Tài liệu học tập chương 3 . hóa học hạt nhân

CHƯƠNG 3HOÁ HỌC HẠT NHÂN.3.1 SỰ PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN, THÀNH PHẦN HẠT NHÂN.3.1.1 Sự phát hiện ra hạt nhân.Thí nghiệm của RuZơFo (1911).Kết luận: nguyên tử có cấu tạo rỗng, đường kính của hạt nhân nhỏ hơn của nguyêntử hàng chục vạn lần ( rnhân = 1013cm, còn rngtử=108cm).3.1.2. Thành phần hạt nhân:Hạt nhân gồm các Nucleon. Nucleon = p + n (Proton) (Nơtron)Ngoài 2 hạt nhân sơ cấp trên, trong hạt nhân còn tồn tại các hạt sơ cấp không bền,có khối lượng trung bình giữa khối lượng của electron và proton, đó là các Mezon.Chúng có điện tích 1, 0, có spin nguyên và bán nguyên.Mezon gồm 3 hạt cơ bản không ổn định, có khối lượng gần bằng 270me, có điện tích+, 0, . Mezon tương tác mạnh mẽ với các Nucleon. n + p ↔ p +  + p ↔ p + n p + n ↔ n + + + n ↔ n + pProton có: mp = 1,00783 ĐVC = 1,6726.1024g. qp = 1,602.1019C = +1.Nơtron có: mn = 1,00921 ĐVC = 1,6749.1024g. qn = 0Electron có: me=5,4855.104 ĐVC = 9,119.1028g. qe= 1,602.1019C = 1.3.1.3. Cấu trúc hạt nhân.Nghiên cứu cấu tạo hạt nhân, các nhà khoa học đã đề ra các mẫu cấu trúc khác nhau:mẫu giọt, mẫu lớp, mẫu tập thể, mẫu khí Fecmi, mẫu quang học...Ở đây giới thiệu sơ vềhai mẫu:1, Mẫu cấu trúc giọt: theo mẫu này, hạt nhân nguyên tử được coi giống như nhữnggiọt chất lỏng hình cầu được tạo ra bởi các phân tử hình thành từ những nucleon.2, Mẫu cấu trúc lớp: coi cấu trúc trong hạt nhân cũng tương tự như cấu trúc lớp vỏelectron. Các nucleon trong hạt nhân cũng được phân bố trên các lớp ứng với mức nănglượng xác định được lượng tử hoá.

CHƯƠNG 3 HOÁ HỌC HẠT NHÂN

3.1 SỰ PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN, THÀNH PHẦN HẠT NHÂN

3.1.1 Sự phát hiện ra hạt nhân

Thí nghiệm của Ru-Zơ-Fo (1911)

Kết luận: nguyên tử có cấu tạo rỗng, đường kính của hạt nhân nhỏ hơn của nguyên

tử hàng chục vạn lần ( rnhân = 10-13cm, còn rngtử=10-8cm)

3.1.2 Thành phần hạt nhân:

Hạt nhân gồm các Nucleon Nucleon = p + n

(Proton) (Nơtron)

Ngoài 2 hạt nhân sơ cấp trên, trong hạt nhân còn tồn tại các hạt sơ cấp không bền,

có khối lượng trung bình giữa khối lượng của electron và proton, đó là các Mezon Chúng có điện tích 1, 0, có spin nguyên và bán nguyên

Mezon gồm 3 hạt cơ bản không ổn định, có khối lượng gần bằng 270me, có điện tích

+, 0, - Mezon tương tác mạnh mẽ với các Nucleon

1, Mẫu cấu trúc giọt: theo mẫu này, hạt nhân nguyên tử được coi giống như những

giọt chất lỏng hình cầu được tạo ra bởi các phân tử hình thành từ những nucleon

2, Mẫu cấu trúc lớp: coi cấu trúc trong hạt nhân cũng tương tự như cấu trúc lớp vỏ

electron Các nucleon trong hạt nhân cũng được phân bố trên các lớp ứng với mức năng lượng xác định được lượng tử hoá

3.2 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN

3.2.1 Kích thước hạt nhân

Kích thước hạt nhân có thể xác định theo phương pháp tán xạ Rutherford theo công thức:

R = R0A1/3 A= số khối,

R0= bán kính hạt nhân đơn vị có giá trị bằng ~1,4.10-13cm

Sự nghiên cứu về kích thước hạt nhân rút ra các kết luận sau:

1, Hạt nhân là một hệ có kích thước giới hạn rõ rệt trong không gian Kích thước lớp mặt nhỏ so với bán kính hạt nhân

2, Bán kính hạt nhân được tính theo công thức

3.2.2 Khối lượng hạt nhân

Giá trị chính xác của khối lượng hạt nhân có tầm quan trọng lớn trong việc tìm hiểu hạt nhân và các tính chất của chúng Có thể biết khối lượng ở mức độ chính xác khi áp dụng hệ thức Einstein (E=mc2) vào phản ứng hạt nhân

Theo nguyên tắc máy khối phổ, khối lượng hạt nhân được tính theo công thức:

m = M + Zme - E/C2

Ở đây M- khối lượng hạt nhân, m-khối lượng nguyên tử trung hoà, me khối lượng của electron, E-năng lượng liên kết toàn phần của các electron ngoài, C-tốc độ ánh sáng Khối lượng hạt nhân thường đo bằng đơn vị gọi là "đơn vị khối lượng nguyên tử" (ĐVKLNT)

1ĐVKLNT (kí hiệu là u)=1/12m12C = 1ĐVC = 1,66056.10-24g

Giá trị đo được và được ghi trong các tài liệu là khối lượng của nguyên tử trung hoà Bởi vậy sau này khi nói đến khối lượng của hạt nhân là ngụ ý nói đến khối lượng của nguyên tử trung hoà

Khối lượng của 1 hạt nhân xấp xỉ bằng một số nguyên được gọi là số khối và được

kí hiệu là A

Khối lượng của hạt nhân cần phù hợp với khối lượng các nucleon, trong đó số proton bằng Z và số nơtron bằng A-Z

3.2.3 Điện tích hạt nhân

Trong nguyên tử trung hoà, điện tích hạt nhân phải bằng về độ lớn nhưng trái dấu với điện tích toàn phần của các electron trong nguyên tử Điện tích hạt nhân có thể được xác định bằng các phương pháp khác nhau: sự tán xạ Rutherford, quang phổ và phổ tia X của Moseley, các phương pháp hoá học

Điện tích hạt nhân luôn luôn là một bội số nguyên đơn vị cơ bản

Z= điện tích hạt nhân = số proton trong hạt nhân = số hiệu nguyên tử Đối với một nguyên tố xác định, giá trị Z là một hằng số không thay đổi, song số khối có thể thay đổi (số nơtron khác nhau) Các nguyên tố như vậy được gọi là đồng vị, ví dụ:

II.2.4 Spin hạt nhân

Trong hạt nhân, mỗi nucleon có một mômen động lượng riêng Spin hạt nhân bằng tổng số vectơ các mômen động lượng của tất cả các nucleon có trong hạt nhân

Thực nghiệm cho biết rằng, hầu hết các hạt nhân có spin Ih/2; Ở đây I là số lưởng

tử spin hạt nhân, nó có thể có tất cả các giá trị nguyên và bán nguyên đến 9/2

Giá trị I phụ thuộc vào giá trị Z và A-Z

Bảng 3.1: Sự phụ thuộc của I và A-Z

Giá trị bất thường này còn liên quan đến sự tồn tại của lớp Mezon tích điện bao quanh các mezon (xem bảng hình 3.1)

Bảng 3.2 Một số tính chất của các hạt nhân điển hình

3.2.5 Momen điện của hạt nhân

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, tất cả các hạt nhân ở trạng thái cơ bản không có momen lưỡng cực điện Điều đó có nghĩa là trọng tâm của các Proton trong hạt nhân trùng với trọng tâm của hạt nhân

Thực nghiệm cũng đã phát hiện ra nhiều hạt nhân có Momen tứ cực điện Theo lý thuyết điện từ cổ điển, momen tứ cực điện đặc trưng cho sự phân bố điện tích sai lệch khỏi dạng đối xứng cầu

Hạt nhân hình cầu, điện tích phân bố đối xứng, không có momen tứ cực Hạt nhân bị kéo dài ra có momen tứ cực dương (Q>0), còn hạt nhân bị nén dẹt lại có momen tứ cực

Lực giữa các nucleon trong hạt nhân gồm 2 loại chính:

- Lực đẩy culông thuần tuý tĩnh điện giữa các proton Lực này có độ lớn tỉ lệ với tích của các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

- Lực hút giữa các nucleon Lực này rất lớn, song về mặt bản chất của lực thì cho đến nay vẫn chưa biết kỹ lưỡng, chính xác Lực được gọi là lực hạt nhân Nó có một số tính chất sau:

1, Lực gắn bó các nucleon lại với nhau có tính bảo hoà, có nghĩa là một nucleon chỉ tương tác với một số hữu hạn các nucleon khác

2, Chỉ có tác dụng hút khi các nucleon nằm gần nhau trong một khoảng cách rất nhỏ (~1.10-13cm) và giảm rất nhanh khi khoảng cách này tăng lên Độ lớn của các lực hút

là như nhau giữa hai nucleon bất kì (np= nn = pp)

3, Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích

4, Khi hai nucleon lại quá gần nhau (<1.10-13cm) thì lập tức lực hút biến thành lực đẩy

Trong hạt nhân các nucleon cách nhau những khoảng rất nhỏ, vì vậy lực hút giữa các nucleon lớn hơn lực đẩy tĩnh điện nhiều Lực hạt nhân quyết định tính bền của hạt nhân Thực nghiệm cho biết, các hạt nhân nhẹ chỉ bền vững khi số proton xấp xỉ bằng số nơtron; còn các hạt nhân nặng chỉ bền vững khi số nơtron không vượt quá nhiều số proton

3.3.2 Năng lượng liên kết của hạt nhân

Năng lượng liên kết toàn phần của hạt nhân là năng lượng tối thiểu cần thiết để tách hạt nhân thành các proton và nơtron riêng rẽ Với hạt nhân có số khối A, điện tích Z đã biết, năng lượng liên kết hạt nhân bằng

Ở đây m = [Zmp + (A-Z)mn - M(A,Z)], C=2,9979.108m/s

Về năng lượng E đơn vị của nó là eV, MeV, J, ec

10-3(2,9979.108)26,023.1023.1,602.10-

13

Điều này có nghĩa là ứng với sự tăng hoặc giảm khối lượng m = 1u sẽ có sự hấp thụ hoặc giải phóng ra một năng lượng bằng 931,41MeV

Tóm lại đối với hạt nhân A

ZM năng lượng liên kết toàn phần của hạt nhân sẽ là:

Như vậy sự tạo thành hạt nhân đơtri là quá trình kết hợp 1 nơtron tự do với 1 proton

tự do Trong quá trình này có một tia  ứng với năng lượng 2,1515MeV phát ra tương đương với sự giảm khối lượng là 0,00231u Hoặc sự tạo thành hạt nhân 4 He là qúa trình kết hợp giữa 2 nơtron và 2 proton tự do Qúa trình kết hợp này đã phát ra một năng lượng

là 26,9364MeV ứng với sự giảm khối lượng là 0,02892u Khối lượng thực của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân Hiện tượng này gọi là " sự hụt khối lượng" với giá trị m Khối lượng hao hụt này ứng với một năng lượng vô cùng lớn và được tính theo hệ thức Einstein (2)

Trong thực tế, năng lượng liên kết trong từng nucleon riêng biệt được gọi là năng lượng liên kết riêng là đại lượng quan trọng hơn năng lượng liên kết toàn phần

 = Elk = Elk/A

Thường năng lượng liên kết riêng  của hạt nhân nằm trong khoảng 7 8MeV trên mỗi nucleon Năng lượng liên kết riêng đạt đến cực đại trên một nucleon ở khoảng 8,7MeV trong vùng hạt nhân có số khối 55

Ngoài một số nguyên tố nhẹ giá trị trung bình của chúng không giảm xuống nhiều lắm ( ~7,8MeV) Như vậy các nguyên tố có số khối trong vùng 55 (Fe, Ni ) tạo ra bản chất của nhân trái đất và các nguyên tố với hạt nhân bền nhất này có thể chống chọi lại tốt nhất mọi điều kiện khắc nhiệt mà ở đó chúng tồn tại (hình 3.1)

Hình 3.1 Sự biến đổi E liên kết của hạt nhân theo A

Năng lượng liên kết của hạt nhân rất lớn, trong mọi biến đổi hoá học, nhiệt học, quang học của các chất, hạt nhân nguyên tử của các chất không hề thay đổi

3.4 ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

Trong tự nhiên chỉ tồn tại 21 nguyên tố thuần khiết gồm các nguyên tố của 1 khối lượng duy nhất (chỉ1giá trị A), trong đó phổ biến nhất là các nguyên tố F, Na, Al, P Các nguyên tố khác đều có 2 hoặc nhiều đồng vị

