Tài liệu Lý Thuyết Hạt nhân nguyên tử - Cấu Tạo Nguyên Tử doc

Phần Hạt nhân nguyên tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 1 -
Chương HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

I. TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN
1. Cấu tạo hạt nhân
- Hạt nhân tích điện dương bằng +Ze (Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn), kích thước hạt nhân rất nhỏ, nhỏ hơn
kích thước nguyên tử khoảng 10
4
– 10
5
lần
- Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là prôtôn và nơtrôn; hai loại hạt này gọi chung là nuclôn.
o Prôtôn, kí hiệu p, mang một điện tích nguyên tố dương +e, khối lượng 1,67262.10
-27
kg.
o Nơtrôn, kí hiệu n, không mang điện, khối lượng 1,67493.10
-27
kg.
o Hạt nhân nguyên tử chứa Z prôtôn và N nơtrôn. Tổng số nuclôn trong hạt nhân A = Z + N, A gọi là số khối.
- Ký hiệu hạt nhân: Người ta dùng ký hiệu hóa học X của nguyên tố để đặt tên cho hạt nhân:
X
A
Z
hoặc
A
X hoặc XA.
Ví dụ: Hạt nhân Na có thể ký hiệu bằng các cách sau:
,hay ,
2323
11

NaNa
hoặc Na23.
- Đồng vị
o Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số prôtôn Z nhưng có số nơtrôn N khác nhau, do đó có số khối A = Z +
N khác nhau (có cùng một vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn).
Ví dụ:
H
1
1

DH
2
1
2
1
hay

TH
3
1
3
1
hay

o Hyđrô có ba đồng vị là:
 Hyđrô thường
H
1
1
chiếm 99,9% hyđrô thiên nhiên.

 Hyđrô nặng hay đơtêri
DH
2
1
2
1
hay
chiếm 0,015% hyđrô thiên nhiên.
 Hyđrô siêu nặng hay triti
TH
3
1
3
1
hay
hạt nhân này không bền, thời gian sống của nó khoảng 10 năm.
o Cacbon có nhiều đồng vị, trong đó chỉ có hai đồng vị bền là
C
12
6
và
C
13
6
. Trong một khối cacbon tự nhiên bền vững,
C
12
6

chiếm khoảng 98,89% và

C
13
6
chiếm khoảng 1,11%.
- Đồng vị phóng xạ là đồng vị mà các hạt nhân của nó có thể phóng ra các tia phóng xạ và biến đổi hạt nhân của nguyên tố khác.
Ví dụ: Đồng vị
ThHeU
234
90
4
2
238
92


2. Khối lượng hạt nhân
- Các hạt nhân có khối lượng rất lớn so với khối lượng của electron; vì vậy khối lượng nguyên tử tập trung gần như toàn bộ ở hạt
nhân. Để tiện cho tính toán khối lượng hạt nhân, người ta định nghĩa một đơn vị mới đó khối lượng cỡ khối lượng các hạt nhân.
Đơn vị này gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u.
- Đơn vị khối lượng nguyên tử u có giá trị bằng 1/12 khối lượng nguyên tử của đồng vị
C
12
6
, vì vậy còn gọi là đơn vị cacbon.

kgu
27
23
10.66055,1
10.023,6

012,0
.
12
1
1



- Khối lượng và năng lượng
o Theo hệ thức Anh-xtanh về mối quan hệ giữa năng lượng E và khối lượng m của cùng một vật có dạng: E = mc
2

o Năng lượng tính ra đơn vị eV tương ứng với khối lượng 1u là: E = uc
2
 931,5 MeV => 1u  931,5 MeV/c
2

(MeV/c
2
cũng được coi là đơn vị đo khối lượng hạt nhân)
o Chú ý: Lý thuyết Anh-xtanh, một vật có khối lượng nghỉ m
0
(khối lượng của vật ở trạng thái nghỉ), khi chuyển động với
tốc độ v, khối lượng sẽ tăng lên thành m (khối lượng động) với
2
2
0
1
c
v

m
m



Khi đó năng lượng của vật (năng lượng toàn phần) là E = mc
2
=
2
2
2
0
1
c
v
cm


Năng lượng E
0
= m
0
c
2
được gọi là năng lượng nghỉ và hiệu số E – E
0
= (m - m
0
)c
2

chính là động năng của vật.

II. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT CỦA HẠT NHÂN. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1. Lực hạt nhân
- Các nuclôn trong hạt nhân hút nhau bằng các lực rất mạnh tạo nên hạt nhân bền vững. Các lực hút đó gọi là lực hạt nhân.
- Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện vì lực hạt nhân luôn là lực hút giữa hai prôtôn, giữa hai nơtron và giữa một nơtron với
một prôtôn. Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích.
- Lực hạt nhân không cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn; nó là một loại lực truyền tương tác giữa các nuclôn trong
hạt nhân. Lực này cũng được gọi là lực tương tác mạnh, nhưng chỉ tác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclôn bằng hoặc nhỏ hơn
kích thước của hạt nhân.
2. Năng lượng liên kết của hạt nhân
- Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó.
- Độ chênh lệch giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu m: m = Zm
p
+ (A - Z)m
n
- m
x

Trong đó:
m là độ hụt khối Zm
p
là khối lượng của Z prôtôn
(A – Z)m
n
là khối lượng của (A - Z) nơtron m
x
là khối lượng của hạt nhân X
Phần Hạt nhân nguyên tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 2 -

- Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số c
2
.
W
lk
= [Zm
p
+ (A – Z)m
n
– m
x
]c
2
Hay W
lk
= mc
2

- Năng lượng liên kết riêng (kí hiệu
A
W
lk
) là năng lượng liên kết tính cho một nuclôn. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng
lớn, thì càng bền vững.
3. Phản ứng hạt nhân
- Phân loại: Phản ứng hạt nhân thường chia làm hai loại:
+ Phản ứng tự phát là quá trình phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác.
+ Phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo thành các hạt nhân khác.
- Đặc tính của phản ứng hạt nhân:
+ Biến đổi các hạt nhân. + Biến đổi các nguyên tố. + Không bảo toàn khối lượng nghỉ.

- Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
o Bảo toàn điện tích: Tổng điện tích của các hạt tham gia phản ứng bằng tổng điện tích của các hạt tạo thành sau phản ứng.
(
A B C D
Z Z Z Z  
)

o Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số A): Prôtôn có thể biến thành nơtrôn và ngược lại nhưng số nuclôn là không đổi.
(
A B C D
A A A A  
)

o Bảo toàn năng lượng toàn phần: Tổng năng lượng của một hệ kín được bảo toàn.
( ) ( ) ( ) ( )
A ñA B ñB C ñC D ñD
E E E E E E E E      

o Bảo toàn động lượng: Động lượng của một hệ kín được bảo toàn.
A B C D
p p p p  
   

- Năng lượng phản ứng hạt nhân:
Gọi

tổng khối lượng các hạt nhân trước phản ứng là m
trước
,

tổng khối lượng các hạt nhân sau phản ứng là m
sau

+ Phản ứng tỏa năng lượng khi m
trước
> m
sau
, năng lượng tỏa ra được tính bằng công thức: W
tỏa
= W = (m
trước
– m
sau
)c
2

+ Phản ứng thu năng lượng khi m
trước
< m
sau
, năng lượng thu được tính bằng công thức: W
thu
= |W| = -W
III. PHÓNG XẠ
1. Hiện tượng phóng xạ
- ĐN: Phóng xạ là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). Quá trình phân hủy này
kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân hủy gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân
được tạo thành sau phân hủy gọi là hạt nhân con.
- Các dạng phóng xạ
+ Phóng xạ 

Hạt nhân mẹ X phân rã tạo thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ  theo phản ứng sau:

