Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân

Những kiến thức sơ bộ về hạt nhân nguyên tử
1.Cấu tạo hạt nhân nguyên tử.Đơn vị khối lợng nguyên tử:
- Có hai loại hạt nuclon: Hạt prôton kí hiệu p mang điện dơng, hạt thứ hai là hạt nơtron không
mang điện ký hiệu là n
- Một ng.tử có số khối A thì khối lợng ng.tử xấp xỉ bằng A tính theo đơn vị u.
2.Sự phóng xạ:
- Khi đi qua môi trờng , nó làm Ion hoá môi trờng nên mất dần năng lợng, do đó khả năng truyền đi
xa yếu. Trong không khí chỉ bay đợc tối đa 8cm và bị thuỷ tinh hấp thụ mạnh.
b/Tia bêta:
+/ Tia


: Là các hạt e
-
nên bị lệch về bản âm của tụ khi bay trong điện trờng, lệch nhiều hơn so với
tia anpha.
- Đồng vị
14
6
C
là đồng vị phóng xạ phát ra tia anpha.
+/ Tia
+

: là các hạt e
+
hay còn gọi là hạt pozitron có cùng khối lợng với hạt e
-
nhng mang điện tích

m.
3.Đồng vị:
- Các hạt nhân mà có cùng số prôton nhng khác nhau số nơtron ( dẫn đến số khối khác nhau) gọi là
đồng vị ( có cùng vị trí trong bảng HTTH).
Ví dụ : (SGK)
4.Đơn vị khối l ợng nguyên tử:
- Loại đơn vị dùng để làm đơn vị kh.lợng ng.tử gọi là khối lợng ng.tử.ký hiệu: u
- Một đơn vị khối lợng ng.tử bằng
1
12
kh.lợng của đồng vị phổ biến C12.
- Đồng vị
12
6
C
có 12 nuclon trong hạt nhân nên khối lợng của các hạt nuclon xấp xỉ bằng u
p
m
= 1,007276u
m
n
= 1,008665u
m
e
= 0,000549u.
-Khối lợng nguyên tử chủ yếu tập trung ở hạt nhân.
*/ Số Avôgađrô: N
A
là số ng.tử có trong 12g C12.
N

7
m/s.
34
Giáo án ôn thi tốt nghiệp Vật lý 12 - Vật lý hạt nhân

- Đồng vị
11
6
C
: đồng vị phóng xạ phát tia
+

- Vận tốc các hạt bêta phóng ra rất lớn gần bằng vận tốc ánh sáng
- Tia bêta làm Iôn hoá môi trờng yếu hơn tia anpha nên có tầm bay xa hơn ( hàng trăm mét trong
không khí).
c/ Tia Gamma: Kí hiệu:

- Bản chất là loại sóng điện từ có bớc sóng rất ngắn (
0,01nm <
).
- Bản thân là hạt phôtôn có năng lợng cao, không bị lệch trong điện trờng và có khả năng đâm xuyên
mạnh là loại tia phóng xạ nguy hiểm.
- Các tia phóng xạ đều có năng lợng nên sự phóng xạ toả ra năng lợng.
- Hiện tợng phóng xạ do những nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra , hoàn toàn không phụ thuộc
vào các tác động bên ngoài.
- Theo tính chất của hàm số mũ ta có: N = N
o
e
-
t


+/Độ phóng xạ H:
- Là đại lợng đặc trng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lợng chất phóng xạ .
- Đo bằng số phân rã trong một giây
- Đơn vị: 1Bq = 1phân rã /giây 1Ci = 3,7.10
10
Bq
;
độ phóng xạ của 1g Rd.
H
(t)
= -
o
dN(t)
t
N e
dt

=
; H = H
o
e
t
; H
o
=
N
o

3. Phản ứng hạt nhân:

A'
Z'
Y. Ta có phơng trình:
A
Z
X



4
2
He
+
A'
Z'
Y
Theo định luật bảo toàn số khối và đ.l.b.t đ.tích:

2. Định luật phóng xạ:
*/Nội dung:
Mỗi chất phóng xạ đợc dặc trng bởi một thời gian T gọi là chu kỳ bán rã.Cứ sau mỗi
chu kỳ thì một phần hai số nguyên tử chất ấy biến đổi thành chất khác.
- Gọi N
o
: Số ng.tử ban đầu thì cứ sau 1T; 2T; 3TkT thì số nguyên tử của chất phóng xạ đang xét sẽ
là: N
o
1T
N
o

Z
X



0
1
e

+
A'
Z'
Y
Theo định luật bảo toàn số khối và đ.l.b.t đ.tích:
A = A
Z = Z + 2
Nhận xét: - So với hạt nhân mẹ thì hạt nhân con tiến hai ô và có cùng số khối
c/ Phóng xạ
+

:
A
Z
X



0
1
e

:
30 30 0
14 1
15
P Si e
+
+
- Số đồng vị trong tự nhiên chỉ có khoảng 325 đồng vị. Bằng cách tạo ra các phản ứng nhân tạo, con
ngời đã thu đợc hơn 1500 đồng vị, kéo dài bảng hệ thống tuần hoàn hoá học, tạo ra các nguyên tố có
Z > 92: tất cả các ng.tố này đều là ng.tố phóng xạ, trong đó quan trọng nhất là nguyên tố plutoli có Z
= 92 đợc dùng làm nhiên liệu hạt nhân.
ứng dụng của các đồng vị phóng xạ:
a/ ứng dụng của đồng vị Co 60:
- Đồng vị Co60 phát ra tia

có khả năng đâm xuyên xâu nên dùng để tìm khuyết tật trong các
chi tiết máy, bảo quản thực phẩm, chữa bệnh ung th
b/ Ph ơng pháp nguyên tử đánh dấu:
Để theo dõi sự hấp thụ lân của cây xanh, ngời ta chộn một ít lân 32P vào phân lân thờng. Lân
P32 có tính phóng xạ


nên dễ dàng theo dõi sự di chuyển của chất lân trong các quá trình sinh
trởng của cây.
c/ Ph ơng pháp dùng đồng vị C14:
- Dùng trong lĩnh vực khảo cổ học.
Cacbon có 4 đồng vị:
+ C13:Đồng vị bền ; C14: Có tính phóng xạ



6. Độ hụt khối. Năng lợng hạt nhân:
1.Độ hụt khối.Năng l ợng liên kết:
- Gọi: m
o
là khối lợng các hạt nuclon trớc khi tham gia liên kết.
m: khối lợng ccác hạt nuclon trong hạt nhân
(m < m
o
), theo thuyết tơng đối, năng lợng nghỉ của các hạt tơng ứng là:E
o
= m
o
c
2
; E = mc
2

- Theo định luật bảo toàn năng lợng thì E = E
o
nhng do m < m
o
nên E < E
o
. Vậy phải có một năng l-
ợng toả ra là

E:

E = E
o


E càng lớn thì các nuclon liên kết càng mạnh, càng phải tốn nhiều năng lợng để phá vỡ liên kết.
+/ Năng lợng liên kết tính cho một nuclon gọi là năng lợng liên kết riêng. Kí hiệu:
E
A

- Hạt nhân có năng lợng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
2. Phản ứng hạt nhân toả năng l ợng và thu năng l ợng:
- Xét phản ứng: A + B

C +D
- Giả thiết các hạt A và B đứng yên. Tổng số hạt nuclon không đổi trong phản ứng nhng vì A, B, C, D
có các độ hụt khối khác nhau nên tổng khối lợng M
o
của các hạt A+B có thể khác tổng khối lợng M
của các hạt C +D.
+/ Giả sử M < M
o
: E = Mc
2
< E
o
= M
o
c
2
nhng năng lợng toàn phần đợc bảo toàn. Vậy phản ứng hạt
nhân phải toả năng lợng:



7. Sự phân hạch:
Phản ứng dây truyền :
- */ Sự phân hạch (SGK)
-Nơtron: Gồm hai loại:
+ Nơtron nhanh

1.Hệ thức Anhxtanh gi a năng l ợng và khối l ợng:
- Nếu một vật có khối lợng m thì nó có một năng lợng E tỉ lệ với m gọi là năng lợng nghỉ:
E = mc
2
.
- Theo hệ thức trên thì 1g chất bất kỳ cũng chứa một năng lợng rất lớn, bằng 25 triệu kw.h.
- Năng lợng nghỉ có thể biến thành các dạng năng lợng thông thờng khác và ngợc lại.
- Khi năng lợng nghỉ tăng hoặc giảm thì khối lợng cũng tăng hoặc giảm theo. Sự biến đổi này chỉ
xảy ra trong các phản ứng hạt nhân, không xảy ra trong các phản ứng hoá học thông thờng.
- Đối với hệ cô lập, không có sự bảo toàn khối lợng mà chỉ có sự bảo toàn năng lợng toàn phần.
- Theo hệ thức: E = mc
2
thì khối lợng của các hạt còn đợc tính bởi đơn vị là
2
ev
c
hoặc
2
MeV
c
.
- Kết quả nhiều công trình cho thấy:
1MeV =
13

92 Z' 1
U X+ X'+k n
X và X' là các hạt nhân trung bình có số khối từ 80 đến 160.
- Phản ứng này sinh ra k = 3 hoặc k= 3 nơtron và tỏa ra một lợng năng lợng khoảng 200 Mev dới
dạng động năng của các hạt.
- Mỗi phân hạch tỏa ra một năng lợng khoảng 200Mev = 3,2.10
11
J
1g U235 chứa 2,5.10
21
hạt nhân nên tỏa ra một năng lợng rất lớn bằng 8.10
10
J = 22.10
3
triệu kw.h gọi
là năng lợng hạt nhân.
*/ Phản ứng dây truyền:
- Một phần số nơtron sinh ra bị mất đi do nhiều nguyên nhân khác nhau( do thoát ra ngoài khối
Urani, hoặc bị hấp thụ bởi các hạt nhân khác).
- Nếu sau mỗi phân hạch còn lại trung bình s nơtron (s > 1) thì s nơtron này đập vào các hạt nhân
khác lại gây ra s phân hạch, đồng thời sinh ra s
2
nơtron ,rồi s
3
, s
4
, s
5
,nơtron.Cứ nh vậy số phân hạch
tăng rất nhanh trong một khoảng thời gian rất ngắn, ta có đợc một phản ứng dây truyền.

1 1 2 0
H+ H He+ n+17,6Mev
- Một phản ứng kết hợp tỏa năng lợng ít hơn một phản ứng phân hạch. Nhng tính theo cùng một khối
lợng nhiên liệu thì phản ứng kết hợp tỏa năng lợng nhiều hơn.
- Phản ứng kết hợp thờng khó xảy ra mà muốn xảy ra thì ngời ta phải nâng nhiệt độ nên rất cao-
khoảng 50 đến 100 triệu độ, các hạt nhân mới có động năng đủ lớn để thắng lực đẩy Coulomb và
tiến lại gần nhau tới mức mà lực hạt nhân tác dụng và kết hợp chúng lại với nhau. Vì vậy cho nên
phản ứng kết hợp nói trên gọi là phản ứng nhiệt hạch.
*/Chu trình các bon - nitơ:
- Gồm một chuỗi 6 phản ứng tiếp nhau với sự tham gia của C và N nh là các chất xúc tác và trung
gian. Nhng xét tổng thể thì cả chu trình rút về sự tạo thành hạt nhân Hêli từ các hạt nhân Hiđrô.

+1 4 1
1 2 0
4 H He+2 e +26,8Mev
- Cả chu trình kéo dài hàng trục triệu năm nhng từng phản ứng xảy ra liên tục,chu trình cung cấp
một phần năng lợng cho Mặt Trời bên cạnh các chu trình khác.
- Con ngời đã tạo ra đợc phản ứng nhiệt hạch dới dạng khôngkiểm soát đợc, đó lạ nổ của bom khinh
khí (SGK).
- Lý do con ngời quan tâm đến phản ứng này là vì nguồn nhiên liệu cho phản ứng sẵn có trong tự
nhiên và vô tận, về mặt sinh thái thì phản ứng nhiệt hạch cũng '' sạch'' hơn phản ứng phân hạch vì có
ít cặn bã phóng xạ làm ô nhiễm môi trờng hơn.
- Sử dụng năng lợng nhiệt hạch nói riêng và năng lợng hạt nhân nói chung vào mục đích hòa bình.38