Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, Đơn vị khối lượng nguyên tử: a.Cấu tạo: - Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ Z prôtôn prôtôn mang điện tích nguyên tố dương +1e, và N nơtron nơtron không mang
Trang 1CHỦ ĐỀ 08: VẬT LÍ HẠT NHÂN.
1 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, Đơn vị khối lượng nguyên tử:
a.Cấu tạo:
- Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ Z prôtôn (prôtôn mang điện tích nguyên tố dương +1e), và N nơtron (nơtron không mang điện), gọi chung là các nuclôn.Tổng số nuclon trong hạt nhân A = Z + N gọi là số khối
-Các nuclôn hút nhau bởi lực hạt nhân (Lực hạt nhân không có cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn) Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (cỡ 10-15m)
b.Kí hiệu hạt nhân: A
Z X với X là tên nguyên tố; Z trùng với vị trí của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn
Kí hiệu một số hạt sơ cấp: proton:1
1p (hạt nhân của1
1H) ;notron: 1
0n ; electron 0
1
e; electron dương :
0
1
e
c Đồng vị: Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôton Z nhưng khác số nơtron N gọi là các đồng vị.
d Đơn vị khối lượng nguyên tử:(u) Đơn vị u có giá trị bằng khối lượng nguyên tử của đồng vị 126C , cụ
thể: 1u = 1,66055.10-27kg ; 1u = 931,5 hay 1u.c2 = 931,5MeV
- Đơn vị năng lượng: 1 eV = 1,6.10-19J ; 1 MeV = 106.1,6.10-19J = 1,6.10-13J
2 Hệ thức Anhxtanh, độ hụt khối, năng lượng liên kết:
a.Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng:
- Vật có khối lượng nghỉ m0 có năng lượng nghỉ E0 = m0c2 ,khi vật chuyển động với vận tốc v, khối lượng của vật sẽ tăng lên thành m với m = và vật có năng lượng E = m.c2
Khi đó động năng của vật : Wđ = E – E0 = (m – m0).c2
b.Độ hụt khối: Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt
nhân đó: m = [Z.mp + N.mn] – mhn gọi là độ hụt khối của hạt nhân
c.Năng lượng liên kết hạt nhân:- Sự tạo thành hạt nhân toả năng lượng tương ứng ΔE = Δm.cE = ΔE = Δm.cm.c 2, gọi là
năng lượng liên kết của hạt nhân (vì muốn tách hạt nhân thành các nuclôn thì cần tốn một năng lượng
bằng ΔE) E)
d.Năng lượng liên kết riêng ( ΔE = Δm.cE/A) :là năng lượng liên kết tính cho 1 nuclon;năng lượng liên kết riêng
càng lớn thì hạt nhân càng bền vững
-Các hạt nhân có số khối : 50 < A< 95 thuộc nhóm bền vững nhất
3 Phản ứng hạt nhân: là quá trình tương tác làm biến đổi hạt nhân Phản ứng hạt nhân được chia làm hai
loại:
+ Phản ứng hạt nhân tự phát:(phóng xạ) là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác.A C + D Trong đó A: hạt nhân mẹ; C: hạt nhân con; D: tia phóng xạ (, , )
+ Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau thành các hạt nhân khác
- Phương trình phản ứng: 1
1
A
Z X1 + 2
2
A
Z X2 3
3
A
4
A
Z X4
4.Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân:
+ Bảo toàn số nuclôn (số khối): A1 + A2 = A3 + A4
+ Bảo toàn điện tích (nguyên tử số): Z1 + Z2 = Z3 + Z4
+ Bảo toàn động lượng:
+ Bảo toàn năng lượng toàn phần:
- Lưu ý: + Trong phản ứng hạt nhân: khối lượng, số proton, số notron không bảo toàn.
+ Mối quan hệ giữa động lượng pX và động năng WX của hạt X là: p2
X = 2.mX.Wđ
5 Năng lượng phản ứng hạt nhân:
Gọi: M0 =m X +m X là tổng khối lượng các hạt nhân trước phản ứng
Trang 23 4
M =m +m là tổng khối lượng các hạt nhân sau phản ứng.
+ Nếu M0 > M thì phản ứng toả năng lượng W = (M0 - M)c2 dưới dạng động năng của các hạt X3, X4
hoặc phôtôn .(Các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn.)
+ Nếu M0 < M thì phản ứng thu năng lượng W = (M – M0 )c2 dưới dạng động năng của các hạt X1, X2
(Các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững.)
