Ghi nhớ bài học |

Lý thuyết hạt nhân nguyên tử

VII. 1. LÝ THUYẾT HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

I. Về hạt nhân

1. Cấu tạo hạt nhân: 

hạt nhân có kích thước rất nhỏ (10-14 - 10-15 m), chúng được cấu tạo từ những hạt nuclôn. Có hai loại nuclôn.

* Prôtôn (kí hiệu p) mang điện tích +e, có khối lượng mP = 1,007276 u

* Nơtrôn (kí hiệu n) không mang điện, có khối lượng mn = 1,008665 u

u là đơn vị khối lượng (tương tự như đơn vị kg).

2. Số khối: Hạt nhân nguyên tử của nguyên tố thứ Z đứng trong bảng tuần hoàn sẽ có Z prôtôn (để nguyên tử trung hoà về điện). Nếu hạt nhân trên có N nơtrôn thì tổng số nuclôn trong hạt nhân là A = Z + N (A được gọi là số khối).

3. Kí hiệu hạt nhân: Ghi nguyên tử số ở dưới và số khối ở trên, bên cạnh và trước kí hiệu hoá học: , ví dụ hạt nhân Natri  có Z = 11 nên có 11 hạt prôtôn và 23 - 11 = 12 hạt nơtrôn.

II. Đồng vị

* Các hạt nhân có cùng số prôtôn Z, nhưng có số nơtrôn N khác nhau thì nguyên tử của chúng có cùng tính chất hoá học vì có lớp vỏ điện tử giống nhau. Các nguyên tử đó được xếp cùng một vị trí (đồng vị) trong bảng tuần hoàn và gọi là các đồng vị.

Ứng dụng của đồng vị phóng xạ:

- Phương pháp dùng các bon 14 (vì 14C phóng xạ β-) để xác định tuổi các di vật gốc sinh vật:

- Phương pháp nguyên tử đánh dấu: Trong nông nghiệp dùng lân phóng xạ 32P theo dõi sự di chuyển lân trong cây cối.

- Đồng vị 60Co phát ra tia gamma có khả năng đâm xuyên mạnh dùng để tìm khuyết tật trong chi tiết máy, diệt vi khuẩn bảo vệ thực phẩm, chữa bệnh ung thư...

III. Lực hạt nhân:

Lực liên kết giữa các nuclôn trong hạt nhân gọi là lực hạt nhân. Lực liên kết có các đặc điểm:

* Là loại lực khác bản chất so với trọng lực, lực điện và lực từ.

* Là lực hút, có bán kính tác dụng khoảng 10-15 m.

IV. Độ hụt khối và năng lượng liên kết

* Nếu Z prôtôn và N nơtrôn tồn tại riêng rẽ, có khối lượng tổng cộng mo = Z.mP + N.mn thì khi chúng liên kết lại thành hạt nhân có số khối A = Z + N sẽ có khối lượng m và m < m0. Hiệu Δm = m0 - m gọi là độ hụt khối hạt nhân. Như vậy, theo hệ thức Anhxtanh thì năng lượng nghỉ của hạt nhân E = m.c2 sẽ nhỏ hơn năng lượng nghỉ của các nuclôn tồn tại riêng rẽ E0 = m0c2. Do đó khi các nucrôn liên kết lại thành một hạt nhân thì có một năng lượng

Wlk = E- E - (m0 - m).c2 = Δm.c2 được tỏa ra.

Ngược lại, muốn phá vỡ một hạt nhân thành các nuclôn riêng rẽ, phải tốn một năng lượng đúng bằng Wlk để thắng lực liên kết giữa các nuclôn.

Năng lượng: Wlk = Δm.c2 gọi là năng lượng liên kết của hạt nhân.

Hạt nhân có độ hụt khối Δm càng lớn thì có Wlk càng lớn.

* Năng lượng liên kết riêng: là năng lượng liên kết tính cho 1 nuclôn.

Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng ε càng lớn thì càng bền vững.

V. Đơn vị khối lượng nguyên tử u

+ Đơn vị khối lượng nguyên tử u, còn gọi là đơn vị cacbon.

VI. Phản ứng hạt nhân

1. Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân. Sơ đồ tổng quát: A + B → C + D

A, B là hai hạt nhân tương tác với nhau, C và D là hạt nhân được tạo thành.

2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng: 

a. Bảo toàn số nuclôn (số khối A): Prôtôn có thể biến thành nơtrôn và ngược lại nhưng số nuclôn ở hai vế bằng nhau: A1 + A2 = A3 + A4

b. Bảo toàn điện tích (nguyên tử số Z): Các hạt nhân trong phản ứng chỉ tương tác với nhau, nên cô lập về điện (hệ kín). Vì điện tích của một hệ thống kín không đổi nên tổng điện tích ở hai vế sẽ phải bằng nhau. Sau khi lược bỏ 1,6.10-19 ở 2 vế, ta có biểu thức thu gọn: Z+ Z2 = Z3 + Z4

c. Bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng

Trong phản ứng hạt nhân, năng lượng toàn phần và động lượng được bảo toàn.

