Chuyên đề: hạt nhân nguyên tử



CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

ĐỖ MINH TUỆ

CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
CHỦ ĐỀ 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Nguyên tử
 Cấu tạo: gồm 2 phần là hạt nhân và lớp vỏ êlectrôn.
 Điện tích: q nt  0 .
2. Hạt nhân
. Cấu tạo: Gồm hai loại hạt prôtôn (p) và nơtrôn (n), gọi là các hạt nuclôn.
Hạt nuclôn

Khối lượng

Điện tích

Prôtôn (p)

mp = 1,67262.10-27 kg

q p = +e = 1,6.10 -19 C

Nơtrôn (n)

mn = 1,67493.10-27 kg

q n = 0 (trung hoà về điện)

Nơtrôn trung hoà về điện vì được cầu tạo bởi các hạt quac
2e 2e e
Hạt prôtôn: cấu tạo bởi 3 quac u, u, d có điện tích là  ;  ;  .
3
3
3
2e e e
Hạt nơtrôn: cấu tạo bởi 3 quac u, d, d có điện tích là  ;  ;  .
3
3 3
. Kí hiệu hạt nhân nguyên tử của nguyên tố X:
A
A
X , XA
Z X hoặc
A: số khối (số nuclôn), Z: điện tích hạt nhân = số thứ tự = số hạt prôtôn = số hạt êlectrôn.
A  Z  N (N: số hạt nơtrôn).
. Khối lượng hạt nhân:

m hn  m nt  Z.m e

. Điện tích hạt nhân: Bằng tổng điện tích của các hạt prôtôn trong hạt nhân
q hn   Z.e
. Bán kính hạt nhân: Coi hạt nhân có dạng hình cầu, bán kính là R.
R  R 0 .A1/3  R 0 . 3 A ; R0 = const, cỡ 10-15m (cỡ fecmi).
 Bán kính hạt nhân tỉ lệ thuận với căn bậc 3 của số khối.
4
4
Vhn  R 3  R 30 A

. Thể tích hạt nhân:
3
3
 Thể tích của hạt nhân tỉ lệ thuận với số khối.
m
D hn  hn (khối lượng riêng hạt nhân cỡ 1017 kg.m-3)
. Khối lượng riêng của hạt nhân:
Vhn
. Lực hạt nhân:
 Mặc dù các hạt nhân được cấu tạo từ các hạt nuclôn, trong đó có hạt p mang điện tích dương
 chúng đẩy nhau  hạt nhân phá vỡ  nhưng thực tế hạt nhân rất bền vững  chứng tỏ giữa
các hạt nuclôn phải có lực liên kết, gọi là lực hạt nhân.
 Định nghĩa: Lực hạt nhân là lực hút giữa các hạt nuclôn (p-p, n-n, p-n).
 Đặc điểm:
- Có bản chất khác với lực hấp dẫn, lực điện và lực từ.
- Không phụ thuộc vào điện tích.
- Là lực hút rất mạnh so với các lực nói trên.
CẨM NANG VẬT LÍ 12
0916.609.081 –
(83)


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

- Bán kính tác dụng của lực hạt nhân: cỡ 10-15 m (cỡ fecmi).
3. Đồng vị và đồng khối

a) Đồng vị:
 Định nghĩa: Đồng vị của một nguyên tố hoá học là hạt nhân của các nguyên tử của nguyên
tố đó có cùng số hạt prôtôn nhưng khác số hạt nơtrôn (cùng Z nhưng khác A).
 Kí hiệu: AZ1 X ; AZ2 X
 Một số đồng vị:
Ví dụ: Hiđrô gồm 3 đồng vị
1
1 H : hiđrô thường, tạo ra nước thường H2O.
2
1 D : hiđrô nặng (Đơteri), tạo ra nước nặng D2O.
3
1T : hiđrô siêu nặng (Triti).
b) Đồng khối: Là hai hạt nhân có cùng số khối (A) nhưng khác số prôtôn (cùng A, khác Z).
Ví dụ: 32 He, 31T ; 146 C, 147 N
 Chú ý: Hai hạt nhân đồng khối thì không cùng khối lượng, hạt nhân nào có chiều nơtrôn hơn thì
hạt nhân đó nặng hơn (Z nhỏ thì m lớn).
4. Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng
a) Khối lượng tương đối tính
Gọi m0 là khối lượng nghỉ của vật (khi v = 0); m là khối lượng tương đối tính (chuyển động
với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng v ~ c ):
m0
m
2
v
1  
c
b) Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng
- Năng lượng nghỉ: E 0  m 0c 2
- Năng lượng tương đối tính (năng lượng toàn phần): E  mc2
c) Động năng