6.Quy tắc dịch chuyển của sự phóng xạ
a Phóng xạ (24He ): 4 4
Z X He Z- Y
-Hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng tuần hoàn và mang điện tích dương (+2e) nên bị lệch về bản âm khi bay qua tụ điện,chuyển động với tốc độ cỡ 2.107m/s, quãng đường đi được trong không khí cỡ 8cm, trong vật rắn cỡ vài mm, khả năng đâm xuyên kém, có khả năng iôn hóa chất khí
b.Phóng xạ - ( ): 0
Z X ®- e+Z+Y
+Trong phóng xạ - có một hạt nơtrôn biến thành một hạt prôtôn
+Tia - bị lệch trong điện trường
c.Phóng xạ + ( ): 0
Z X ®+e+Z- Y
+Trong phóng xạ + có một hạt prôtôn biến thành một hạt nơtrôn
+Tia + bị lệch trong điện trường
d.Phóng xạ gamma (hạt phôtôn)
-Có bản chất là sóng điện từ có bước sóng rắt ngắn (< 0,01nm) Là chùm phôtôn có năng lượng cao -Là bức xạ điện từ không mang điện nên không bị lệch trong điện trường và từ trường
-Có khả năng đâm xuyên cực mạnh, đi được vài mét trong bê tông và vài centimét trong chì và rất nguy hiểm
-Trong phóng xạ không có sự biến đổi hạt nhân , phóng xạ thường đi kèm theo phóng xạ và .Do hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao khi chuyển xuống mức năng lượng thấp thì phóng ra một phôtôn đó là tia
7 Định luật phóng xạ:
a.Chu kì bán rã: là khoảng thời gian mà sau đó có ½ số nguyên tử bị phân rã và biến đổi thành chất
khác(các chất phóng xạ có chu kì bán rã khác nhau và không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài).
b.Các công thức về hiện tượng phóng xạ:
- Số nguyên tử (hạt nhân) chất phóng xạ còn lại sau thời gian t:
N =
T
t
N
2
0
= N0.e-.t với
T T
693 0 2 ln
gọi là hằng số phóng xạ
- Khối lượng chất phóng xạ còn lại sau thời gian t: m =
T t
m
2
0
= m0.e-.t
-Xác định số nguyên tử (N)có trong khối lượng m (g) chất : N =
M
N
m A
NA = 6,022.1023 (là số Avôgađrô); M khối lượng mol của chất đó
- Ứng dụng của các đồng vị phóng xạ: trong phương pháp nguyên tử đánh dấu, trong khảo cổ định tuổi cổ
vật dựa vào lượng cacbon 14
6C
8 Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch:
a.Phản ứng phân hạch: là trường hợp một hạt nhân loại rất nặng khi hấp thụ một nơtron (thường là notron chậm:động năng cỡ vài MeV –năng lượng kích hoạt) sẽ vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn, kèm theo
vài nơtrôn Năng lượng tỏa ra trong phản ứng cỡ 210 MeV
Trang 3- P.ư dây truyền: Gọi k là hệ số nhân nơtrôn,( là số nơtrôn trung bình còn lại sau 1 p.ư h.n )đến kích thích các h.n khác
+ Khi k < 1: p.ư phân hạch dây chuyền tắt nhanh
+ Khi k = 1: p.ư phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra không đổi theo thời gian: ứng dụng trong các lò phản ứng hạt nhân
+ Khi k > 1: p.ư phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra tăng nhanh không kiểm soát được: các vụ nổ lò hạt nhân, bom hạt nhân
- Khối lượng tới hạn: là khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để p.ư phân hạch dây chuyền duy trì
Với 235U khối lượng tới hạn cỡ 15 kg, với 239Pu vào cỡ 5 kg
b, Phản ứng nhiệt hạch (p.ư tổng hợp h.n):là sự kết hợp giữa hai hay nhiều hạt nhân rất nhẹ tạo thành
một hạt nhân nặng hơn đồng thời giả phóng một năng lượng khoảng 17.6MeV
-Phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, nên gọi là phản ứng nhiệt hạch
Chú ý: Năng lượng tỏa ra trong một phản ứng nhiệt hạch nhỏ hơn một phản ứng phân hạch nhưng xét
cùng một khối lượng thì nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng phân hạch lớn hơn nhiều
PHẦN BÀI TẬP: HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
Câu 1.Chọn phát biểu sai
A.Trong hạt nhân nguyên tử luôn tồn tại hai loại nuclon là proton mang điện tích nguyên tố dương và notron không mang điện
B.Các nuclon trong hạt nhân hút nhau với một lực rất lớn gọi là lực hạt nhân, lực này chỉ có tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân
C.Khối lượng của hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclon tạo thành hạt nhân đó
D.Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn càng bền vững
Câu 2.Một hạt nhân X phóng xạ α tạo thành một hạt nhân mới sau đó phóng xạ β- thì hạt nhân nguyên tử
đó sẽ biến đổi như thế nào :
A Số khối giảm 4, số prôtôn tăng 1 B Số khối giảm 2, số prôtôn giảm 1
Câu 3.Hạt nhân mẹ X đứng yên phóng xạ hạt α và sinh ra hạt nhân con Y Gọi m α và mY là khối lượng
của các hạt α và hạt nhân con Y; E là năng lượng do phản ứng toả ra, Kα là động năng của hạt α Tính
Kα theo E , m α và mY
A Kα =
Y
m
m
E
B Kα =
m m
m
Y E C Kα =
m
m Y
E
D Kα =
m m
m Y
Y
E
Câu 4.Từ hạt nhân 226
88Ra phóng ra 3 hạt α và một hạt
trong một chuỗi phóng xạ liên tiếp, khi đó hạt nhân tạo thành.là
A 224
84X D 224
82X Câu 5 238
92U sau một chuỗi phân rã α và β- biến thành hạt nhân chì 206
82Pb bền vững Hỏi chuỗi phóng xạ này có bao nhiêu lần phân rã α và β- ?
