Cấu tạo hạt nhân Nguyên tử có cấu tạo rỗng gồm một hạt nhân mang ñiện tích dương ở giữa và e chuyển ñộng xung quanh Hạt nhân nguyên tử ñược cấu tạo từ những hạt nhỏ gọi là nuclôn.. Lự
Trang 1I CẤU TẠO HẠT NHÂN
1 Cấu tạo hạt nhân
Nguyên tử có cấu tạo rỗng gồm một hạt nhân mang ñiện tích dương ở giữa và e chuyển ñộng xung quanh
Hạt nhân nguyên tử ñược cấu tạo từ những hạt nhỏ gọi là nuclôn Có hai loại nuclôn:
- Prôtôn kí hiệu là p mang ñiện tích nguyên tố dương
- Nơtrôn kí hiêu là n năng lượng không mang ñiện tích
Một nguyên tố có nguyên tử số Z thì:
- vỏ nguyên tử có Z electron
- hạt nhân có N nơtron và Z prôtôn
Tổng số A = Z + N gọi là số khối
Một nguyên tử hay hạt nhân của nguyên tố X có kí hiệu: AZX
Ví dụ Hạt nhân 2311Na có 11 proton và (23 – 11) = 12 notron
2 ðồng vị
ðồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số prôtôn Z nhưng có số nơtron N khác nhau nên số khối
A cũng khác nhau
Ví dụ Hiñrô có 3 ñồng vị : hiñrô thường 11H ; ñơteri 21H (hay 21D ) và triti 31H (hay 31T )
3 Lực hạt nhân
Lực tương tác giữa các nuclôn gọi là lực hạt nhân (tương tác hạt nhân hay tương tác mạnh) Lực hạt nhân có tác dụng liên kết các nuclôn với nhau
ðặc ñiểm:
Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh ñiện, nó không phụ thuộc vào ñiện tích các nuclôn
Lực hạt nhân là một loại lực mới truyền tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân, có cường ñộ rất
lớn, còn gọi là lực tương tác mạnh
Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (khoảng 10–15m)
II KHỐI LƯỢNG HẠT NHÂN
1 ðơn vị khối lượng hạt nhân
Trong vật lí hạt nhân, khối lượng thường ñược ño bằng ñơn vị khối lượng nguyên tử Kí hiệu là u Theo ñịnh nghĩa, u có trị số bằng 1
12 khối lượng của ñồng vị cacbon
12
6C
27
12 12 6, 023.10
−
Chú ý: Khối lượng của các nuclon tính theo ñơn vị u thường dùng m p = 1,0073u và m n = 1,0087u
2 Khối lượng và năng lượng hạt nhân
Theo Anh-xtanh, năng lượng E và khối lượng m tương ứng của cùng một vật luôn luôn tồn tại ñồng thời và tỉ
lệ với nhau, hệ số tỉ lệ là c2 theo biểu thức: E = mc 2
c là tốc ñộ ánh sáng trong chân không có giá trị c = 3.108m/s
Khi ñó 1uc2 = 931,5 MeV → 1u = 931,5 MeV/c2
MeV/c2 ñược coi là 1 ñơn vị khối lượng hạt nhân
Chú ý:
CẤU TẠO HẠT NHÂN
(TÀI LIỆU BÀI GIẢNG)
Giáo viên: ðặng Việt Hùng
Trang 2Một vật có khối lượng m0 khi ở trạng thái nghỉ thì khi chuyển ñộng với vận tốc v, khối lượng sẽ tăng lên thành m với 0
2 2
1
m m
v c
=
−
Trong ñó m0: khối lượng nghỉ và m là khối lượng ñộng
Năng lượng toàn phần:
2 2
2 2
1
o
m c
E mc
v c
−
Trong ñó: E0 = m0c 2 gọi là năng lượng nghỉ
E – E0 = (m – m0)c 2 chính là ñộng năng của vật
III ðỘ HỤT KHỐI, NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN
1 ðộ hụt khối
Xét một hạt nhân A
ZX có Z proton và N notron, khi các nuclon chưa liên kết ñể tạo thành hạt nhân thì khối lượng của hạt nhân chính là khối lượng của các nuclon, có giá trị m 0 = Z.m p + N.m n
Sau khi các nuclon liên kết thì hạt nhân có khối lượng là m, thực nghiệm chứng tỏ m < m0
ðại lượng ∆m = m 0 – m, ñược gọi là ñộ hụt khối hạt nhân
Từ ñó ta có: ∆ =m (Z.mp+N.mn)−m
Ví du: Tính ñộ hụt khối của hạt nhân 4
2 He có khối lượng m He = 4,0015u
Hướng dẫn giải :
Hạt nhân 42He có 2 proton và 2 notron
