Phần Hạt nhân nguyên tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 1 -
Chương HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

I. TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN
1. Cấu tạo hạt nhân
- Hạt nhân tích điện dương bằng +Ze (Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn), kích thước hạt nhân rất nhỏ, nhỏ hơn
kích thước nguyên tử khoảng 10
4
– 10
5
lần
- Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là prôtôn và nơtrôn; hai loại hạt này gọi chung là nuclôn.
o Prôtôn, kí hiệu p, mang một điện tích nguyên tố dương +e, khối lượng 1,67262.10
-27
kg.
o Nơtrôn, kí hiệu n, không mang điện, khối lượng 1,67493.10
-27
kg.
o Hạt nhân nguyên tử chứa Z prôtôn và N nơtrôn. Tổng số nuclôn trong hạt nhân A = Z + N, A gọi là số khối.
- Ký hiệu hạt nhân: Người ta dùng ký hiệu hóa học X của nguyên tố để đặt tên cho hạt nhân:
X
A
Z
hoặc
A
X hoặc XA.
Ví dụ: Hạt nhân Na có thể ký hiệu bằng các cách sau:
,hay ,
2323
11

 Hyđrô nặng hay đơtêri
DH
2
1
2
1
hay
chiếm 0,015% hyđrô thiên nhiên.
 Hyđrô siêu nặng hay triti
TH
3
1
3
1
hay
hạt nhân này không bền, thời gian sống của nó khoảng 10 năm.
o Cacbon có nhiều đồng vị, trong đó chỉ có hai đồng vị bền là
C
12
6
và
C
13
6
. Trong một khối cacbon tự nhiên bền vững,
C
12
6

chiếm khoảng 98,89% và

012,0
.
12
1
1



- Khối lượng và năng lượng
o Theo hệ thức Anh-xtanh về mối quan hệ giữa năng lượng E và khối lượng m của cùng một vật có dạng: E = mc
2

o Năng lượng tính ra đơn vị eV tương ứng với khối lượng 1u là: E = uc
2
 931,5 MeV => 1u  931,5 MeV/c
2

(MeV/c
2
cũng được coi là đơn vị đo khối lượng hạt nhân)
o Chú ý: Lý thuyết Anh-xtanh, một vật có khối lượng nghỉ m
0
(khối lượng của vật ở trạng thái nghỉ), khi chuyển động với
tốc độ v, khối lượng sẽ tăng lên thành m (khối lượng động) với
2
2
0
1
c
v

chính là động năng của vật.

II. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT CỦA HẠT NHÂN. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1. Lực hạt nhân
- Các nuclôn trong hạt nhân hút nhau bằng các lực rất mạnh tạo nên hạt nhân bền vững. Các lực hút đó gọi là lực hạt nhân.
- Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện vì lực hạt nhân luôn là lực hút giữa hai prôtôn, giữa hai nơtron và giữa một nơtron với
một prôtôn. Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích.
- Lực hạt nhân không cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn; nó là một loại lực truyền tương tác giữa các nuclôn trong
hạt nhân. Lực này cũng được gọi là lực tương tác mạnh, nhưng chỉ tác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclôn bằng hoặc nhỏ hơn
kích thước của hạt nhân.
2. Năng lượng liên kết của hạt nhân
- Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó.
- Độ chênh lệch giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu m: m = Zm
p
+ (A - Z)m
n
- m
x

Trong đó:
m là độ hụt khối Zm
p
là khối lượng của Z prôtôn
(A – Z)m
n
là khối lượng của (A - Z) nơtron m
x
là khối lượng của hạt nhân X
Phần Hạt nhân nguyên tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 2 -

- Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
o Bảo toàn điện tích: Tổng điện tích của các hạt tham gia phản ứng bằng tổng điện tích của các hạt tạo thành sau phản ứng.
(
A B C D
Z Z Z Z  
)

o Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số A): Prôtôn có thể biến thành nơtrôn và ngược lại nhưng số nuclôn là không đổi.
(
A B C D
A A A A  
)

o Bảo toàn năng lượng toàn phần: Tổng năng lượng của một hệ kín được bảo toàn.
( ) ( ) ( ) ( )
A ñA B ñB C ñC D ñD
E E E E E E E E      

o Bảo toàn động lượng: Động lượng của một hệ kín được bảo toàn.
A B C D
p p p p  
   

- Năng lượng phản ứng hạt nhân:
Gọi

tổng khối lượng các hạt nhân trước phản ứng là m
trước
,


Hạt nhân mẹ X phân rã tạo thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ  theo phản ứng sau:

HeYX
A
Z
A
Z
4
2
4
2



hay có thể viết
HeX
A
Z
A
Z
4
2





* Bản chất là chùm hạt nhân hêli
He
4


+ Phóng xạ 
+
là quá trình phát ra tia 
+
. Tia 
-
là các dòng pôzitron (
e
0
1
). Pôzitron (
e
0
1
) có điện tích +e và có khối lượng
bằng khối lượng electron, nó là phản hạt của electron.
Dạng tổng quát của quá trình phóng xạ:
YX
A
Z
A
Z 1




+ Tính chất: Các hạt  phóng ra với vận tốc v  c = 3.10
8
m/s, cũng làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn tia  nên tia  có

nguyên tử của chất ấy biến đổi thành chất khác.