HeYX
A
Z
A
Z
4
2
4
2



hay có thể viết
HeX
A
Z
A
Z
4
2





* Bản chất là chùm hạt nhân hêli
He
4

2
gọi là hạt .
* Tính chất: mang điện tích (+2e) nên tia  lệch về bản cực âm của tụ điện. Hạt  phóng ra với vận tốc v  10
7
m/s, làm
ion hóa môi trường và mất dần năng lượng, vì vậy nó chỉ đi được tối đa trong không khí 8cm và khả năng đâm xuyên
yếu.
+ Phóng xạ 
-

Phóng xạ 
-
là quá trình phát ra tia 
-
. Tia 
-
là các dòng electron (
e
0
1
).
Dạng tổng quát của quá trình phóng xạ:
YX
A
Z
A
Z 1




+ Phóng xạ 
+
là quá trình phát ra tia 
+
. Tia 
-
là các dòng pôzitron (
e
0
1
). Pôzitron (
e
0
1
) có điện tích +e và có khối lượng
bằng khối lượng electron, nó là phản hạt của electron.
Dạng tổng quát của quá trình phóng xạ:
YX
A
Z
A
Z 1




+ Tính chất: Các hạt  phóng ra với vận tốc v  c = 3.10
8
m/s, cũng làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn tia  nên tia  có

thể đi xa hàng trăm mét trong không khí và khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia .
+ Phóng xạ 
* Bản chất: là sóng điện từ có bước sóng ngắn ( < 0,01nm), đồng thời là chùm phôtôn có năng lượng cao.
* Tính chất: tia  có khả năng đâm xuyên rất lớn, có thể đi qua lớp chì dày hàng chục cm và gây nguy hiểm cho con
người, vì không mang điện nên nó không bị lệch trong điện trường và từ trường.
2. Định luật phóng xạ
- 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 + Là một quá trình ngẫu nhiên
- Định luật phóng xạ
+ Xét một mẫu p.xạ có N h.nhân tại thời điểm t. Tại thời điểm (t + dt) số h.nhân giảm đi và trở thành (N +dN) với dN < 0.
+ Số hạt nhân đã phân hủy trong khoảng thời gian dt là (-dN) -dN = Ndt
Trong đó  là một hằng số dương gọi là hằng số phóng xạ
dt
N
dN



+ Gọi N
0
là số hạt nhân của mẫu phóng xạ tồn tại lúc t = 0, số hạt nhân N vào thời điểm t > 0 là: N = N
0
t
e



Phần Hạt nhân nguyên tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 3 -
- Chu kỳ bán rã: 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 ½ số

nguyên tử của chất ấy biến đổi thành chất khác.

693,02ln
T

3. Đồng vị phóng xạ nhân tạo
- Ngoài các đồng vị p.xạ có sẵn trong tự nhiên, người ta chế tạo được nhiều đồng vị p.xạ gọi là đồng vị p.xạ nhân tạo.
- Phóng xạ nhân tạo và phương pháp nguyên tử đánh dấu
+ Bằng phương pháp tạo ra phóng xạ nhân tạo, người ta tạo ra các hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố X bình thường, không
phải là tạo ra chất phóng xạ theo sơ đồ tổng quát sau:
XnX
A
Z
A
Z
11
0



+
X
A
Z
1
là các đồng vị phóng xạ của X. Khi trộn lẫn các hạt nhân bình thường không phóng xạ, các hạt nhân phóng xạ
X
A
Z
1

được gọi là các nguyên tử đánh dấu, cho phép ta khảo sát sự tồn tại, sự phân bố, sự chuyển vận của nguyên tố X.
Phương pháp nguyên tử đánh dấu có nhiều ứng dụng trong sinh học, hóa học, y học ...
- Đồng vị
14
C, đồng hồ Trái Đất
+ Ở tầng cao khí quyển, trong thành phần của tia vũ trụ có các nơtron chậm (tốc độ vào cỡ vài tram mét trên giây). Một nơtron
chậm khi gặp hạt nhân
N
14
7
(có trong khí quyển) tạo nên phản ứng:
pCNn
1
1
14
7
14
7
1
0