Khi ñó m0 = Z.mp + N.mn = 2.mp + 2.mn = 2.1,0073 + 2.1,0087 = 4,049527u
ðộ hụt khối ∆m = m0 – m = 4,049527 – 4,0015 = 0,048027u
2 Năng lượng liên kết hạt nhân
a) Năng lượng liên kết hạt nhân
Theo thuyết tương ñối, hệ các nuclôn ban ñầu có năng lượng E0 = [Zmp + (A – Z)mn]c2
còn hạt nhân ñược tạo thành từ chúng thì có năng lượng E = mc2 < E0 Vì năng lượng toàn phần ñược bảo toàn, nên ñã có một lượng năng lượng ∆E = E0 – E = ∆m.c2 tỏa ra khi hệ các nuclôn tạo nên hạt nhân
Ngược lại, nếu muốn tách hạt nhân ñó thành các nuclôn riêng rẽ, có tổng khối lượng Zmp + N.mn > m, thì ta phải tốn năng lượng ∆E = ∆m.c2 ñể thắng lực tương tác giữa chúng ∆E càng lớn thì càng tốn nhiều năng lượng
ñể phá vỡ liên kết giữa các nuclôn
Vì vậy, ñại lượng ∆E = ∆m.c2 ñược gọi là năng lượng liên kết các nuclôn trong hạt nhân, hay gọn hơn, năng lượng liên kết hạt nhân
Ta có: ∆ = ∆ =( − ) =( + )−
b) Năng lượng liên kết riêng
Là năng lượng liên kết tính cho một nuclôn, kí hiệu là ε và ñược cho bởi công thức E
A
∆
ε =
ðặc ñiểm: Năng lượng liên kết riêng ñặc trưng cho sự bền vững của hạt nhân Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững
Ví dụ 1: Tìm ñộ hụt khối và năng lượng liên kết của hạt nhân Liti 7
3 Li Biết khối lượng nguyên tử Liti, nơtron và prôtôn có khối lượng lần lượt là: m Li = 7,0160u; m n = 1,0087u và m p = 1,0073u Biết
1uc 2 = 931,5 MeV/c 2
Trang 3Hướng dẫn giải :
Hạt nhân 73Li có 3 proton và 4 notron Khi ñó:
M0 = Z.mp + N.mn = 3.mp + 4.mn = 3.1,0073 + 4.1,0087 = 7,08299 u
ðộ hụt khối: ∆m = m0 – m = 7,08299 – 7,0160 = 0,06699 u
Năng lượng liên kết của hạt nhân là: ∆E = ∆m.c2 = 0,06699 uc2 = 0,06699.931,5 = 62,401185 MeV
Ví dụ 2: Cho biết: m He=4, 0015u;m O=15, 999u;m p =1, 0073u;m n =1, 0087 u Hãy so sánh mức ñộ bền vững của hai hạt nhân 4
2 He và 16
8 O
Hướng dẫn giải :
Xét hạt nhân 42He :
ðộ hụt khối hạt nhân: ∆mHe =(2.mp+2.mn)−mHe =4, 0032 4, 0015− =0, 0305 u
Năng lượng liên kết hạt nhân 42He là ∆EHe= ∆m cHe 2 =0, 0305 uc2=0, 0305.931, 5=28, 41075 MeV
Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 42He là He EHe 7,1027 MeV / nuclon
4
∆
Xét hạt nhân 168O :
ðộ hụt khối hạt nhân: ∆mO =(8.mp+8.mn)−mO=16,128 15, 999− =0,129 u
Năng lượng liên kết hạt nhân 168O là ∆EO= ∆m cO 2 =0,129 uc2=0,129.931, 5 120,1635 MeV=
Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 168O là O EO 7, 5102 MeV / nuclon
16
∆
Do εO > εHe nên hạt nhân 168O bền vững hơn hạt nhân 42He
Ví dụ 3: Hạt nhân Natri có kí hiệu 23
11Na và khôí lượng của nó là mNa = 22,983734 u, biết mp = 1,0073 u,
mn = 1,0087 u
a) Tính số hạt notron có trong hạt nhân Na
b) Tính số nuclon có trong 11,5 (g) Na
c) Tính ñộ hụt khối và năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Na
Hướng dẫn giải :
a) Số notron của Na: N* = 23 – 11 = 12
b) Số mol Na có trong 11,5 (g) Na: n 11,5 0,5
23
Số nguyên tử chứa trong ñó: N = n.NA = 0,5.6,02.1023 = 3,01.1023
Mối nguyên tử Na có 23 nuclon, vậy trong từng ñó nguyên tử thì số nuclon là N1 = N.23 = 69,23.1023
c) ðộ hụt khối: ∆m = 11 1,0073 + 13 1,0087 - 22,9837 = 0,201 (u)
Năng lượng liên kết của Na: Elk = 0,201.931 = 187 (MeV)
Ví dụ 4: Khối lượng nguyên tử của rañi Ra226 là m = 226,0254u
a) Hãy chỉ ra thành phần cấu tạo hạt nhân Rañi ?