Hiện nay đã tìm thấy khoảng 300 đồng vị bền và trên 1400 đồng vị phóng xạ

3.4.1 Động học của quỏ trình phóng xạ

3.4.1.1 Tốc độ phóng xạ

Phản ứng phóng xạ ( A  sản phẩm) là phản ứng bậc nhất Tốc độ phóng xạ của một chất phóng xạ tại một thời điểm nào đó tỉ lệ với khối lượng m tại thời điểm đó

m kdt

4- 2-

50 100 150 200

250 A

Be 8

He 4

3.4.1.2 Chu kì bán rã (T1/2)

Chu kì bán rã là thời gian cần thiết để một nửa khối lượng ban đầu của chất phóng

xạ phân rã ( mt=mo/2) và được kí hiệu là T1/2

693 ,

11 2

Do đó được định nghĩa "một nguồn phóng xạ có cường độ 1 curi khi nào trong nguồn ấy mỗi giây xẩy ra 3,7.1010 phân rã"

Muốn tính cường độ phóng xạ của một gam chất phóng xạ nào đó ta áp dụng công thức:

phóng xạ liên quan tới sự phát ra các hạt  (hạt nhân heli), hạt  và bức xạ  Các hạt và

bức xạ được tạo ra có năng lượng rất khác nhau Năng lượng này quyết định khả

năng xuyên thâu của các hạt và được gọi là tầm bức xạ của hạt Tầm bức xạ của các hạt có thể biểu thị một cách đơn giản qua hình 3.2

Các chất phóng xạ khác nhau có đặc tính phóng xạ khác nhau Ở chất này có thể là phóng xạ , ở trường hợp khác lại có thể phóng xạ  Trong cả hai trường hợp đều có thể phóng xạ 

3.4.2.2 Sự phân rã phóng xạ 

Hạt nhân sẽ không bền khi tỉ số nơtron /proton không cân đối, hoặc là quá cao hoặc

là thấp quá Khi hạt nhân có quá nhiều nơtron sẽ xẩy ra phân rã dòng electron (phân rã ) Khi dư 1 nơtron qúa trình phân rã sẽ là:

01n → 11p + e-

Khi hạt nhân quá dư proton sẽ xẩy ra sự phân rã phóng xạ pozitron (+ hoặc e+) Khi

dư 1 proton qúa trình phân rã sẽ là:

11p → 01n + e+

Pozitron rất it khi xuất hiện trong tự nhiên, vì hai lý do:

- Dễ kết hợp với electron để biến thành tia chớp điện từ

- Có thể bị nơtron bắt để tạo thành proton

Trong thực tế qúa trình bắt pozitron không quan sát được, vì pozitron tự do rất ít xuất hiện, do tia chớp điện từ được tạo ra thường xuyên Ngược lại sự bắt electron lại xẩy

ra phổ biến, đây là qúa trình proton kết hợp với electron để biến thành nơtron

Quá trình này xẩy ra nhiều vì electron của nguyên tử thỉnh thoảng đi gần đến hoặc

đi qua hạt nhân Trong thực tế qúa trình bắt electron luôn luôn cạnh tranh với qúa trình phân rã pozitron

Trong quá trình phân rã của hạt nhân còn xuất hiện một loại hạt thứ tư, đó là nơtrino Hạt này có spin bằng 1/2(h/2), không mang điện, có khối lượng gần bằng không

Như vậy trong qúa trình phân rã phóng xạ  chủ yếu diễn ra 3 qúa trình và được biểu diễn như sau:

Điều kiện bền vững của sự phân rã  có thể tóm tắt ở bảng 3.3

Bảng 3.3 Điều kiện bền vững của sự phân rã 

Ở đây M(A,Z) chỉ khối lượng nguyên tử trung hoà

Tất cả các quá trình của sự phân rã phóng xạ  đều không làm A thay đổi (A= constan) Các nguyên tố có cùng một giá trị số khối (A) được gọi là đồng lượng

Các loại phân rã  có thể được biểu diễn bằng sơ đồ (hình 3.2) Trong sơ đồ này, các đường xiên về phía phải ứng với sự phân rã phóng xạ -, tức là làm tăng giá trị Z, còn các

đường xiên về phía trái tương ứng với sự phân rã phóng xạ +, tức là sự phân rã làm giảm giá trị Z của hạt nhân Sự phân rã  thường kèm theo phát xạ 