C
14
6
là một đồng vị phóng xạ 
-
, chu kỳ bán rã 5 730 năm.
+ Trong khí quyển có cácbon đioxit: Trong các hnhân cacbon ở đây có lẫn cả

C
12
6
và
C
14
6
(tỉ lệ không đổi:
C
14
6
chiếm 10
-6
%)
+ Các loài thực vật hấp thụ CO
2
trong không khí, trong đó cacbon thường và cacbon phóng xạ với tỉ lệ 10
-6
%. Khi loài thực
vật ấy chết, không còn sự hấp thụ CO
2
trong không khí và
C
14
6
không còn tái sinh trong thực vật nữa. Vì
C
14
6
phóng xạ nên

lượng
C
14
6
giảm dần trong thực vật đó. So sánh các tỉ lệ đó cho phép ta xác định thời gian từ lúc loài thực vật đó chết đến nay.
Phương pháp này cho phép tính các khoảng thời gian từ 5 đến 55 thế kỉ.

IV. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH
1. Cơ chế của phản ứng phân hạch
- Phản ứng phân hạch là gì ? Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn.
- Phản ứng phân hạch kích thích.
+ Xét các phản ứng phân hạch của các hạt nhân:
U
235
92
,
U
238
92
,
Pu
239
94
vì đó là những nguyên liệu cơ bản của công nghiệp năng
lượng hạt nhân.
+ Để truyền năng lượng kích hoạt cho hạt nhân X là cho một nơtron bắn vào X để X “bắt” nơtron đó. Khi “bắt” nơtron, hạt
nhân X chuyển sang một trạng thái kích thích, kí hiệu X
*
. Trạng thái này không bền vững và kết quả xảy ra phân hạch.
n + X  X

*
 Y + Z + kn (k = 1, 2, 3)
+ Hạt nhân X
*
vỡ thành hai mảnh kèm theo một vài nơtron phát ra.
+ Quá trình phân hạch của X không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích X
*
.
2. Năng lượng phân hạch
- Xét các phản ứng phân hạch
U
235
92
sau đây:
nIYUUn
1
0
138
53
95
39
*236
92
235
92
1
0
3

nSrXeUUn

1
0
95
38
139
54
*236
92
235
92
1
0
2

- Phản ứng phân hạch tỏa năng lượng
+ Các phép tính toán chứng tỏ phản ứng phân hạch trên là phản ứng tỏa năng lượng, nlượng đó gọi là năng lượng phân hạch
+ Ví dụ: Sự phân hạch của 1g
235
U giải phóng một năng lượng bằng 8,5.10
10
J, tương đương với năng lượng vủa 8,5 tấn than
hoặc 2 tấn dầu tỏa ra khi cháy hết.
- Phản ứng phân hạch dây chuyền.
+ Sau mỗi lần phân hạch, có k nơtron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân
235
U khác tạo nên những phân hạch mới.
Sau n lần phân hạch liên tiếp, số nơtron giải phóng là k
n
và kích thích k
n

phân hạch mới.
+ Khi k < 1 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 và năng lượng phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ.
+ Muốn cho k  1, khối lượng của chất phân hạch phải đủ lớn để số nơtron bị “bắt” nhỏ hơn nhiều so nhiều so với số nơtron
được giải phóng.
+ Khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì được trong đó gọi là khối lượng tới hạn.
3. Phản ứng phân hạch có điều khiển
- Phản ứng phân hạch này được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng với trường hợp k = 1.
- Để đảm bảo cho k = 1, người ta dùng những thanh điều khiển có chứa bo hoặc cađimi.
- Vì bo hoặc cađimi có tác dụng hấp thụ nơtron nên khi số nơtron tăng quá nhiều người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào
trong lò để hấp thụ nơtron thừa. Nhiên liệu phân hạch trong các lò phản ứng thường là
235
U hay
239
Pu.
- Năng lượng tỏa ra trong lò phản ứng không đổi theo thời gian.
V. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH.
1. Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch
- Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
- Điều kiện thực hiện
Phần Hạt nhân nguyên tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 4 -
+ Nhiệt độ cao (50  100 triệu độ) để chuyển hỗn hợp nhiên liệu sang trạng thái plasma.
+ 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.
Vậy,
3
1614
)1010(

cm
s
n 

là điều kiện cơ bản để xảy ra phản ứng hạt nhân.
2. Năng lượng nhiệt hạch
Năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch được gọi là năng lượng nhiệt hạch.
3. Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất
- Trên Trái Đất, loài người đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử bom H và đang nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch có điều khiển.
- Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển
MeVnHeHH 6,17
1
0
4
2
3
1
2
1