1
- Theo cơ học cổ điển ( v  c ): E đ  mv2
2
- Theo cơ học tương đối của Anhxtanh ( v ~ c ): Wđ  E  E 0  (m  m0 )c2
5. Đơn vị khối lượng nguyên tử
- Đơn vị khối lượng nguyên tử tính theo khối lượng nguyên tử cácbon C12.
- Kí hiệu là u
1
1u  m126 C  ; 1u  1,66055.10 27 kg
12
- Còn sử dụng đơn vị: MeV/c2
1 u  931,5MeV / c2  uc2  931,5MeV
- Khối lượng các hạt cơ bản:
Hạt cơ bản
Đơn vị kg
Đơn vị u
Đơn vị MeV/c2
-31
Êlectrôn
me = 9,1.10
0,000548
0,511
-27
Prôtôn
mp = 1,67262.10
1,0073
938
Nơtrôn
mn = 1,67493.10-27
1,0087

939
- Nếu không cần độ chính xác cao: m p  m n  1u  m nt  A  u 
6. Độ hụt khối. Năng lượng liên kết. Năng lượng liên kết riêng
a) Độ hụt khối: Xét hạt nhân AZ X có khối lượng nghỉ là m.
- Tổng khối lượng nghỉ của các (A) hạt nuclôn còn riêng rẽ, chưa liên kết thành hạt nhân X:
m 0  Z.m p  N.m n  Z.m p   A  Z  .m n
- Khối lượng nghỉ của hạt nhân X (do các nuclôn đã liên kết) là m
CẨM NANG VẬT LÍ 12

(84)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

m  m0  m   Z.mp  (A  Z).m n   m

- Độ hụt khối:

b) Năng lượng liên kết
- Theo hệ thức Anh-xtanh: năng lượng nghỉ ban đầu là E0 = m0c2
- Năng lượng nghỉ của hạt nhân là E = mc2
- Năng lượng: Wk  m.c 2  (m 0  m)c2 , gọi là năng lượng liên kết.
- Năng lượng toả ra khi tổng hợp được một hạt nhân X đúng bằng năng lượng liên kết.
- Năng lượng liên kết toả ra dưới dạng: động năng của hạt nhân hoặc năng lượng tia gamma.

- Muốn phá vỡ hạt nhân có khối lượng m thành các hạt nuclôn riêng rẽ có khối lượng m0 > m
thì ta phải tốn một năng lượng tối thiểu tương ứng E  m.c 2  (m 0  m)c 2 để thắng lực hạt nhân.
- Năng lượng liên kết hạt nhân tỉ lệ thuận với độ hụt khối của hạt nhân.
c) Năng lượng liên kết riêng
- Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết trung bình tính cho 1 hạt nuclôn:
W
m 2
 r  k 
.c (Đơn vị: MeV/nuclôn)
A
A
- Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.
- Những hạt nhân có số khối trung bình từ 50 đến 70 thì bền vững hơn các hạt nhân khác.
Năng lượng liên kết cỡ 8,8 MeV/c2.
II. CÔNG THỨC GIẢI NHANH
1. Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng
a) Cơ học cổ điển (Niu-tơn): v << c
1
- Động năng: Wđ  mv2
2
- Động lượng: p  mv
b) Cơ học tương đối tính (Anh-xtanh): v ~ c
1
v
v
1
Đặt:  
(   1);  
(   1)     1  2
2

c
c

1 
- Khối lượng tương đối tính: m  .m0 (m > m0: khối lượng tăng khi chuyển động)
- Động lượng: p  mv  m 0 .v
- Động năng: Wđ  E  E 0     1 m 0c2     1 .E 0
- Hệ thức giữa năng lượng và động lượng của vật: E 2  m o2 c 4  p 2 c 2
- Khối lượng nghỉ của phô tôn bằng 0.
 h
- Động lượng tương đối tính của phôtôn: p  m.c  
c 
2. Độ hụt khối. Năng lượng liên kết. Năng lượng liên kết riêng
a) Độ hụt khối: m  m0  m   Z.mp  (A  Z).m n   m
b) Năng lượng liên kết: Wk  m.c 2  (m0  m)c2

Wk
A
4
 Cần nhớ: Hạt anpha (  ): 2 He ; prôtôn (p): 11 H ; nơtrôn (n): 01 n ; êlectrôn (  ):

c) Năng lượng liên kết riêng:  r 


0 
1

2
1

3
1

0
0

(  ): e ; đơteri (D): H ; triti (T): H ; nơtrinô (  ):  ; gamma (  ):

CẨM NANG VẬT LÍ 12

(85)

0
0

0 
1

e ; pôzitrôn

.

