PP giai chuong IX 12NC

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (167.79 KB, 6 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

Chương 9

NHỮNG KIẾN THỨC SƠ BỘ VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
A – KIẾN THỨC CƠ BẢN

I. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử:

1) Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các prôtôn (p) và nơtrôn (n), gọi chung là các nuclôn.

Prôtôn là hạt mang điện tích dương +e và có khối lượng mp = 1,672.10-27kg; Nơtrơn là hạt khơng mang điện, có
khối lượng mn = 1,674.10-27kg.

2) Kí hiệu hạt nhân là ZAX , trong đó:

* Z là số prơtơn (số điện tích hạt nhân hay nguyên tử số)
* A là số khối (hay số nuclôn); A – Z = N: số nơtrơn.
* X là kí hiệu hoá học của nguyên tử.

3) Đồng vị: là những nguyên tử mà hạt nhân của chúng có cùng số prôtôn Z, nhưng số khối A khác nhau.
4) Đơn vị khối lượng nguyên tử: kí hiệu là u ; 1u = 1,66055.10-27kg

Khối lượng của hạt nhân còn được đo bằng đơn vị : 2
MeV

c ; 1u = 931 2
MeV

c
II. Sự phóng xạ:

1) Định nghĩa:

Là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự động phóng ra các bức xạ gọi là tia phóng xạ. Tia phóng xạ khơng nhìn thấy
nhưng có những tác dụng lý hố như ion hố mơi trường, làm đen kính ảnh, gây ra các phản ứng hố học.

2) Đặc điểm:

Hiện tượng phóng xạ hồn tồn do các nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra.không hề phụ thuộc vào các yếu tố
lý hố bên ngồi (ngun tử phóng xạ nằm trong các hợp chất khác nhau có nhiệt độ, áp suất khác nhau đều xảy
ra phóng xạ như nhau đối với cùng loại).

3) Các loại phóng xạ:

Cho các tia phóng xạ qua điện trường giữa 2 bản tụ điện ta xác định được bản chất của các tia phóng xạ.
a) Tia Alpha (): thực chất ❑24He .

- Bị lệch về phía bản (-) vì mang q = +2e.
- Phóng ra với vận tốc 107m/s.

- Có khả năng ion hố chất khí.

- Đâm xun kém. Trong khơng khí đi được 8cm.
b) Tia Bêta (): Gồm + và 

-- -: lệch về bản (+), thực chất là electron, q = -e

- +: lệch về phía (-) (lệch nhiều hơn tia  và đối xứng với -); thực chất là electron dương (pơzitrơn);

điện tích +e.

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

- Ion hố chất khí yếu hơn .

- Khả năng đâm xun mạnh, đi được vài trăm mét trong khơng khí.
c) Tia gammar ()

- Có bản chất là sóng điện từ bước sóng rất ngắn (<0,01nm). Đây là chùm phơtơn có năng lượng cao.
- Không bị lệch trong điện trường, từ trường.

- Có các tính chất như tia Rơnghen.

- Khả năng đâm xun lớn, có thể đi qua lớp chì vài chục cm và rất nguy hiểm.
- Tia  bao giờ cũng xuất hiện cùng các tai , . Không làm biến đổi hạt nhân.

4) Định luật phóng xạ:
a) Định luật:

Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một thời gian T gọi là chu kỳ bán rã, cứ sau mỗi chu kỳ này thì 1/2 số
nguyên tử của chất ấy đã biến đổi thành chất khác.

b) Công thức:

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

N = No.e-t = 2

o
k
N

; m = mo .e-t = 2

o

k
m

Trong đó:  là hằng số phóng xạ; λ=ln 2

T =

0,693
T

K=t

T : số chu kỳ bán rã trong thời gian t.

c) Độ phóng xạ:

Độ phóng xạ H của một lượng chất phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu, đo bằng số
phân rã trong 1s.

Đơn vị của H là Becơren, viết tắc là Bq. 1 Becơren = 1 phân rã/1s.
Ngồi ra H cịn có đơn vị curi (Ci); 1Ci = 3,7.1010Bq.
Công thức: H .N . .N eo t H eo. t

 

   

  

Với Ho = .No: độ phóng xạ ban đầu.