693,02ln
T

3. Đồng vị phóng xạ nhân tạo
- Ngoài các đồng vị p.xạ có sẵn trong tự nhiên, người ta chế tạo được nhiều đồng vị p.xạ gọi là đồng vị p.xạ nhân tạo.
- Phóng xạ nhân tạo và phương pháp nguyên tử đánh dấu
+ Bằng phương pháp tạo ra phóng xạ nhân tạo, người ta tạo ra các hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố X bình thường, không
phải là tạo ra chất phóng xạ theo sơ đồ tổng quát sau:
XnX
A
Z
A
Z
11
0



+
X
A
Z
1
là các đồng vị phóng xạ của X. Khi trộn lẫn các hạt nhân bình thường không phóng xạ, các hạt nhân phóng xạ
X
A
Z
1

C
12
6
và
C
14
6
(tỉ lệ không đổi:
C
14
6
chiếm 10
-6
%)
+ Các loài thực vật hấp thụ CO
2
trong không khí, trong đó cacbon thường và cacbon phóng xạ với tỉ lệ 10
-6
%. Khi loài thực
vật ấy chết, không còn sự hấp thụ CO
2
trong không khí và
C
14
6
không còn tái sinh trong thực vật nữa. Vì
C
14
6
phóng xạ nên

*
 Y + Z + kn (k = 1, 2, 3)
+ Hạt nhân X
*
vỡ thành hai mảnh kèm theo một vài nơtron phát ra.
+ Quá trình phân hạch của X không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích X
*
.
2. Năng lượng phân hạch
- Xét các phản ứng phân hạch
U
235
92
sau đây:
nIYUUn
1
0
138
53
95
39
*236
92
235
92
1
0
3

nSrXeUUn

phân hạch mới.
+ Khi k < 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh.
+ Khi k = 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra không đổi theo thời gian.
+ Khi k > 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ.
+ Muốn cho k  1, khối lượng của chất phân hạch phải đủ lớn để số nơtron bị “bắt” nhỏ hơn nhiều so nhiều so với số nơtron
được giải phóng.
+ Khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì được trong đó gọi là khối lượng tới hạn.
3. Phản ứng phân hạch có điều khiển
- Phản ứng phân hạch này được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng với trường hợp k = 1.
- Để đảm bảo cho k = 1, người ta dùng những thanh điều khiển có chứa bo hoặc cađimi.
- Vì bo hoặc cađimi có tác dụng hấp thụ nơtron nên khi số nơtron tăng quá nhiều người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào
trong lò để hấp thụ nơtron thừa. Nhiên liệu phân hạch trong các lò phản ứng thường là
235
U hay
239
Pu.
- Năng lượng tỏa ra trong lò phản ứng không đổi theo thời gian.
V. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH.
1. Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch
- Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
- Điều kiện thực hiện
Phần Hạt nhân nguyên tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 4 -
+ Nhiệt độ cao (50  100 triệu độ) để chuyển hỗn hợp nhiên liệu sang trạng thái plasma.
+ Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.
+ Thời gian duy trì trạng thái plasma () ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải đủ lớn.
Vậy,
3
1614
)1010(

+ Đưa nhiệt độ lên cao.
+ Dùng các máy gia tốc.
+ Dùng chùm laze cực mạnh.
Phần Hạt nhân ngun tử Biên soạn Nguyễn Thanh Hà - 0972 64 17 64
- 5 -
HẠT NHÂN NGUN TỬ
I. HẠT NHÂN NGUN TỬ
1. Cấu tạo hạt nhân:









 













2. Đơn vị khối lượng ngun tử (
u
):



 



27
1,007276
1 1,66055.10
1,008665
p
n
m u
u kg
m u

3. Các cơng thức liên hệ:
a. Số mol:
23
A
; A: khối lượng mol(g/mol) hay số khối (u)
: khối lượng

N: số hạt nhân nguyên tử
;
N 6,023.10 nguyên tử/mol






4. Bán kính hạt nhân:
1
15
3
1,2.10 ( )R A m



II. NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN
1. Độ hụt khối:
0
0
( ) : khối lượng các nuclôn riêng lẻ
p n
m Zm A Z m
m m m
  



  



2. Hệ thức Einstein:




 





 


0
0
0
0

ln2
2
; với : hằng số phân rã
( )

2
t
t
T
t
t
T
N



  


3. Thể tích của dung dịch chứa chất phóng xạ:
0
0
2
t
T
H
V V
H


Trong đó:
la the å tích dung dòch chứa V ø H

Chu kì bán rã của một số chất

Chất phóng xạ
12
6
Cacbon C

16
8
Oxi O


1620 nămT 

4 sT 

8 ngàyT 

3. Chất phóng xạ bị phân rã:
a. Số hạt nhân ngun tử bị phân rã:
0 0
(1 )
t
N N N N e


    

b. Khối lượng hạt nhân ngun tử bị phân rã:
0 0
(1 )
t
m m m m e


    

Chú ý: Số hạt nhân ngun tử tạo thành bằng số hạt nhân ngun tử phóng xạ bị phân rã