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: Kích thước hạt nhân: Hạt nhân nguyên tử được xem như một quả cầu có bán kính R, được xác định bởi công thức: 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 + Đơtêri: hidro nặng + Triti: hidro siêu nặng hay III. Khối lượng và năng lượng hạt nhân 1. Đơn vị khối lượng nguyên tử Đơn vị khối lượng nguyên tử (u) bằng 112 khối lượng của đồng vị phổ biến của nguyên tử
Trang 1CHƯƠNG 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: A X
Z
- Kích thước hạt nhân: Hạt nhân nguyên tử được xem như một quả cầu có bán kính R, được xác định bởi công thức:
R = 1,2.10-15.A3
1
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 1p hay
1
+ Đơtêri: hidro nặng 2D hay
1
+ Triti: hidro siêu nặng T3
1 hay H3
1
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
C
12
6
- 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 = mc2
- 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
Trang 2Dạng 2 PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
I Phương trình phản ứng hạt nhân
1
1
1 X
A
2 X
A
3 X
A
4 X
A Z
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
4 3 2
p + = +
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.
2He Hạt electron
( 0
1e
− )
Hạt pozitron ( 0
1e
+ )
Sóng điện từ có
λ< 0,01nm (tức photon có năng lượng cao)
Lệch trong điện
Tính chất chung 3
tia không nhìn thấy; ion hóa môi trường; làm đen phim ảnh; gây pư hóa học; mang năng lượng
trúc hạt nhân
Gây biến đổi cấu trúc hạt nhân Không biến đổi hạt
nhân
sáng
Khả năng ion hóa
Tầm bay xa và khả
năng xuyên qua vật
chất
Vài cm trong không khí
Xuyên được vài
µm trong vật rắn
Vài mét trong không khí Xuyên được vài mm trong kim loại
Đâm xuyên mạnh hơn tia X ( vài mét trong bêtông ,vài
cm trong chì)
Trang 3III Các phản ứng hạt nhân
Định nghĩa Là quá trình phân hủy tự phát của một hạt
nhân không bền vững Là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành 2 hạt nhân trung bình (kèm theo một vài nơtrôn phát
ra)
Là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn
Đặc điểm
Đặc điểm
riêng - Không cần tương tác- Có tính tự phát và không điều khiển
được
- Là một quá trình ngẫu nhiên
- Số lượng các hạt nhân phóng xạ giảm theo hàm số mũ 0
t
N=N eλ
- Do tương tác giữa nơtron chậm với hạt nhân nặng
- Quá trình phân hạch của X là không trực tiếp
mà phải qua trạng thái kích thích X*
- Có thể điều khiển được
- Năng lượng phát ra từ Mặt Trời và từ hầu hết các sao trong vũ trụ đều có nguồn gốc là năng lượng tổng hợp hạt nhân
- Con người chưa điều khiển được phản ứng này
- Chế tạo bom hidro
ngoài * Hệ số nhân nơ tron sau mỗi phân hạch k ≥ 1
* Khối lương chất phân hạch không được nhỏ hơn khối lượng tới hạn
*Nhiệt độ đến cỡ trăm triệu độ
* Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn
* Thời gian duy trì trạng thái plasma (τ) phải đủ lớn
Phương
−
Phóng xạ β Z AX → Z+A1Y + −01e + 00ν
Phóng xạ β+ Z AX → Z−A1Y + +01e 00ν
n + X → X* → Y + Z + kn (k = 1, 2, 3)
1 235 236
0 92 92
95 138 1
39 53 0
*
3
1H+1H→2He+0n
- Quá trình tổng hợp Heli từ hiđrô:
4 H→ He+ 2 e+ 2 ν + 2 γ
1H+1H→2He
Năng lượng
235
92U tỏa năng lượng 212MeV Qtoả = 17,6MeV/ 1 hạt nhân
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
Trang 4Dạng 3 ĐỘ HỤT KHỐI NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT NĂNG LƯỢNG
LIÊN KẾT RIÊNG
Xét một hạt nhân: A X
Z , có Z prôton và N nơtron, A = Z + N
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
∆E = ∆m.c 2
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
1
1
1 X
A
2 X
A
3X
A
4 X
A Z
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
Trang 5Dạng 5 BÀI TOÁN VỀ ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ
* Số nguyên tử chất phóng xạ còn lại sau thời gian t
t
t T
N N - N e-l
* 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
* Khối lượng chất phóng xạ còn lại sau thời gian t
t
t T
m m - m e-l
Trong đó: N0, m0 là số nguyên tử, khối lượng chất phóng xạ ban đầu , T là chu kỳ bán rã
2 0,693
ln
l = = 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
* Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã:
0
m
e m
l
-D
=
Phần trăm chất phóng xạ còn lại :
0
2
t t T m
e m
l
* Khối lượng chất mới được tạo thành sau thời gian t :
N
-D
-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 H0.2- T t H e0. -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 = 3,7.1010 Bq
Lưu ý: Khi tính độ phóng xạ H, H0 (Bq) thì chu kỳ phóng xạ T phải đổi ra đơn vị giây (s)