32

S 16

60

Co 27

Ni 28

+e- -

E max =0,57MeV + E max =0,66MeV



64

Cu 29

64

Zn 30 64

Ni 28

Tất cả các hạt nhân phân rã  có thể đồng nhất với một trong 4 dãy phóng xạ sau: Dãy 21692U: nguyên tố cuối cùng là động vị bền 20682Pb Các đồng vị trong họ này có số khối Au= 4n+2 (n = 5951)

Dãy 23592U : Nguyên tố cuối cùng là đồng vị bền 20782Pb Các đồng vị trong họ này có

 220

Rn 86

4 +

He 2

+ E

216

Po 84

4 +

He 2

+ E

212

Pb 82

4 +

He 2

+ E

216 - + At 85



212

-

Bi 83

234

M

90

Dãy 23290Th: Nguyên tố cuối cùng là đồng vị bền 20882Pb Các đồng vị trong họ này có

H O He

Những năm tiếp theo hàng loạt các phản ứng hạt nhân đã được thực hiện, chẳng hạn:

1 0 30 15 4

So với các đồng vị phóng xạ tự nhiên, các đồng vị phóng xạ nhân tạo có một số ưu điểm:

1, Số lượng đồng vị phóng xạ tự nhiên tương đối ít (Ra, Th, U ), còn đồng vị phóng xạ ngày càng nhiều Hiện nay đã điều chế trên một nghìn đồng vị phóng xạ nhân tạo

2, Các chất phóng xạ tự nhiên thường có chu kì bán rã (T1/2) khá dài (Ra=1590 năm, U: gần 5 tỉ năm ) nên khó sử dụng, khi dùng phải có biện pháp bảo vệ phức tạp; còn đồng vị phóng xạ nhân tạo thường có chu kì bán rã tương đối ngắn, có nhiều loại, tuỳ vào yêu cầu cụ thể mà lựa chọn

3, Chất phóng xạ nhân tạo có thể có đủ loại bức xạ, có thể tuỳ vào yêu cầu sử dụng

mà lựa chọn bức xạ thích hợp

4, Các đồng vị phóng xạ tự nhiên tương đối đắt tiền, còn đồng vị phóng xạ rẻ hơn nhiều

3.4.4 Tổng hợp nguyên tố và siêu Uran

Bằng các phản ứng hạt nhân, người ta đã tổng hợp được nhiều nguyên tố mà trước đây chỉ mới tiên đoán, chưa tìm thấy chẳng hạn như Tc, At, Fr

Năm 1937, nguyên tố nhân tạo đầu tiên Tecnixi, đã được tổng hợp băng phản ứng hạt nhân:

n Tc H

Theo thứ tự thời gian các siêu uran được tạo ra bằng các phản ứng hạt nhân sau:

Nguyên tố 112 này là nguyên tố nặng nhất được phát hiện được

Năm 1998 (3.11.1998) dùng chùm ion 48Ca bắn vào bia 224Pu tạo ra nguyên tố 114 tại Đupna

[?]

114 224

94

48

20Ca  Pu có T1/2 ~ 30s

48

3.5 NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Sự phân hạch của hạt nhân giải phóng ra một năng lượng vô cùng lớn Năng lượng này được gọi là "năng lượng hạt nhân" Nghiên cứu phản ứng của Nơtron nên Uran (1938) người ta phát hiện ra rằng khi bắn hạt nơtron lên hạt nhân 235U (chỉ chiếm 0,72% trong uran tự nhiên) thì hạt nhân này bị phá vỡ làm hai mảnh có khối lượng gần bằng nhau, đồng thời giải phóng ra 2 hoặc 3 nơtron Mỗi nơtron lại tiếp tục phá vỡ 1 hạt nhân khác, cứ như vậy chỉ trong khoảng khắc có hàng tỉ hạt nhân bi phá vỡ, phóng ra hàng tỉ nơtron, đồng thời giải phóng ra một năng lượng vô cũng lớn (xem hình 4)

Phản ứng phân hạch 235U có thể viết như sau:

Hình 3.4: Phản ứng dây chuyền phá vở hạt nhân nguyên tử

Đối với hạt nhân 235U độ hụt khối rất bé, chỉ bằng 3,82.10-25gram, nhưng nếu áp dụng công thức của Einstein E=mc2 để tính, ta thấy độ hụt khối lượng đối với 1Kg 235U tương ứng với 1 năng lượng vào 20 triệu KWh, tương đương với 2500 tấn than đá hay 20.000 tấn thuốc nổ Trinitrotoluem(TNT)