Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương 8: Hạt nhân nguyên tử

Nội dung text: Lý thuyết Vật lí Lớp 12 - Chương 8: Hạt nhân nguyên tử

1. CHƯƠNG 8. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ A. LÍ THUYẾT I. CẤU TẠO HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ (đường kính cỡ 10 14 m đến 10 15 m) và được cấu tạo bởi những hạt nhỏ hơn gọi là nuclon. Có hai loại nuclon là: proton và notron. Kí Nuclon Khối lượng theo kg Khối lượng theo u Điện tích hiệu 1 27 19 Proton 1 H mp 1,67262.10 kg mp 1,00728 u e l,6.10 C 1 27 Không mang điện Notron 0 n mn 1,67493.10 kg mn 1,00728 u tích. Bảng 8.1: Hai loại nuclon: proton và notron 2. Kí hiệu hạt nhân A Z X Trong đó: X là tên hạt nhân A số nuclon: số khối Z số proton điện tích hạt nhân (nguyên tử số) N A Z : số notron STUDY TIP Lớp vỏ nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt electron có khối lượng rất nhỏ so với khối lượng của các hạt nuclon (nhỏ hơn cỡ 1840 lần) nên khối lượng nguyên tử chủ yếu tập trung ở hạt nhân. Khối lượng nguyên tử được lấy gần đúng bằng khối lượng hạt nhân. Ví dụ: 27 13 Al có Z 13,A 27 nên N 27 13 14 3. Bán kính hạt nhân 1 Bán kính hạt nhân xác định bởi: R 1,2.10 15 A 3 m Trong đó: R là bán kính hạt nhân A là số khối Ví dụ: + Bán kính hạt nhân H: R 1,2.10 15 m + Bán kính hạt nhân Al: R 3,6.10 15 m 4. Lực hạt nhân Hạt nhân được cấu tạo bởi hạt mang điện và không mang điện nhưng chúng vô cùng bền vững, chứng tỏ rằng các nuclon liên kết với nhau bởi lực rất mạnh, gọi là lực hạt nhân. Trang 1
2. Lực hạt nhân có bán kính tác dụng trong phạm vi hạt nhân nguyên tử (khoảng 10 15 m) Chú ý Lực hạt nhân có bản chất khác với lực hấp dẫn, lực Culông, lực từ, đồng thời mạnh hơn rất nhiều so với các lực đó. 5. Đồng vị Đồng vị là những nguyên tử có cùng số prôtôn (Z), nhưng khác số nơtrôn (N) dẫn tới khác số nuclôn (A). 1 2 2 3 3 Ví dụ: Hidrô có ba đồng vị: 1 H;1 H 1 D ;1 H 1 T Các đồng vị thường có tính chất hóa học tương tự nhau và được xếp cùng một ô trong bảng tuần hoàn. Có hai loại đồng vị: Đồng vị bền là đồng vị mà hạt nhân của nó không có một biến đổi tự phát nào trong suốt quá trình tồn tại. Trong thiên nhiên có khoảng 300 đồng vị bền. Đồng vị phóng xạ (không bền) là đồng vị mà hạt nhân của nó tự động phát ra những tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân của nguyên tố khác. Có khoảng vài nghìn đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo. 6. Khối lượng nguyên tử, khối lượng hạt nhân Vì nếu tính theo đơn vị thông thuờng kg thì một hạt nhân viết theo đơn vị kg sẽ rất dài. Do vậy, trong Vật lí hạt nhân, người ta đưa ra khái niệm khối lượng nguyên tử. 1 Khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u và có giá trị băng khối lượng đồng vị cacbon 12 C (vì vậy, đôi khi 12 6 đơn vị này còn gọi là đơn vị cacbon) 1 12 1 12 27 1u . g . 23 g 1,66055.10 kg 12 NA 12 6,0221.10 Chú ý: E Hệ thức Anh-xtanh E mc2 hay m chứng tỏ rằng khối lượng còn có thể đo bằng đơn vị của năng c2 lượng chia cho c2 , cụ thể là nó có thể đo bằng eV / c2 hoặc MeV / c2 (ở đây 1eV 1,6.10 19 J). Ta hãy tính năng lượng có trong 1u: E mc2 1u.c2 l,66055.10 27 kg. 299792458 2 m / s 2 1,492427912.10 10 1,492427912.10 10 J eV 931500275eV 931,5MeV 1,60217656535.10 19 Từ đó ta có: 1u 931,5MeV / c2 STUDY TIP Một nguyên tử có khối lượng xấp xỉ bằng số khối A khi tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử u. Ví dụ 27 13 Al có khối lượng nguyên tử xấp xỉ 27u. II. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ Trang 2