Chú ý: Không có sự bào toàn khối lượng trong phản ứng hạt nhân.

3. Phản ứng hạt nhân toả năng lượng và phản ứng hạt nhân thu năng lượng: Độ hụt khối của các hạt nhân là khác nhau, khiến tổng khối lượng M của các hạt nhân sau phản ứng có thể khác tổng khối lượng M0 của các hạt nhân trước phản ứng.

a. Nếu M0 > M thì tổng khối lượng giảm nên phản ứng toả năng lượng: ΔE = (M0 - M)c2 dưới dạng động năng các hạt nhân sinh ra hoặc năng lượng phôtôn tia gamma.

⇒ Phản ứng toả năng lượng nếu như các hạt sinh ra có tổng khối lượng nhỏ hơn các hạt ban đầu, các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên chúng bền vững hơn.

Có 2 loại phản ứng hạt nhân toả năng lượng (gọi là năng lượng hạt nhân):

+ Sự phân hạch: Một hạt nhân rất nặng như urani, plutôni... hấp thụ một nơrtôn chậm và vỡ thành hai hạt nhân có số khối trung bình.

+ Phản ứng nhiệt hạch: Hai hạt nhân rất nhẹ như hiđrô, hêli... kết hợp với nhau thành hạt nhân nặng hơn.

b. Nếu M0 < M thì tổng khối lượng tăng nên phản ứng phải thu năng lượng. Song muốn phản ứng xảy ra phải cung cấp năng lượng dưới dạng động năng của các hạt A và B. Năng lượng W cần cung cấp cho phản ứng bao gồm ΔE = (M - M0)c2 cộng với động năng Kđ của các hạt mới sinh ra: W = ΔE + Kđ

Vậy phản ứng hạt nhân thu năng lượng nếu như các hạt sinh ra có tổng khối lượng lớn hơn các hạt ban đầu, các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên chúng kém bền vững hơn.

II. Sự phóng xạ

1. Hiện tượng phóng xạ

a. Thế nào là hiện tượng phóng xạ?

Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự động phóng ra những bức xạ (gọi là tia phóng xạ) và biến đổi thành hạt nhân khác. Tia phóng xạ không nhìn thấy, nhưng có thể phát hiện được chúng do chúng có khả năng làm đen kính ảnh, iôn hoá các chất, lệch trong điện, từ trường...

b. Đặc điểm của hiện tượng phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ hoàn toàn do các nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra, tuyệt đối không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài. Dù nguyên tử phóng xạ nằm trong hợp chất, chịu áp suất hay nhiệt độ bất kì nào thì sự phóng xạ vẫn xảy ra tuân theo định luật phóng xạ.

c. Định luật phóng xạ

* Phát biểu: Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một thời gian T gọi là chu kì bán rã. Cứ sau mỗi chu kì này thì 1/2 số nguyên tử của chẩt ấy biến đổi thành chất khác.

* Biểu thức:

Gọi N0 và m0 là số nguyên tử và khối lượng tại thời điểm ban đầu (t = 0)
      N và m là số nguyên tử và khối lượng ở thời điểm t.

                                      Nt = N0e-λt = N02-t/T

                            Hoặc: mt = m0e-λt = m02-t/T

d. Độ phóng xạ

Định nghĩa: Độ phóng xạ H của một lượng chất phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho tính chất phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, được đo bằng số phân rã trong 1 giây. Đơn vị là Becơren (Bq) hoặc Curi (Ci).

1 Bq = 1 phân rã/giây; 1 Ci = 3,7.1010 Bq.

Biểu thức: Độ phóng xạ H giảm theo thời gian:

với H0 =  λN0 là độ phóng xạ ban đầu.

2. Bản chất và tính chất của các loại tia phóng xạ. Các quy tắc dịch chuyển

Cho các tia phóng xạ đi qua điện trường giữa hai bản của một tụ điện. Ta có thể xác định được bản chất các tia phóng xạ. Một chất phóng xạ chỉ phóng ra một trong ba loại tia α, β- hay β+ (có thể kèm theo tia γ)

a. Tia anpha (α)

Tia α thực chất là chùm hạt nhân của nguyên từ Hêli .

Các tính chất:

+ Lệch về bản âm của tụ điện (Có điện tích +2e)

+ Phóng ra với vận tốc khoảng 107 m/s, nó làm iôn hóa môi trường và mất dần năng lượng.

+ Khả năng đâm xuyên yếu, đi được tối đa 8cm trong không khí. Không xuyên qua được tấm thủy tinh mỏng.

+ Phương trình phóng xạ:

                      AX →  + A-4Y.

So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng HTTH và có số khối nhỏ hơn 4 đơn vị.

b. Tia bêta β: Có 2 loại:

* β-: Lệch về bản dương của tụ điện, thực chất là dòng các êlectrôn: AX →  + AY

So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con tiến 1 ô trong bảng HTTH và có cùng số khối.

   là phản nơtrinô, không mang điện, có số khối A = 0, chuyển động với vận tốc ánh sáng.