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

CHỦ ĐỀ 2. PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN
I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Hiện tượng phóng xạ
a) Định nghĩa: Hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ
và biến đổi thành hạt nhân khác gọi là hiện tượng phóng xạ.
210
4
206
Ví dụ:
84 Po  2 He  82 Pb
b) Đặc điểm:
- Hiện tượng phóng xạ chỉ phụ thuộc vào nguyên nhân bên trong của hạt nhân.
- Hiện tượng phóng xạ không phụ thuộc vào các tác nhân lý, hoá bên ngoài như áp suất, nhiệt
độ,…
c) Phương trình phóng xạ: A  B  C
- Hạt nhân phóng xạ là hạt nhân mẹ (A)
- Hạt nhân sản phẩm là hạt nhân con (B)
- Các tia phóng xạ (C) là  hoặc  .
2. Định luật phóng xạ
a) Nội dung: Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm
số mũ.
b) Biểu thức:
N
t
N  N 0 e  t hoặc N  k0 với k 
- Theo số nguyên tử:
T
2
m0

2k
Trong đó: N0, m0 là số nguyên tử và khối lượng chất phóng xạ ở thời điểm ban đầu t = 0.
N, m là số nguyên tử và khối lượng chất phóng xạ còn lại ở thời điểm t.
ln 2 0,693


 là hằng số phóng xạ:
T
T
T là chu kì bán rã: cứ sau khoảng thời gian này thì một nửa số nguyên tử của
chất này biến đổi thành chất khác.
c) Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của N theo thời gian t:
N  N 0 e  t  đồ thị là đường cong.
3. Độ phóng xạ
a) Định nghĩa: Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ là đại lượng vật lí đặc trưng cho tính
phóng xạ mạnh hay yếu của lượng chất phóng xạ, được đo bằng số phân rã/giây.
H
t
b) Biểu thức: H   N ; H  H 0 e t hoặc H  k0 ( k  : số chu kì bán rã trong thời gian t)
2
T
Độ phóng xạ lúc đầu (t = 0): H 0  N 0
c) Đơn vị: là Becơren, kí hiệu: Bq; 1Bq  1 phân rã/giây

- Theo khối lượng chất phóng xạ: m  m 0 e  t

hoặc m 

Ngoài ra còn dùng đơn vị là Curi (Ci): 1Ci  3,7.1010 Bq
4. Các loại tia phóng xạ

a) Tia anpha (  )
 Thực chất: là chùm hạt nhân hêli ( 42 He ), gọi là hạt  .
 Tính chất:
- Bị lệch trong điện trường và từ trường
- Tốc độ khi bay ra khỏi nguồn cỡ 2.107 m/s
- Có khả năng ion hoá môi trường rất mạnh và mất dần năng lượng
CẨM NANG VẬT LÍ 12

(86)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

- Khả năng đâm xuyên yếu, đi được tối đa 8 cm trong không khí, không xuyên qua được tấm
bìa dày 1 mm.
b) Tia bêta (  ): Gồm hai loại là tia   và  
 Thực chất:
- Tia bêta cộng (   ): là chùm hạt êlectrôn dương (hạt pôzitrôn: e  )
- Tia bêta trừ (   ): là chùm hạt êlectrôn âm (hạt êlectrôn: e  )
 Tính chất:
- Tia  được phóng ra với tốc độ rất lớn, gần bằng vận tốc ánh sáng trong chân không.
- Có khả năng ion hoá môi trường nhưng yếu hơn tia  .
- Có khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia  , có thể đi được vài mét trong không khí và xuyên
qua lá nhôm dày cỡ mm.