IV. Phản ứng hạt nhân: 
1) Phản ứng hạt nhân:

Là sự tương tác giữa hai hạt nhân dẫn đến sự biến đổi của chúng thành hạt nhân khác.
A + B  C + D

- Các hạt nhân trước và sau phản ứng có thể nhiều hoặc ít hơn 2.
- Các hạt nhân có thể là các hạt sơ cấp electron, pơzitron, nơtrơn…

- Phóng xạ: Là q trình biến đổi hạt nhân nguyên tử này thành hạt nhân nguyên tử khác
A  C + D

Trong đó:

A: hạt nhân mẹ; C: hạt nhân con; D: tia phóng xạ (, …)

2) Các định luật bảo tồn:

* Bảo tồn số nuclơn (số khối A): Tổng số nuclơn của các hạt nhân trước và sau phản ứng bằng nhau.
AA + BB = AC + AD

* Bảo tồn điện tích (nguyên tử số Z)

ZA + ZB = ZC + ZD

* Bảo toàn năng lượng và động lượng: năng lượng toàn phần và động lượng của các hạt nhân được bảo tồn.
* Khơng có định luật bảo tồn khối lượng trong phản ứng hạt nhân.

3) Vận dụng các định luật bảo tồn vào sự phóng xa các qui tắc dịch chuyển:

* Phóng xạ 

(

24He

)

4 4

2 2

A A

ZX He Z X



 

Hạt nhân con lùi 2 ơ trong bản tuần hồn (nằm trước hạt nhân mẹ), có số khối bé hơn 4u.
* Phóng xạ -:





0 0

1 : 1 1

A A

Z Z

e X e X

 

 

Hạt nhân con tiến 1 ô trong bản tuần hồn (nằm sau hạt nhân mẹ) có số khối khơng đổi.
* Phóng xạ + :





0 0

1 1 1

A A

Z Z

e X e X

   

Hạt nhân con lùi 1 ô trong bảng hệ thống tuần hồn và có A khơng đổi.

* Phóng xạ : Hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích có năng lượng Em cao, chuyển xuống mức năng lượng

En thấp hơn và phát ra tia : hfmn = Em - Em

Phóng xạ  đi kèm  và , khơng có sự biến đổi hạt nhân.

V. Năng lượng hạt nhân:

1) Hệ thức Anhstanh giữa năng lượng và khối lượng.

- Nếu một vật có khối lượng m thì nó có năng lượng E tỷ lệ với m gọi là năng lượng nghỉ:
2

E mc

(c=3.108m/s: vận tốc ánh sáng trong chân không).

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

2) Độ hụt khối và năng lượng liên kết:
a. Độ hụt khối:

- Khối lượng mo của Z prôtôn và N nơtrôn tồn tại riêng rẽ là: mo = Zmp + Nmo.
- Khi chúng liên kết với nhau tạo thành hạt nhân có khối lượng m thì m < mo.
- Hiệu: m m o m được gọi là độ hụt khối của hạt nhân.

b. Năng lượng liên kết:

Năng lượng của các nuclôn trước khi liên kết tạo thành hạt nhân: Eo = moc2.
- Hạt nhân tạo thành có năng lượng E = mc2 < Eo.

- Năng lượng toả ra là  E Eo E(mo  m c) 2 gọi là năng lượng liên kết vì:

E toả ra dưới dạng động năng của các hạt sinh ra và năng lượng tia .

Muốn phá vỡ hạt nhân thành Z prơtơn và N nơtrơn riêng lẽ thì phải tốn năng lượng E tương ứng để thắng lực

hạt nhân.

- Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân là năng lượng được tính cho 1 nuclơn
r E

E A

 

- Hạt nhân có năng lượng liên kết càng lớn, càng bền vững.
3) Phản ứng hạt nhân toả năng lượng và thu năng lượng.

Xét phản ứng: A + B  C + D

Do độ hụt khối khác nhau nên: Mo = mA + mB  M = mC + mD

* Nếu M < Mo thì:

 Tổng khối lượng giảm, nên phản ứng toả NL.

 E = (Mo – M)c2 toả ra dưới dạng động năng của hạt sinh ra hoặc phôtôn .

 Phản ứng hạt nhân toả năng lượng là phản ứng trong đó các hạt sinh ra có tổng khối lượng bé hơn các hạt ban

đầu, nghĩa là bền vững hơn.
* Nếu M > Mo thì:

 Tổng khối lượng tăng nên phản ứng thu NL.

 Năng lượng cung cấp phải bao gồm E = (M – Mo)c2 và năng lượng toàn phần của hạt sinh ra: W = E + Wđ
 Phản ứng hạt nhân thu năng lượng là phản ứng trong đó các hạt nhân sinh ra có tổng khối lượng lớn hơn các

hạt ban đầu nghĩa là kém bền vững hơn.

