Chương 7 Vật lý hạt nhân

CHƯƠNG HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
Dạng 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
I.

Cấu tạo hạt nhân
- Hạt nhân cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn gọi là nuclôn. Có 2 loại nuclôn:
+ Proton (p) mang điện tích nguyên tố dương +e, có khối lượng mp = 1,007276u
+ Nơtron (n) không mang điện, có khối lượng mn = 1,008665u.

- Hạt nhân nguyên tử của nguyên tố có số thứ tự là Z trong bảng tuần hoàn Menđêleep có Z
prôton và N nơtron, và số nuclôn trong hạt nhân là A = Z + N, với A gọi là số khối.
- Ký hiệu hạt nhân: ZA X
- Kích thước hạt nhân: Hạt nhân nguyên tử được xem như một quả cầu có bán kính R, được xác
định bởi công thức:
1

R = 1,2.10-15.A 3

II. Đồng vị là các nguyên tố có cùng số prôton nhưng khác nhau về số nơtron dẫn đến số khối A
khác nhau. Các nguyên tố đồng vị ở cùng 1 ô trong bảng HTTH và có cùng tính chất hoá học.
Đồng vị chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ không bền.
Ví dụ: các đồng vị của Hidro
+ Prôton: hidro nhẹ 11 p hay 11 H
+ Đơtêri: hidro nặng 12 D hay

2
1

H

+ Triti: hidro siêu nặng 31T hay 13 H

III.

Khối lượng và năng lượng hạt nhân
1. Đơn vị khối lượng nguyên tử
- Đơn vị khối lượng nguyên tử (u) bằng 1/12 khối lượng của đồng vị phổ biến của nguyên tử

12
6

C

- Các đơn vị khối lượng: kg; u; MeV/c2.
1u = 1,66055.10-27 kg = 931,5MeV/c2
2. Khối lượng và năng lượng hạt nhân
- Theo hệ thức Anhxtanh, một vật có khối lượng m thì có năng lượng nghỉ: E = mc 2
- Khối lượng và năng lượng nghỉ không được bảo toàn, chỉ năng lượng toàn phần bao gồm cả
năng lượng nghỉ cộng với năng lượng thông thường là được bảo toàn.


Dạng 2. PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
I.

Phương trình phản ứng hạt nhân
A1
Z1

X1

+

A2
Z2

X2

→

A3
Z3

X3

+

A4
Z4

X4

1. Định luật bảo toàn số khối: Tổng số nuclôn của các hạt trước phản ứng và sau phản
ứng bao giờ cũng bằng nhau.
A1 + A2 = A3 + A4
2. Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt trước phản ứng
bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sau phản ứng.
Z1 + Z2 = Z3 + Z4
3. Định luật bảo toàn động lượng: Tổng động lượng của các hạt trước phản ứng bằng
tổng động lượng của các hạt sau phản ứng.

p1 + p2 = p3 + p4

4. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần: Tổng năng lượng toàn phần của các hạt
trước phản ứng bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sau phản ứng.
m1c2 + Wđ1 + m2c2 + Wđ2 = m3c2 + Wđ3 + m4c2 + Wđ4
Trong phản ứng hạt nhân không có sự bảo toàn khối lượng.
II.

Các loại tia phóng xạ
α

LOẠI TIA
Bản chất

Điện tích
Lệch trong điện
trường ,từ trường
Tính chất chung 3
tia
Tính chất riêng
Vận tốc

4
Hạt 2 He

+2e
Lệch về bản (-)

β
Hạt electron
0
( −1 e )

γ
Hạt pozitron
0
( +1 e )

-e

+e

Lệch về bản (+)

Lệch về bản (-)

Sóng điện từ có
λ < 0,01nm (tức
photon có năng
lượng cao)
o lệch

không nhìn thấy; ion hóa môi trường; làm đen phim ảnh; gây pư hóa học;
mang năng lượng
Gây biến đổi cấu Gây biến đổi cấu trúc hạt nhân
Không biến đổi hạt
trúc hạt nhân
nhân
Khoảng 2.107 m/s Gần bằng vận tốc ánh sáng
bằng vận tốc ánh
sáng
Mạnh hơn tia β

Yếu hơn tia α

Khả năng ion hóa
môi trường
Tầm bay xa và khả Vài cm trong Vài mét trong không khí
Đâm xuyên mạnh
năng xuyên qua vật không khí
Xuyên được vài mm trong kim hơn tia X ( vài mét
chất
Xuyên được vài loại
trong bêtông ,vài
cm trong chì)
µm trong vật rắn


III.

Các phản ứng hạt nhân

LOẠI
Định nghĩa
Đặc điểm
chung
Đặc điểm
riêng

PHÓNG XẠ

Phương
trình PỨ

−λt

*Hoàn toàn không phụ thuộc điều kiện * Hệ số nhân nơ tron sau mỗi phân hạch k ≥ 1
*Nhiệt độ đến cỡ trăm triệu độ.
ngoài
* Khối lương chất phân hạch không được nhỏ * Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.
* Thời gian duy trì trạng thái plasma (τ) phải đủ
hơn khối lượng tới hạn
lớn
2
A
n + X → X* → Y + Z + kn (k = 1, 2, 3)
H + 13 H → 24 He + 01n
X → A − 4Y + 4 He
Phóng xạ α
1
Z −2