A 9 lần phân rã α và 12 lần phân rã β- B 6 lần phân rã α và 8 lần phân rã β-
C 12 lần phân rã α và 9 lần phân rã β- D 8 lần phân rã α và 6 lần phân rã β -Câu 6.Xét phản ứng hạt nhân sau : 2
1D + 3
1T 4
2 He + 1
0n Biết độ hụt khối khi tạo thành các hạt nhân :2
1D; 3
1T ; 4
2 He lần lượt là ΔE) mD = 0,0024u ; ΔE) mT = 0,0087u ; ΔE) mHe = 0,0305u Năng lượng tỏa ra trong phản ứng trên là :
Trang 4A 18,1 MeV B 15,4 MeV C 12,7 MeV D 10,5 MeV.
Câu 7.Cho biết khối lượng các hạt α ,prôtôn, nơtrôn lần lượt là: Cho mα = 4,0015u; mp = 1,0073u; mn = 1,0087u ; 1u.c2 = 931MeV Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân nguyên tử heli là:
Câu 8.Khi phân tích một mẫu gỗ, người ta xác định được 87,5% số nguyên tử đồng vị phóng xạ 14
6C bị phân rã thành các nguyên tử 14
7N, chu kỳ bán rã của 14
6C là 5600 năm Tuổi của mẫu gỗ là :
Câu 9.Phát biểu nào sau đây là đúng?
A Năng lượng liên kết là toàn bộ năng lượng của nguyên tử gồm động năng và năng lượng nghỉ
B Năng lượng liên kết là năng lượng tối thiểu để phá vỡ hạt nhân thành các các nuclon riêng biệt
C Năng lượng liên kết là năng lượng toàn phần của nguyên tử tính trung bình trên số nuclon
D Năng lượng liên kết là năng lượng liên kết các electron và hạt nhân nguyên tử
Câu 10.Nhận định nào sau đây là đúng khi nói về năng lượng liên kết riêng
A Giống nhau với mọi hạt nhân B Lớn nhất với các hạt nhân nhẹ
Câu 11.Hạt nhân có 4
2 He năng lượng liên kết là 28,4MeV; hạt nhân liti6
3Li có năng lượng liên kết là 39,2MeV; hạt nhân đơtêri 2
1D có năng lượng liên kết là 2,24MeV Hãy sắp theo thứ tự tăng dần về tính bền vững của ba hạt nhân này
A 6
3Li, 4
2 He, 2
1D B.2
1D,4
2 He, 6
3Li, C.4
2 He, 6
3Li,2
1D 6
3Li, 4
2He
Câu 12.Số hạt nhân phóng xạ ban đầu là N0,sau 3 chu kì bán rã ,số lượng hạt nhân phóng xạ bị phân rã
là :
Câu 13.Một lượng chất phóng xạ nguyên chất của nguyên tố X ban đầu có khối lượng m0, có chu kì bán rã
là T Sau thời gian t = 1,5T, tỉ số giữa số hạt nhân chất phóng xạ X bị phân rã và số hạt nhân còn lại của chất phóng xạ X là :
Câu 14.Chất phóng xạ 24
11Na có chu kì bán rã 15h So với khối lượng ban đầu của Na ban đầu, khối lượng
chất này bị phân rã trong vòng 5h đầu tiên bằng
Câu 15.Cho phản ứng hạt nhân + 27
13Al X + n Hạt nhân X là ?
A 24
10Ne