- Bị lệch trong điện trường và từ trường.
c) Tia gamma (  )
 Thực chất: Tia  có bản chất là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (dưới 0,01 nm). Đây là
chùm phôtôn có năng lượng cao.
 Tính chất:
- Không mang điện nên không bị lệch trong điện trường, từ trường nên truyền thẳng.
- Có khả năng đâm xuyên mạnh nhất, có thể đi qua lớp chì dầy hàng chục cm và rất nguy
hiểm cho con người.
 Chú ý:
- Tia   và tia   đối xứng với nhau qua tia 
- Tia   bị lệch nhiều hơn tia  vì khối lượng hạt  lớn hơn rất nhiều hạt   .
- Cách phát hiện ra tia phóng xạ: kích thích phản ứng hoá học, ion hoá không khí, làm đen
kính ảnh, xuyên thấu lớp vật chất mỏng, phá huỷ tế bào,…
II. CÔNG THỨC GIẢI NHANH
1. Các vấn đề liên quan đến số nguyên tử của chất phóng xạ
 Gọi: N0 là số nguyên tử lúc ban đầu (t = 0, bắt đầu khảo sát)
N là số nguyên tử của chất phóng xạ còn lại (chưa bị phân rã) ở thời điểm t.
 Chú ý:
- Định luật phóng xạ có tính thống kê, nó chỉ đúng với lượng rất lớn số hạt chất phóng xạ
- Với mỗi hạt nhân phóng xạ thì quá trình phân rã xảy ra ngẫu nhiên không biết trước tức là
không thể áp dụng định luật này cho một hạt hay một lượng rất ít hạt chất phóng xạ.
. Cho biết khối lượng chất phóng xạ lúc ban đầu m0:
m (g)
N0  0 .N A
A
. Số nguyên tử còn lại chưa bị phân rã ở thời điểm t:
N
m(g)
N  k0  N 0 .et 
.N A

2
A
. Số nguyên tử đã bị phân rã sau thời gian t:
1
t
N  N0  N  N 0 (1  et )  N 0 (1  k ) với k 
2
T
ln 2
t  t  1 thì có thể
Khi khoảng thời gian khảo sát rất bé so với chu kì bán rã t  T 
T
lấy gần đúng là 1  e t  t nên số hạt nhân phân rã:
N  N0  N  N 0 (1  et )  N 0 t  H0 t
Công thức gần đúng: e  x  1  x ( với x  1 )
 Chú ý: Số hạt nhân nguyên tử bị phân rã đúng bằng số hạt nhân nguyên tử tạo thành.
CẨM NANG VẬT LÍ 12

(87)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

. Phần trăm số nguyên tử còn lại ở thời điểm t:

N
 2 k.100%  e t .100%
N0
. Phần trăm số nguyên tử đã bị phân rã ở thời điểm t:
N
 (1  2 k ).100%  (1  et ).100%
N0
. Gọi  là khoảng thời gian mà sau đó số nguyên tử của chất phóng xạ giảm đi e lần (e là loga cơ
số tự nhiên, với lne = 1):
1
T
N0
 e  e    1    
 ln 2
N
. Cho biết sau thời gian t1 số nguyên tử còn lại là N1; sau thời gian t2 số nguyên tử còn lại là N2.
Tìm chu kỳ bán rã T.

T  (t 2  t1 )

ln 2
N
ln( 1 )
N2

. Tìm thời gian t từ lúc t = 0 đến khi số nguyên tử còn lại là N:
- Nếu

N0
 2 k k  N*

N



- Tổng quát: t 



 t  k.T

T
N 
.ln  0 
ln 2  N 

. Cho biết trong thời gian t (s) đầu tiên. Số tia phóng xạ phát ra là x.
Ta biết số hạt nhân phân rã sau khoảng thời gian t là N  x
2. Các vấn đề liên quan đến khối lượng chất phóng xạ
m0 là khối lượng chất phóng xạ lúc ban đầu (t = 0, bắt đầu khảo sát)
m là khối lượng chất phóng xạ còn lại (chưa bị phân rã) ở thời điểm t.
. Cho số nguyên tử chất phóng xạ lúc ban đầu N0:
N
m0  0 .A
NA
. Khối lượng chất phóng xạ còn lại chưa bị phân rã ở thời điểm t:
m
N
m  k0  m 0 .et 
.A
2

NA
. Khối lượng chất phóng xạ đã bị phân rã sau thời gian t:
1
t
m  m 0  m  m 0 (1  et )  m 0 (1  k ) với k 
2
T
. Phần trăm khối lượng chất phóng xạ còn lại ở thời điểm t:
m
 2 k.100%  et .100%
m0
. Phần trăm khối lượng chất phóng xạ đã bị phân rã ở thời điểm t:
m
 (1  2 k ).100%  (1  et ).100%
m0
. Gọi  là khoảng thời gian mà sau đó khối lượng của chất phóng xạ giảm đi e lần (e là loga cơ số
tự nhiên, với lne = 1):
1
T
m0
 e  e    1    
 ln 2
m
CẨM NANG VẬT LÍ 12

(88)

0916.609.081 –

CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

. Khối lượng chất mới tạo thành sau thời gian t:
A N (1  e t ) A1.m 0 (1  et ) A C
N
m1 
.A1  1 0