I. Kiến thức áp dụng phần vật lý hạt nhân

1. Định luật về sự phóng xạ : Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một thời gian T gọi là chu kì bán rã. Sau

mỗi chu kì một nửa số hạt ban đầu biến đổi thành hạt nhân khác

 Các biểu thức biểu diễn định luật phóng xạ :
0

.t
t

T

N

N N .e

 

   

 

  (1)

0
0

.t
t

T

m

m m .e

 

   

 

  (2)

0
0

0 0

.t
t

T

.t .t

H

H H .e

hay H .N .e H .e



 





 

 

 

 

 

  (3)

Trong đó:

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>


0 0
2
ln
H .N
T
 

 

  : Độ phóng xạ ban đầu



2 0 693

ln ,

T T



 

gọi là hắng số phóng xạ

 Đơn vị của độ phóng xạ là Becơren(Bq) bằng 1 phân rã/giây. Đơn vị Curi(Ci)

1Ci 3 7 10, . Bq

2. Các công thức mở rộng:

 Công thức số mol:

A
m N
A N
 

 

  (4)

Trong đó:

 N là số hạt nhân tương ứng với khối lượng m.
 A: số khối.

 NA = 6,023.1023 nguyên tử/mol

 Khối lượng chất phóng xạ bị phân rã trong thời gian t:

0 0
0
1 2
1

t
T
.t

m m m m ( )

m ( e  )



 
    
 
 
 

  (5)

 Số hạt nhân của chất phóng xạ bị phân rã trong thời gian t:

0 0
0
1 2
1
t
T
.t
A

N N N N ( )

m

.N ( e )

A



 
    
 
 
   

  (6)

 Phần trăm (%) khối lượng của của chất phóng xạ bị phân rã:

 

1 2 1

t
.t
T
m
% e

m



 
   
 

  (7)

 Phần trăm (%) số hạt nhân của của chất phóng xạ bị phân rã:

 

1 2 1

t
.t
T
N
% e
N



 
   
 

  (8)

 Chú ý :

Phương trình phóng xạ:

1 2

1 2 3

A

A A

Z X  ZYZC

 Số hạt nhân mẹ X bị phân rã( N ) X cũng là số hạt nhân con được tạo thành( N )Y

0 1 2 1

t

.t
T

Y X A

m

N N N ( ) .N ( e )

A



 
    
 
 
 

  (9)

 Do độ hụt khối của hạt nhân nên khối lượng của chất phóng xạ X bị phân rã( m ) X
khác với khối lượng của chất Y( m )Y được tạo thành.

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

 Bài toán áp dụng định luật phóng xạ sẽ trở lên đơn giản khi khoảng thời gian t bằng một số nguyên k lần

chu kì T

t
k
T

 


 

 . Sau 1,2,3,4… chu kì T:

 Khối lượng của chất phóng xạ cịn lại là : m0/2; m0/4; m0/8, m0/16….
 Số hạt nhân của chất phóng xạ còn lại là : N0/2; N0/4; N0/8, N0/16….
 Độ phóng xạ cịn lại là : H0/2; H0/4; H0/8, H0/16….

 Áp dụng công thức nhanh:

0 0 0

2 2

t

x

T m N H t x.T

m N H

 

     

 

 

Ví dụ 1 : 1123Naphóng xạ





và biến thành Magiê. Sau thời gian 45 giờ khối lượng chất phóng xạ chỉ cịn
12,5% khối lượng chất phóng xạ ban đầu. tìm chu kỳ bán rã của Natri?

A). 15giờ B). 11,25giờ C). 22,5giờ D). 45giờ

Ta thấy: 3

1 1
12 5

8 2

, (%) 

. Vậy 3

t

T   T = 15 giờ. Ta chọn đáp án A

Ví dụ 2 : 1123Na là chất phóng xạ



 và biến thành Magiê có chu kỳ bán rã là 15 giờ.Ban đầu có 1 lượng Na
nguyên chất. Sau thời gian bao lâu thì tỉ số giữa số hạt nhân Na và Mg bằng 1?