β+: Lệch về bản âm của tụ điện, thực chất là chùm hạt có khối lượng như e- nhưng mang điện tích +e, gọi là êlectrôn dương hay pôzitrôn (loại này hiếm thấy hơn ).

Khi phóng xạ β+ hạt nhân con lùi 1 ô. Thực chất là sự biến đổi 1 prôtôn thành 1 nơtrôn, 1 pôzitrôn và 1 nơtrinô: p → n + e+ + v 

Các tính chất của tia β:

* Phóng ra với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.

* Khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia α và đi được hàng trăm mét trong không khí.

c. Tia gamma: (γ)

Có bản chất sóng điện từ như tia Rơnghen nhưng có bước sóng ngắn hơn, vì vậy có các tính chất như tia Rơnghen nhưng mạnh hơn. Đặc biệt là khả năng đâm xuyên lớn, có thể đi qua lớp chì dày hàng chục cm và gây nguy hiểm đối với cơ thể con người.

* Phóng xạ gamma: không có sự biến đổi hạt nhân, chỉ có sự chuyển trạng thái từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp Ebằng cách bức xạ phôtôn năng lượng: hf = E2 - E
Bức xạ gamma luôn đi kèm theo phóng xạ α và β.

                  

VIII. Phân hạch và nhiệt hạch

1. Phản ứng phân hạch

a. Định nghĩa : Hiện tượng một hạt nhân loại rất nặng hấp thụ một nơtrôn chậm có động năng nhỏ hơn 0,1 eV rồi vỡ ra thành hai hạt nhân có số khối trung bình.

b. Đặc điểm: Hai đặc điểm quan trọng: * Sinh ra 2 đến 3 nơtrôn.
                                                     * Toả ra một năng lượng lớn.

c. So sánh phóng xạ và phân hạch

* Hai điểm giống nhau

- Đều có sự biến đổi một hạt nhân ban đầu thành các hạt nhân khác. Chúng đều là các phản ứng hạt nhân.

- Đều là các quá trình kèm theo sự tỏa năng lượng dưới dạng động năng của các hạt sinh ra và năng lượng bức xạ gama.

* Hai điểm khác nhau

- Hiện tượng phóng xạ không chịu tác động của các yếu tố bên ngoài, tốc độ phân rã của mỗi chất hoàn toàn do nguyên nhân bên trong quyết định. Trong khi đó, tốc độ của quá trình phân hạch phụ thuộc vào lượng nơtrôn chậm có trong khối chất, do đó tốc độ này có thể khống chế được.

- Đối với mỗi chất phóng xạ, thành phần của tia phóng xạ là hoàn toàn ổn định còn cấu tạo và khối lượng của 2 hạt nhân vỡ ra trong sự phân hạch không hoàn toàn xác định.

d. Phản ứng dây chuyền và điều kiện để phản ứng xảy ra

* Một phần nơtrôn sinh ra bị mất mát vì nhiều nguyên nhân (thoát ra ngoài, bị các hạt nhân loại khá hấp thụ...) nhưng nếu sau mỗi phân hạch vẫn còn lại trung bình s nơtrôn (s > 1) gây ra s phân hạch mới, sinh ra snơtrôn, rồi s3, s4... nơtrôn. Kết quả số phân hạch xảy ra liên tiếp và tăng lên rất nhanh. Đó là phản ứng hạt nhân dây chuyền; s gọi là hệ số nhân nơtrôn.

+ Với s < 1 thì hệ thống gọi là dưới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra. Để xảy ra phản ứng dây chuyền phải có điều kiện: s > 1 ta cần có khối lượng tối thiểu m > mth (khối lượng tới hạn), ví dụ 235 U đã làm giàu thì mth= 15 kg)

2. Phản ứng nhiệt hạch

a. Định nghĩa: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.

b. Đặc điểm của phản ứng nhiệt hạch

Là một phản ứng toả năng lượng. Tuy một phản ứng nhiệt hạch toả năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch toả năng lượng nhiều hơn.

c. Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch

Các phản ứng kết hợp rất khó xảy ra vì các hạt nhân tích điện dương nên đẩy nhau.

Muốn chúng tiến lại gần nhau và kết hợp được thì chúng phải có động năng rất lớn đê thang lực đấy Cu lông. Muốn có động năng rất lớn thì phải có nhiệt độ rất cao. Vì thế nên gọi là phản ứng nhiệt hạch.

d. Hai lí do khiến con người quan tâm đến năng lượng nhiệt hạch

- Năng lượng nhiệt hạch là nguồn năng lượng vô tận cho con người, vì nhiên liệu của phản ứng nhiệt hạch là Đơteri, Triti có rất nhiều trong nước sông, nước biển.

- Về mặt sinh thái, phản ứng nhiệt hạch “sạch” hơn phản ứng phân hạch vì ít có bức xạ hay cặn bã phóng xạ.

Thống kê thành viên
Tổng thành viên 153.593
Thành viên mới nhất 164014804171538
Thành viên VIP mới nhất An79VIP