.m M
NA
NA
A
AM
A là số khối của chất phóng xạ ban đầu
A1 là số khối của chất mới được tạo thành
Nếu phóng xạ  thì A = A1  m1  m
3. Các vấn đề liên quan đến độ phóng xạ
Gọi: H0 là độ phóng xạ lúc ban đầu
H là độ phóng xạ ở thời điểm t
. Độ phóng xạ lúc ban đầu:
ln 2 m 0
H 0  N 0 
.
.N A (H0: Bq, m: g, T: s)
T A

. Độ phóng xạ ở thời điểm t:
ln 2 m
H  N 
. .N A hay H  H 0 .2 k  H0 .et
T A
. Tìm thời điểm t lúc đó độ phóng xạ còn lại là H:
T
H 
.ln  0 
t
ln 2  H 
- Đơn vị: Becơren (Bq), Curi (Ci)
1 Bq = 1 phân rã/s; 1 Ci = 3,7.1010 Bq
- Khi tính độ phóng xạ H0, H (Bq) thì chu kì phóng xạ (bán rã) có đơn vị là giây (s).
4. Tính tuổi cổ vật, mẫu đất đá
a) Bài toán 1: Tuổi cổ vật có nguồn gốc hữu cơ:
Định tuổi của 1 pho tượng cổ bằng gỗ có khối lượng m
- Đo độ phóng xạ của 146 C trong pho tượng cổ là H
- Lấy 1 mẫu gỗ có cùng bản chất và khối lượng với pho tượng nhưng vừa mới được chặt và
đo độ phóng xạ của 146 C ta được kết quả là H0
H
- Đặc biệt: 0  2 k k  N* , t  kT
H
T
H 
.ln  0 
- Tổng quát: t 
ln 2  H 
 Chú ý:
- Chu kỳ bán rã của 146 C là T = 5730 năm

- Để áp dụng các công thức trên phải xét cùng khối lượng.
b) Bài toán 2: Xác định tuổi của các mẫu đất đá
Giả sử ban đầu trong mẫu khảo sát chỉ chứa chất X nguyên chất có chu kỳ bán rã T, sau 1 thời
gian trong mẫu đó có cả chất Y.
Giải:

T
N 
N
ln 1  Y  (Hãy nhớ: Tử/Mẫu = Con/Mẹ)
 Xác định t nếu biết Y  t 
ln 2  N X 
NX



 Xác định t nếu biết

CẨM NANG VẬT LÍ 12



 A m 
T
mY
ln 1  X . Y 
 t
ln 2  A Y m X 
mX

(89)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

CHỦ ĐỀ 3. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.
2. Phân loại: gồm 2 loại
a) Loại 1: Phản ứng hạt nhân tự xảy ra
Đó là quá trình phân rã của một hạt nhân không bền thành các hạt nhân khác
A  BC
Phương trình phản ứng:
b) Loại 2: Phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác với nhau, dẫn đến sự biến đổi của chúng thành
các hạt nhân khác
ABCD
Phương trình phản ứng:
Ví dụ: phản ứng hạt nhân đầu tiên do Rơ-dơ-pho thực hiện năm 1919
4
14
17
1
2 He  7 N  8 O  1 H
3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

A
A
A
A
Xét phản ứng hạt nhân sau: Z11 X1  Z22 X 2  Z33 X 3  Z44 X 4
a) Định luật bảo toàn số khối (số hạt nuclôn):
A1  A 2  A 3  A 4
b) Định luật bảo toàn điện tích:
Z1  Z 2  Z 3  Z 4
c) Định luật bảo toàn động lượng:
P1  P2  P3  P4
d) Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần:
- Trường hợp 1: Phản ứng không kèm theo tia gamma
( m 1  m 2 ) c 2  K 1  K 2  ( m 3  m 4 )c 2  K 3  K 4
- Trường hợp 2: Phản ứng có kèm theo tia gamma
( m 1  m 2 )c 2  K 1  K 2  (m 3  m 4 )c 2  K 3  K 4  
hc
Với  
là năng lượng phôtôn tia gamma.