- Muốn tiến hành được phản ứng nhiệt hạch cho các hạt nhân
H
2
1
và
H
3
1
thì phải tiến hành theo ba cách:

+ Đưa nhiệt độ lên cao.
+ Dùng các máy gia tốc.
+ Dùng chùm laze cực mạnh.
Phần Hạt nhân ngun tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 5 -
HẠT NHÂN NGUN TỬ
I. HẠT NHÂN NGUN TỬ
1. Cấu tạo hạt nhân:









 


















27
19
27
1,67262.10
prôtôn
1,6.10
được tạo nên từ
1,67493.10
( - ) nơtrôn
0 : không mang điện

p
p
A
Z
n
p
m kg
Z
q C
X
m kg
N A Z
q

2. Đơn vị khối lượng ngun tử (
u
):



 



27
1,007276
1 1,66055.10
1,008665
p
n
m u
u kg
m u

3. Các cơng thức liên hệ:
a. Số mol:
23
A
; A: khối lượng mol(g/mol) hay số khối (u)
: khối lượng

N: số hạt nhân nguyên tử
;
N 6,023.10 nguyên tử/mol

A
A
A
m
NA
n
m
A
N
N
mN
n
N
N
A






 

 

 



 






4. Bán kính hạt nhân:
1
15
3
1,2.10 ( )R A m



II. NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN
1. Độ hụt khối:
0
0
( ) : khối lượng các nuclôn riêng lẻ
p n
m Zm A Z m
m m m
  



  



2. Hệ thức Einstein:

2
E mc
;
2
1 931,5uc MeV
;
13
1 1,6.10MeV J



3. Năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng:
a. Năng lượng liên kết:
2
E mc  

b. Năng lượng liên kết riêng:
: tính cho một nuclôn
E
A




Chú ý: H.nhân có số khối trong khoảng từ 50 đến 70, n.lượng liên kết riêng của chúng có giá trị lớn nhất vào khoảng 8,8 MeV/nu
III. PHĨNG XẠ
1. Định luật phóng xạ:







 





 


0
0
0
0

ln2
2
; với : hằng số phân rã
( )

2
t
t
T
t
t
T
N

N N e
m
T s
m m e

2. Độ phóng xạ:
0
0
10
0 0
ln2
; với : hằng số phân rã
( )

2
; ( ); 1 3,7.10 Bq
t
t
T
H
H H e
T s
H N H N Bq Ci


 


  




  


3. Thể tích của dung dịch chứa chất phóng xạ:
0
0
2
t
T
H
V V
H


Trong đó:
la the å tích dung dòch chứa V ø H

Chu kì bán rã của một số chất

Chất phóng xạ
12
6
Cacbon C

16
8
Oxi O

235
92
Urani U

210
84
Poloni Po

226
88
Ri Ra

219
86
Radon Ra

131
53
Iôt I

Chu kì bán rã
5730 nămT 

122 sT 

8
7,13.10 nămT 

138 ngàyT 

1620 nămT 

4 sT 

8 ngàyT 

3. Chất phóng xạ bị phân rã:
a. Số hạt nhân ngun tử bị phân rã:
0 0
(1 )
t
N N N N e


    

b. Khối lượng hạt nhân ngun tử bị phân rã:
0 0
(1 )
t
m m m m e


    

Chú ý: Số hạt nhân ngun tử tạo thành bằng số hạt nhân ngun tử phóng xạ bị phân rã