3. 1. Khái niệm Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phá phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác Người ta quy ước gọi hạt nhân phóng xạ là hạt nhân mẹ và hạt nhân sản phẩm phân rã là hạt nhân con. 2. Đặc điểm Quá trình phân rã phóng xạ chỉ do các nguyên nhân bên trong gây ra và hoàn toàn không chịu tác động của các yếu tố bên ngoài như: nhiệt độ, áp suất, 3. Các tia phóng xạ 3.1. Tia Hạt nhân mẹ X phân rã tạo thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ theo phản ứng: A A 4 4 Z X Z 2 Y 2 He 4 - Bản chất là dòng hạt nhân 2 He mang điện tích dương, vì thế khi bay vào điện trường giữa hai bản của tụ điện thì sẽ bị lệch về bản tụ âm. - Ion hóa chất khí mạnh, khả năng đâm xuyên yếu (không xuyên qua được tấm bìa dày cỡ 1 mm). - Hạt phóng ra từ hạt nhân có vận tốc khoảng 2.107 m / s và bay ngoài không khí khoảng 8 cm. - Phóng xạ làm hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng hệ thống tuần hoàn. 3.2. Tia  Tia  gồm 2 loại: - Tia  hay: là loại tia phổ biến, có bản chất là chùm electron mang điện tích e. Hạt này được sinh ra khi bên trong hạt nhân có sự biến đổi 1 0 1 0 n 1 e 1 p v 0 Ở đây 0 v là hạt notrinô. 0 - Tia  hay 1e : hiếm hơn  , bản chất là chùm hạt có khối lượng như electron nhưng mang điện tích e, gọi là các pozitron. Hạt này được sinh ra khi bên trong hạt nhân có sự biến đổi 1 0 1 1 p 1 e 0 n v 0 Ở đây 0 v là phản hạt nơtrinô. Chú ý - Các tia  khi bay trong điện trường thì bị lệch nhiều hơn so với các tia do khối lượng của chúng nhẹ hơn khối lượng của tia nhiều lần. - Các tia  khi mới phóng ra có vận tốc rất lớn, có thể đạt xấp xi bằng tốc độ ánh sáng. Có thể bay tới vài mét trong không khí và có thể xuyên qua lá nhôm dày cỡ milimét. - Các tia  có thể làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn so với tia Trang 3
4. 3.3. Tia  Tia  có bản chất là sóng điện từ có bưóc sóng rất ngắn. Đây là chùm photon mang năng lượng lớn, có khả năng đâm xuyên rất mạnh và là tia nguy hiểm với con người. Khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều so với tia và tia . 4. Định luật phóng xạ 4.1. Đặc tính của quá trình phóng xạ - Có bản chất là quá trình biến đổi hạt nhân. - Có tính tự phát và không điều khiển được, không phụ thuộc vào tác động của các yếu tố phụ thuộc vào môi trường bên ngoài như nhiệt độ, áp suất - Là một quá trình ngẫu nhiên: với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân hủy của nó là không xác định. Ta chỉ có thể nói đến xác suất phân hủy của hạt nhân đó. Như vậy ta không thể khảo sát sự biến đổi của một hạt nhân đơn lẻ. 4.2. Định luật phóng xạ Xét một mẫu phóng xạ. Gọi No là số hạt nhân của mẫu phóng xạ tại thời điểm ban đầu t 0. Số hạt nhân của mẫu phóng xạ tại thời điểm t là t T N No 2 ln 2 t T t Hay có thể viết: N No 2 Noe ln 2 Với  gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho từng chất phóng xạ. T T là chu kì bán rã, là thời gian số lượng hạt nhân còn lại 1 nửa so với ban đầu. N Vì m M nên khối lượng của chất phóng xạ tỉ lệ thuận với số hạt nhân phóng xạ. Do đó ta có: NA t T m mo 2 Với m là khối lượng của chất phóng xạ tại thời điểm t, mo là khối lượng của chất phóng xạ tại thời điểm ban đầu. STUDY TIP Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ III. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1. Định nghĩa phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân. Phản ứng hạt nhân có thể viết dưới dạng sau đây A B C D Trang 4
5. Trong đó A, B là các hạt nhân tương tác (hạt nhân mẹ) và C, D là các hạt sản phẩm (hạt nhân con). 2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: A1 A A2 B A3 C A4 D Z1 Z2 Z3 Z4 2.1. Định luật bảo toàn số khối Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclon hay số khối của các hạt tương tác bằng tổng số nuclon của các hạt sản phẩm. A1 A2 A3 A4 2.2. Định luật bảo toàn điện tích Trong phản ứng hạt nhân, tổng đại số điện tích các hạt tương tác bằng tổng đại số của các hạt sản phẩm. Z1 Z2 Z3 Z4 2.3. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần Năng lượng toàn phần bao gồm động năng và năng lượng nghỉ (xem phần thuyết tương đối hẹp). Trong phản ứng hạt nhân, tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm. 2.4. Định luật bảo toàn động lượng Trong phản ứng hạt nhân, véctơ tổng động lượng của các hạt tương tác bằng véctơ tổng động lượng của các hạt sản phẩm. Chú ý - Không có định luật bảo toàn khối lượng. - Số khối được bảo toàn nhưng số nơtron không bảo toàn. 3. Năng lượng trong phản ứng hạt nhân Do tính chất không bảo toàn khối lượng nghỉ, nhưng lại bảo toàn năng lượng toàn phần của hệ trong phản ứng hạt nhân, nên các phản ứng hạt nhân có thể tỏa ra năng lượng hoặc thu vào năng lượng. Gọi mtrước là tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phản ứng và msau là tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng. Năng lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng hạt nhân là 2 E mtruoc msau c - Nếu mtrước > msau thì phản ứng tỏa năng lượng. - Nếu mtrước < msau thì phản ứng thu năng lượng. 