Z

Phóng xạ β
Phóng xạ β +
Năng lượng
tỏa
Ghi chú

NHIỆT HẠCH

Là quá trình phân hủy tự phát của một hạt Là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành 2 hạt Là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ

nhân không bền vững
nhân trung bình (kèm theo một vài nơtrôn phát hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
ra).
Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.
Là phản ứng tỏa năng lượng
- Không cần tương tác
- Do tương tác giữa nơtron chậm với hạt nhân - Năng lượng phát ra từ Mặt Trời và từ hầu hết
- Có tính tự phát và không điều khiển nặng
các sao trong vũ trụ đều có nguồn gốc là năng
được.
- Quá trình phân hạch của X là không trực tiếp lượng tổng hợp hạt nhân
- Là một quá trình ngẫu nhiên.
mà phải qua trạng thái kích thích X*.
- Con người chưa điều khiển được phản ứng này
- Số lượng các hạt nhân phóng xạ giảm - Có thể điều khiển được
- Chế tạo bom hidro.
theo hàm số mũ N = N e
0

Điều kiện

PHÂN HẠCH

A
Z
A
Z

X→

X→

2

0
−1

0
0

Y + e+ ν

A
Z +1

1
0

n + 235
U →236
U*
92
92
95
39

→ Y+

Y + 10 e + 00ν

A
Z −1

Mỗi phân hạch

138
53

- Quá trình tổng hợp Heli từ hiđrô:

I +3 n
1
0

235
92

U tỏa năng lượng 212MeV.

k > 1: phản ứng dây chuyền không điều khiển
được, sử dụng chế tạo bom nguyên tử.
k = 1: phản ứng dây chuyền điều khiển được, sử
dụng trong các nhà máy điện nguyên tử.

4 11H → 24 He + 2 10 e + 2 00ν + 2γ
1
1

H + 12 H → 23 He

Qtoả = 17,6MeV/ 1 hạt nhân


Dạng 3. ĐỘ HỤT KHỐI. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT. NĂNG LƯỢNG
LIÊN KẾT RIÊNG
Xét một hạt nhân: ZA X , có Z prôton và N nơtron, A = Z + N
1. Độ hụt khối (∆m)
∆m = Z.mp + (A - Z). mn - mX
Trong đó:
- mp: là khối lượng của một proton mp = 1,0073u.
- mn: là khối lượng của một notron mn = 1.0087u
- mX: là khối lượng hạt nhân X.
2. Năng lượng liên kết (∆E)
∆E = ∆m.c2
Năng lượng liên kết là năng lượng để liên kết tất cả các nulon tron hạt nhân. Đơn vị (MeV) hoặc (J)
1MeV = 1,6.10-19J
3. Năng lượng liên kết riêng
Wlk =
Năng lượng liên kết riêng là năng lượng để liên kết một nuclon trong hạt nhân. Đơn vị (MeV/nuclon)
Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền.
4. Lực hạt nhân
Lực hạt nhân là lực tương tác mạnh, không phải lực hấp dẫn hay lực điện từ và mạnh nhiều
hơn so với các lực này. Lực hạt nhân chỉ tác dụng trong phạm vi khoảng cách cỡ kích thước hạt nhân
(10-15m).

Dạng 4. TÍNH NĂNG LƯỢNG TOẢ RA HAY THU VÀO CỦA MỘT
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Xét phản ứng hạt nhân
A1
Z1

X1

+

A2
Z2

X2

→

A3
Z3

Tìm năng lượng phản ứng toả hoặc thu
B1: Tính tổng khối lượng các hạt trước phản ứng
m0 = m1 + m2
B2: Tính tổng khối lượng các hạt sau phản ứng
m0 = m3 + m4
Khi đó:
1. Nếu m0 > m: phản ứng toả năng lượng W = (m0 – m)c2
2. Nếu m0 < m: phản ứng thu năng lượng W = (m – m0)c2

X3

+

A4
Z4

X4


Dạng 5. BÀI TOÁN VỀ ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ
* Số nguyên tử chất phóng xạ còn lại sau thời gian t
-

N = N 0 .2

t
T

= N 0 .e- l t

* Số hạt nguyên tử bị phân rã bằng số hạt nhân con được tạo thành và bằng số hạt (α hoặc e- hoặc
e+) được tạo thành:
D N = N 0 - N = N 0 (1- e- l t )

* Khối lượng chất phóng xạ còn lại sau thời gian t
-

m = m0 .2

t
T

= m0 .e- l t

Trong đó: N0, m0 là số nguyên tử, khối lượng chất phóng xạ ban đầu. , T là chu kỳ bán rã

l =

ln2 0, 693
=
T
T

là hằng số phóng xạ

λ và T không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài mà chỉ phụ thuộc bản chất bên trong của
chất phóng xạ.
* Khối lượng chất bị phóng xạ sau thời gian t
D m = m0 - m = m0 (1- e- l t )
Dm
= 1- e- l t
* Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã:
m0

Phần trăm chất phóng xạ còn lại :

t
m
= 2 T = e- l t
m0

* Khối lượng chất mới được tạo thành sau thời gian t :
m1 =

AN
DN

A
A1 = 1 0 (1- e- l t ) = 1 m0 (1- e- l t )
NA
NA
A

Trong đó: A, A1 là số khối của chất phóng xạ ban đầu và của chất mới được tạo thành
NA = 6,022.10-23 mol-1 là số Avôgađrô.
Lưu ý: Trường hợp phóng xạ β+, β- thì A = A1 ⇒ m1 = ∆m
* Độ phóng xạ H
Là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, đo
bằng số phân rã
trong 1 giây.

-

H = H 0 .2

t
T

= H 0 .e- l t = l N

H0 = λN0 là độ phóng xạ ban đầu.

Đơn vị : Becơren (Bq) ; 1Bq = 1 phân rã/giây Curi (Ci) ;
1 Ci = 3,7.10 10 Bq
Lưu ý: Khi tính độ phóng xạ H, H0 (Bq) thì chu kỳ phóng xạ T phải đổi ra đơn vị giây (s).