 Chú ý: Trong phản ứng hạt nhân không có các định luật bảo toàn: khối lượng, động năng,
năng lượng nghỉ, số hạt nơtrôn, số hạt prôtôn, nguyên tố.
4. Quy tắc dịch chuyển: Áp dụng các định luật bảo toàn vào phóng xạ
a) Phóng xạ  :
A
4
A4
- Quy tắc dịch chuyển:
Z X  2 He  Z  2Y
210

4
206
- Ví dụ:
84 Po  2 He  82 Pb
- Nhận xét: Vị trí hạt nhân con lùi 2 ô so với vị trí hạt nhân mẹ trong bảng HTTH
b) Phóng xạ  
A
0 
A
- Quy tắc dịch chuyển:
Z X  1 e  Z 1Y
30
0  30
- Ví dụ:
15 P  1 e  14 Si
- Nhận xét: Vị trí hạt nhân con lùi 1 ô so với vị trí hạt nhân mẹ trong bảng HTTH
p  n  e    (  : hạt nơtrinô)
- Thực chất của quá trình:
c) Phóng xạ   :
A
0 
A
- Quy tắc dịch chuyển:
Z X  1 e  Z 1Y
210
0  210
- Ví dụ:
83 Bi 1 e  84 Po
- Nhận xét: Vị trí hạt nhân con tiến một ô so với vị trí của hạt nhân mẹ trong bảng HTTH

CẨM NANG VẬT LÍ 12

(90)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

n  p  e    (  : phản hạt của nơtrinô)
- Thực chất:
d) Phóng xạ gamma  : Hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích có mức năng lượng E2, khi
chuyển xuống mức năng lượng E1, đồng thời phát ra phôtôn có tần số f, được xác định bởi:
hf  E 2  E1
- Phóng xạ  luôn đi kèm theo với phóng xạ ,  .
- Trong phóng xạ  không làm biến đổi hạt nhân.
5. Năng lượng của phản ứng hạt nhân
- Xét phản ứng hạt nhân A + B  C + D
- Gọi mA, mB, mC, mD lần lượt là khối lượng nghỉ của các hạt nhân A, B, C và D.
+ Tổng khối lượng nghỉ của các hạt nhân trước phản ứng: m0 = mA + mB
+ Tổng khối lượng nghỉ của các hạt nhân sau phản ứng: m = mC + mD
- Do độ hụt khối của các hạt nhân A, B, C, D khác nhau nên khối lượng trong phản ứng hạt
nhân không được bảo toàn. Xảy ra hai trường hợp:
a) Trường hợp 1: m < m0 (Phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng)
- Giả sử hạt A, B đứng yên. Phản ứng toả ra một lượng năng lượng bằng:
E   m o  m  c 2

- Năng lượng mà phản ứng toả ra thường dưới dạng động năng của các hạt nhân C và D hoặc
năng lượng phôtôn  .
- Trường hợp này, các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạt ban đầu, nghĩa là các hạt sinh
ra bền vững hơn các hạt ban đầu  gọi là phản ứng toả năng lượng.
b) Trường hợp 2: m > m0 (Phản ứng hạt nhân thu năng lượng)
Trường hợp này tổng năng lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng lớn hơn tổng năng lượng nghỉ
của các hạt nhân ban đầu  Phản ứng không thể tự xảy ra.
- Muốn phản ứng xảy ra, ta phải cung cấp cho các hạt A và B một năng lượng W dưới dạng
động năng  gọi là phản ứng thu năng lượng.
- Các hạt nhân tạo thành có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững hơn các hạt nhân ban đầu.
- Năng lượng cần cung cấp cho phản ứng là:
W   m  m 0  c2  K C  K D
- Năng lượng tối thiểu cung cấp để phản ứng xảy ra:
Wmin   m  m 0  c2
II. CÔNG THỨC GIẢI NHANH
1. Tính năng lượng của phản ứng hạt nhân: A  B  C  D
E   m A  m B  m C  m D  .c2
 Cho khối lượng nghỉ:
 Cho độ hụt khối:

E   m C  m D  m A  m B  .c2

 Cho năng lượng liên kết:

E  WkC  WkD  WkA  WkB

 Cho năng lượng liên kết riêng: E   C .A C   D .A D   A .A A   B .A B
Quy ước:
E  0 : Phản ứng tỏa năng lượng; E  0 : Phản ứng thu năng lượng.
2. Tính động năng của các hạt nhân bay ra sau phản ứng:

Bài toán: Cho hạt nhân A chuyển động với động năng KA đến bắt vào hạt nhân B đứng yên gây ra
phản ứng hạt nhân A + B  C + D. Tính động năng của các hạt nhân C và D bay ra sau phản
ứng.
Cách làm:
Ta phải lập được hệ phương trình hai ẩn là KC và KD.
CẨM NANG VẬT LÍ 12