4. Độ hụt khối và năng lượng liên kết 4.1. Độ hụt khối A Khi một hạt nhân Z A tạo thành từ Z hạt proton và N hạt nơtron thì tổng khối lượng của các hạt nuclon riêng rẽ tạo thành hạt nhân là Trang 5
6. mo Zmp Nmn Tuy nhiên, các phép đo chính xác đã chứng tỏ rằng, khi hạt nhân tạo thành thì khối lượng của hạt nhân là m luôn nhỏ hơn mo một lượng m. Lượng này xác định bởi: m mo m Zmp Nmn m m Zmp A Z mn m 4.2. Năng lượng liên kết - Năng lượng liên kết là năng lượng tỏa ra khi các nuclon riêng rẽ tạo thành hạt nhân. Hay, năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ hạt nhân thành các nuclon riêng rẽ. 2 2 2 2 Elk E0 E moc mc mo m c mc - Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho mỗi nuclon của hạt nhân đó E E lk lkr A Chú ý - Hạt nhân có độ hụt khối càng lớn thì năng lượng liên kết càng lớn. - Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững và ngược lại. IV. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH, PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH 1. Phản ứng phân hạch 1.1. Khái niệm Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn. 1.2. Đặc điểm - Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng lớn, cỡ 200 MeV. - Trong phản ứng có sự hấp thụ notron, các nơtron có động năng nhỏ gọi là nơtron chậm. - Mỗi phản ứng phân hạch sinh ra từ 2 đến 3 nơtron và các notron này có thể thực hiện được các phân hạch tiếp theo. - Các hạt nhân trung bình trong phản ứng có số khối từ 80 đến 160. 1.3. Phản ứng phân hạch dây chuyền 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. Sau n lần phân hạch liên tiếp, số nơtron giải phóng là kn và kích thích kn phân hạch mới. - Khi k 1 thì phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh - Khi k 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra không đổi theo thời gian - Khi k 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lượng phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ. Khối lượng tới hạn là khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì được trong đó. Trang 6
7. STUDY TIP Muốn k 1 thì khối lượng của chất phân hạch phải đủ lớn để số nơtron bị “bắt” nhỏ hơn nhiều so với số nơtron được giải phóng. 1.4. Phản ứng phân hạch có điều kiện - Phản ứng phân hạch có điều kiện này được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng với trường hợp k 1. - Để đảm bảo cho k 1thì người ta dùng những thanh điều khiển có chứa bo hay cađimi. - Năng lượng tỏa ra từ lò phản ứng không đổi theo thời gian. 2. Phản ứng nhiệt hạch 2.1. Định nghĩa Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. 2 3 4 1 Ví dụ: 1 H 1 H 2 He 0 n 4MeV 2.2. Điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra - Ban đầu phải biến đổi hỗn hợp nhiên liệu chuyển sang trạng thái plasma tạo bởi các hạt nhân và các electron tự do. Sau đó phải tăng nhiệt độ của hỗn hợp plasma lên cỡ 100 triệu độ để phản ứng xảy ra. - Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn - Thời gian duy trì trạng thái plasma  ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải đủ lớn. Kết hợp các điều kiện này, Lo-xơn (Lawson) đã chứng minh hệ thức nêu lên điều kiện cơ bản để xảy ra phản ứng nhiệt hạch là 14 16 s nT 10 10 3 cm 2.3. Năng lượng nhiệt hạch Tuy năng lượng tỏa ra của một phản ứng nhiệt hạch ít hơn nhiều so với một phản ứng phân hạch, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn sự phân hạch nhiều lần. Chú ý - Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao. - Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu việt không gây ô nhiễm (sạch) và nguyên liệu dồi dào sẽ là nguồn năng lượng của thế kỉ XXI. Trang 7