b) Tính ra kg của 1 mol nguyên tử Rañi, khối lượng 1 hạt nhân, 1 mol hạt nhân Rañi?
c) Tìm khối lượng riêng của hạt nhân nguyên tử cho biết bán kính hạt nhân ñược tính theo công thức
r = r0.A1/3, với r0 = 1,4.10-15 m, A là số khối
d) Tính năng lượng liên kết của hạt nhân, năng lượng liên kết riêng, biết mp = 1,007276u, mn = 1,008665u ; me
= 0,00549u ; 1u = 931 MeV/c2
Hướng dẫn giải :
Trang 4a) Rañi hạt nhân có 88 prôton, N = 226 – 88 = 138 nơtron
b) m = 226,0254u.1,66055.10-27
= 375,7.10-27 kg Khối lượng một mol : mmol = mNA = 375,7.10-27.6,022.1023 = 226,17.10-3 kg = 226,17 g
Khối lượng một hạt nhân : mhn = m – Zme = 259,977u = 3,7524.10-25kg
Khối lượng 1mol hạt nhân : mmolhn = mnh.NA = 0,22589kg
c) Thể tích hạt nhân : V = 4πr3
/3 = 4πr03A/3
Khối lượng riêng của hạt nhân p p3 17 3
0
A
3
d) Tính năng lượng liên kết của hạt nhân ∆E = ∆mc2 = {Zmp + (A – Z)mn – m}c2 = 1,8197u
∆E = 1,8107.931 = 1685 MeV
Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ε E 7, 4557 MeV/nu
A
∆
Ví dụ 5: (Khối A – 2010)
Một hạt có khối lượng nghỉ m0 Theo thuyết tương ñối, ñộng năng của hạt này khi chuyển ñộng với tốc ñộ 0,6c (với c là tốc ñộ ánh sáng trong chân không) là
Hướng dẫn giải :
Ta có
2
m c
0, 6c 1
c
−
⇒ ñáp án C
Ví dụ 6: (Khối A – 2011)
Theo thuyết tương ñối, một êlectron có ñộng năng bằng một nửa năng lượng nghỉ của nó
thì êlectron này chuyển ñộng với tốc ñộ bằng
A 2,41.108
m/s B 2,75.108
m/s C 1,67.108
m/s
D 2,24.108
m/s
Hướng dẫn giải :
2
0
m c
1 c
−
m/s ⇒ ñáp án D
Ví dụ 7: Hạt nhân 4
2He có 4,0015u Tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Heli Tính năng lượng tỏa ra khi tao thành 1 (g) Heli Cho biết khối lượng của prôton và nơtron là mp = 1,007276u
và mn = 1,008665u; 1u = 931,5 MeV/c2 và số Avôgañrô là NA = 6,022.1023 mol-1
Ví dụ 8: Tính năng lượng liên kết riêng của hai hạt nhân 23 11Na và 5626Fe Hạt nhân nào bền vững hơn? Cho mNa = 22,983734u ; mFe = 55,9207u ; mn = 1,008665u ; mp = 1,007276u
Trang 5
Ví dụ 9: Khối lượng của hạt nhân 10
4Be là 10,0113u, khối lượng của nơtron là mn = 1,0086u, khối lượng của prôtôn là mp = 1,0072u và 1u = 931 MeV/c2 Năng lượng liên kết của hạt nhân Be10 là
Ví dụ 10: Khối lượng của hạt nhân Be9 4 là 9,0027u, khối lượng của nơtron là mn = 1,0086u, khối lượng của prôtôn là mp = 1,0072u ðộ hụt khối của hạt nhân Be94 là A 0,9110u B 0,0811u C 0,0691u D 0,0561u
Ví dụ 11: Cho hạt nhân 4 2He có khối lượng 4,0015u Biết mP = 1,0073u; mn = 1,0087u; 1u = 931 MeV/c2 Năng lượng liên kết riêng của hạt 4 2He bằng A 7,5 MeV B 28,4 MeV C 7,1 MeV D 7,1 eV
Giáo viên : ðặng Việt Hùng
Nguồn : Hocmai.vn