(91)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

a) Cách thiết lập phương trình thứ nhất
Bước 1: Tính năng lượng của phản ứng hạt nhân
E  ( m A  m B  m C  m D ).c 2
Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng toàn phần
Phải xác định rõ phản ứng hạt nhân có kèm theo tia gamma hay không.
- Trường hợp 1: Phản ứng không kèm theo tia gamma
K C  K D  K A  E
- Trường hợp 2: Phản ứng có kèm theo tia gamma
K C  K D  K A  E  
hc
Với  là năng lượng của phôtôn tia gamma (   hf 
)


b) Cách thiết lập phương trình thứ hai
 Trường hợp 1: Cho hai hạt nhân bay ra có cùng động năng
KC  KD
 Trường hợp 2: Cho hai hạt nhân bay ra có cùng độ lớn động lượng
p C  p D  p C2  p 2D  2m C K C  2m D K D

mC K C  m D K D  0
 Trường hợp 3: Cho hai hạt nhân bay ra có cùng tốc độ (độ lớn vận tốc)
K
m
vC  vD  C  C
K D mD
m D K C  mCK D  0



 Trường hợp 4: Cho hai hạt nhân bay ra theo phương vuông góc với nhau vC  vD



Định luật bảo toàn động lượng: p A  p C  p D
 p 2A  p C2  p 2D  2m A K A  2m C K C  2m D K D
mC K C  m D K D  mA K A
 Trường hợp 5: Cho một hạt nhân bay ra theo phương vuông góc với phương chuyển động


của hạt nhân ban đầu (A). Giả sử: v C  v A
p 2D  p2C  pA2  m A K D  mC K C  m A K A
3. Tính góc

Bài toán: Cho hạt nhân A chuyển động với động năng KA đến bắn vào hạt nhân B đứng yên gây ra
phản ứng hạt nhân. Hạt nhân tạo thành là hạt nhân C và D.
 
. Tính góc tạo bởi hướng của hạt nhân C và D:   v C , v D  ?








p2  p2C  p2D m A K A  mC K C  m D K D

p A  p C  p D  p 2A  PC2  p D2  2p C .p D .cos  cos  A
2p C pD
2 mC m D K C K D
 
. Tính góc tạo bởi hướng của hạt nhân C và hạt nhân A ban đầu:   v C , v A  ?



p 2D  p C2  p A2  2p C .p A .cos  cos 



p2A  p2C  p2D m A K A  mC K C  mD K D

2pC pA
2 mC m A K C K A

4. Phóng xạ tự nhiên
Bài toán: Cho hạt nhân phóng xạ X ban đầu đứng yên. Sau phóng xạ tạo thành B và C
A  BC
Giả sử phóng xạ không kèm theo tia gamma
. Tính năng lượng phân rã:
E   m A  m B  m C  .c 2   m B  m C  m A  .c 2
E  WkB  WkC  WkA   B .A B  C .A C   A .A A  K B  K C
CẨM NANG VẬT LÍ 12

(92)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

Phóng xạ là phản ứng hạt nhân luôn tỏa năng lượng.
. Tính động năng của hạt B và C:
(1)
 K B  K C  E

 m B K B  m C K C  0 (2)
. Tính phần trăm động năng của hạt B và C theo năng lượng phân rã E
mC
K

.100%
 Phần trăm động năng của hạt nhân B: B 
E m B  m C

KC
mB

.100%
E m B  mC
 Chú ý: Cho khối lượng xấp xỉ bằng số khối của nó: m  A
K B AC
K
A

.100% ; C  B .100%
E A A
E A A


m
K
v
. Trong phóng xạ: B  C  B ( vB  vC )
K C m B vC
 Phần trăm độn năng của hạt nhân C:

CHỦ ĐỀ 4. HAI LOẠI PHẢN ỨNG TOẢ NĂNG LƯỢNG.
NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
I. HAI LOẠI PHẢN ỨNG TOẢ NĂNG LƯỢNG
1. Phản ứng phân hạch

