, mn 10087 u, 1 u 931,5 MeV / c A. 1737,62 MeV/ nuclôn.B. 5,57 MeV/ nuclôn. C. 7,55 MeV/ nuclôn.D. 12,41 MeV/ nuclôn. Đáp án: 1 – C 2 – C 3 – D 4 – C 5 – C Trang 7