A). 30 giờ B). 3,75 giờ C). 15 giờ D). 7,5 giờ

Ta thấy: Sau 1 chu kì, số hạt Na cịn lại 12 so với số hạt ban đầu. Và số hạt Mg tạo thành cũng chính là
1

2số hạt Na bị phân rã , nên tỉ số giữa số hạt Na còn lại và số hạt Mg sinh ra là 1. Ta chọn được đáp án C

Ví dụ 3 : Polơni(Po210) là chất phóng xạ Alpha có chu kỳ bán rã là 138 ngày. Sau thời gian 276 ngày lượng
chất phóng xạ cịn lại là 12gam. Tìm khối lượng chất phóng xạ ban đầu

A). 36g B). 24g C). 48g D). 60g

Ta thấy: 276 ngày = 2.138 ngày = 2.T. Vậy

2 0

2 m m 4m

m

  

. Ta chọn được đáp án C

Ví dụ 4 : Polơni có chu kỳ bán rã là T=138 ngày, phóng xạ



( He )24 và biến thành đồng vị bền của chì

(Pb). ban đầu có 1 lượng Po nguyên chất. Sau thời gian 276ngày thì tỉ số giữa số hạt nhân chì và số hạt nhân
Po bằng bao nhiêu

A). 4 B). 2 C). 8 D). 3

Ta thấy: Tương tự như trên 276 ngày = 2.138 ngày = 2.T. Nên số hạt Po còn lại bằng 14 số hạt Po ban đầu

Po

N
N

 



 

 . Suy ra số hạt chì (Pb) sinh ra bằng số hạt Po đã phân rã bằng 34số hạt Po ban đầu

3
4

Pb Pb

N

N N

 

 

 

  . Ta chọn được đáp án D

 Chú ý : Nếu khoảng thời gian t kT thì những thí dụ trên ta có thể dùng công thức nhanh sau:

0 0 0

2 m N H

t .ln T .ln( ) T .ln( ) T .ln( )

m N H

 

  

 

 

2. Bài toán xác định tuổi của cổ vật:

 Thông thường thời gian t thường khơng bằng số chẵn lần chu kì(t kT ) nên khi áp dụng biểu thức của

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

0 0 0

2 m N H

t .ln T .ln( ) T .ln( ) T .ln( )

m N H

 

  

 

 

Ví dụ 5 : Tính tuổi của một mẩu gỗ cổ biết rằng độ phóng xạ bêta của nó bằng 0,77 lần độ phóng xạ của một
mẩu gỗ khác giống hệt mới chặt. Cho chu kỳ bán rã của C14 là 5600 năm

A). 2112 năm B). 1210 Năm C). 4510 năm D). 3600 năm

Áp dụng công thức :

0 5600 1

0 693 0 693 0 77

H
T

t .ln .ln

, H , ,

 
 

    

   . Ta tính được t = 2112 năm
Ta chọn được đáp án A

Ví dụ 6 : Chất 2760Co dùng trong y tế có chu kỳ bán rã 5,33 năm.Ban đầu khối lượng Co là 500gam. Sau thời
gian bao lâu thì lượng chất phóng xạ còn lại là100gam

A). 12,38năm B). 8,75năm C). 10,5năm D). 15,24 năm

Tính tương tự như trên:

0 693

m
T

t .ln

, m

 

  

  . Ta chọn được đáp án A
3. Tính số hạt nhân con Y(NY) tạo thành và khối lượng tạo thành(mY) .

Ví dụ 7 :: Hạt nhân 21084Po phóng xạ α và biến thành hạt nhân X. Lúc đầu có 42 g poloni. Sau 3 chu kì
khối lượng chất X được tạo thành là

A. 5,25 g B. 36,75 g C. 36,05 g D. Một giá trị khác
Nhận xét: Trong bài này học sinh có thể mắc những sai lầm sau

 Nhầm tưởng khối lượng chất X được tạo thành là khối lượng còn lại của Po sau 3 chu kì nên có đáp án A
 Nhầm tưởng khối lượng chất X được tạo thành bằng khối lượng đã phân rã của Po nên có đáp án B.

Áp dụng công thức:

0 1 .t

X

X Po

m
m

( e )

A A




 

 

 

 

Ta chọn được đáp án C

4. Khi tính năng lượng E theo đơn vị MeV bằng công thức E = m.c2 ta nên lấy đơn vị m là MeV/c2 . Khi đó
giá trị của m bằng giá trị của E

Ví dụ : m = 931 MeV/c2 thì E = 931 MeV

5. Các phản ứng nhiệt hạch, phân hạch , các phóng xạ ln là phản ứng toả năng lượng nên khối lượng các hạt
trước phản ứng bao giờ cũng lớn hơn khối lượng các hạt sau phản ứng

 Chú ý:

 Đối với dạng tốn tính năng lượng của phản ứng hạt nhân ta cần nắm vững định luật bảo toàn năng

lượng hạt nhân toàn phần, định luật bảo tồn động lượng.

 Đối với dạng tốn tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ta nên dùng

công thức sau:

2 2

p n hn

E m.c Z .m ( A Z ).m m .c

      

R p n hn

E

E Z .m ( A Z ).m m .c