. Sự phân hạch: Sự phân hạch là một hạt nhân (loại rất nặng) hấp thụ một nơtrôn chậm và vỡ
thành hai hạt nhân trung bình.
A
A
235
1
236
1
 Ví dụ: Phân hạch U235 92 U 0 n  92 U Z11 X1  Z22 X 2  k( 0 n )  200MeV
 Đặc điểm:
+ Mỗi phân hạch tạo ra từ 2 đến 3 nơtrôn thứ cấp (Đối với U235 trung bình: 2,5).
+ Mỗi phản ứng toả ra khoảng 200 MeV.
+ Các hạt nhân X1, X2 có số khối: A1, A2 từ 80 đến 160.
+ Phân hạch thường kèm theo tia phóng xạ.
236
95
138
1
 Ví dụ cụ thể: o1 n  235
92 U  92 U  39Y  53 I  3 o n
. Phản ứng dây chuyền và điều kiện xảy ra:
a) Phản ứng dây chuyền: Trong phản ứng phân hạch, một phần số nơtrôn sinh ra bị mất mát vì
nhiều nguyên nhân (thoát ra ngoài, bị hạt nhân tạp chất khác hấp thụ,…) nhưng nếu sau mỗi phân
hạch, vẫn còn lại trung bình k nơtrôn, mà k > 1 thì k nơtrôn này đập vào các hạt nhân khác, lại gây
ra k phân hạch khác, sinh ra k2 nơtrôn, k3,…nơtrôn. Số phân hạch tăng rất nhanh trong một thời
gian rất ngắn: ta có phản ứng dây chuyền.
Gọi k là hệ số nhân nơtrôn (hay là số nơtrôn trung bình còn lại sau mỗi phân hạch).
 Với k > 1: Hệ thống vượt hạn
Phản ứng hạt nhân xảy ra không điều khiển được.
Năng lượng toả ra có sức công phá rất dữ dội nên được ứng dụng để chế tạo bom nguyên tử.

 Với k = 1: Hệ thống tới hạn
Phản ứng xảy ra điều khiển được.
Năng lượng toả ra không đổi nên được ứng dụng trong lò phản ứng của nhà máy điện hạt
nhân.
 Với k < 1: Hệ thống dưới hạn
Phản ứng hạt nhân dây chuyền không xảy ra.
b) Điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền: k  1
Khi đó khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải lớn hơn hoặc bằng một giá trị tối thiểu, được gọi
là khối lượng tới hạn (mth).
Ví dụ: Nhiên liệu là U235 thì có mth  15 kg; Pu239 có mth  5 kg.
CẨM NANG VẬT LÍ 12

(93)

0916.609.081 –


CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ



ĐỖ MINH TUỆ

2. Phản ứng nhiệt hạch
a) Định nghĩa: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng
hơn.
Ví dụ:
2
2
3

1
2
3
4
1
1 H  1 H  2 H  0 n  4MeV ; 1 H  1 H  2 He  0 n  17,5MeV
b) Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch: Xảy ra ở nhiệt độ rất cao
- Nhiệt độ rất cao khoảng hàng trăm triệu độ (cỡ 108K) nên được gọi là phản ứng nhiệt hạch.
- Ngoài điều kiện nhiệt độ cao, còn có 2 điều kiện nữa để phản ứng nhiệt hạch xảy ra:
+ Mật độ hạt nhân n phải đủ lớn.
+ Thời gian t duy trì nhiệt độ cao phải đủ dài.
n.t  1014 (s / cm 3 )
 Tiêu chuẩn Lawson:
c) Lí do con người quan tâm đến phản ứng nhiệt hạch
- Nguồn năng lượng nhiệt hạch là nguồn năng lượng vô tận, nhiên liệu có sẵn trong tự nhiên
như trong nước ao, hồ, biển,…
- Ít gây ô nhiễm môi trường vì ít tạo ra các tia phóng xạ.
- Toả ra năng lượng rất lớn.
3. So sánh phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch
. Giống nhau: Đều là phản ứng hạt nhân toả năng lượng.
. Khác nhau:
 Một phản ứng phân hạch toả năng lượng lớn hơn một phản ứng nhiệt hạch.
 Cùng khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng lớn hơn phản ứng
phân hạch.
 Hiện nay: phản ứng phân hạch có thể điều khiển được, phản ứng nhiệt hạch chưa điều khiển
được.
 Phản ứng nhiệt hạch “sạch” hơn phản ứng phân hạch vì ít có các bức xạ gây ô nhiễm.
II. NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
1. Cấu tạo: Bộ phận chính trong nhà máy là “Lò phản ứng hạt nhân”. Trong lò gồm:
 Thanh nhiên liệu: thường được làm bằng hợp kim chứa urani đã được làm giàu.

 Chất làm chậm: nước nặng D2O, than chì, berili,…
 Thanh điều khiển: chất hấp thụ nơtrôn không bị phân hạch như: Bo (B), Cadimi (Cd),…
2. Hoạt động: Điều chỉnh thanh điều khiển để hệ số: k = 1.

CẨM NANG VẬT LÍ 12

(94)

0916.609.081 –