Bài giảng môn Vật lý đại cương 2 - Chương 8, Phần a: Hạt nhân nguyên tử

V* Chương 8: Hạt nhân nguyên tử
Tính chất cơ bản của hạt nhân
Hiện tượng phóng xạ
Phản ứng hạt nhân
Năng lượng hạt nhân
Câu trúc
Kích thước
Momen spin và momen động
Momen từ hạt nhân
Lực hạt nhân
■ ■
Năng lượng liên kết
Cấu trúc hat nhân
• Ví du:
X: ký hiệu hóa học	h
Z: số proton (bậc số nguyên tử) A = z + N: số khối
Hạt nhân cấu tạo từ các nucleon (proton, neutron).
Ký hiệu:
ỉa.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân (2)
Hạt
Khối lượng
u
MeV/c2
Proton
1,6726 X 10*27
1,007825
938,79
Neutron
1,6750 X 10-27
1,008665
939,57
Electron
9,101 X 10-31
5,486 X 10-4
0,511
Khối lượng nucleon:
11/= 1,660559 X 10’27 kg = 931,5 MeV/c2 Nguyên tử C12 có khối lượng bằng 12u
\;>*8a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân (4)
Vd. 13
Năm 1911, Rutherford dùng các hạt a bắn phá hạt nhân, qua đó ước lượng bán kính hạt nhân:
R ~ R0A1/3
/? «l,2xlO"l5m = l,2/h7
thê tích hạt nhân tỷ lệ với số khối A.
mọi hạt nhân đều có khối lượng riêng gần bằng nhau.
Momen spin và momen động
Giống như electron, các nucleon cũng có spin bằng V2.
Momen động của một nucleon bằng tổng momen động quỹ đạo và momen động spin.
Momen động của hạt nhân bằng tổng momen động của các nucleon. Nó có độ lớn:
7 = 1, 2, 3,... nếu A chẵn,
7 = 1/2, 3/2, 5/2,... nếu A lẻ.
Momen từ hạt nhân
Momen từ hạt nhân bằng tổng các momen từ của các nucleon.
Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance - NMR):
Trong một từ trường các momen từ hạt nhân hướng cùng chiều hay ngược chiều với B.
Kích thích bằng một từ trường xoay chiều có tần số radio.
Khi cộng hưởng, các photon bị hấp thụ mạnh để đảo chiêu momen từ.
a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân (7)
Lực hạt nhân - 1
Các nucleon hút nhau bằng I lực hạt nhân đẽ giữ cho hạt I nhân bền vững.	I
Lực hạt nhân có các tính chất I
■ •
phạm vi tác dụng ngắn ~ I
10"15 m,	I
phụ thuộc định hướng spin, I
không phải lực xuyên tâm,
là lực trao đồi: các nucleon tương tác bằng cách trao đổi các Tĩ-meson (Yukawa).
a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân (8)
• Các nucleon "liên kết" bằng cách trao đổi một trong ba hạt 7T-meson:
7T+ có điện tích +e,
7T CÓ điện tích -e,
7T° trung hòa.	Ị
p^n + ĩĩ+ n^p+7ĩ~	n
n<r+n+7ĩ° p<r+p+ĩĩ°	p
a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân (9)
Năng lượng liên kết
Khối lượng một hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo nên nó.
Độ chênh lệch khối lượng đó được gọi là độ hụt khôi của hạt nhân.
Năng lượng cần để tạo nên hạt nhân là nâng lượng liên kết của hạt nhân.
Wlk = \Mc2
Chính độ hụt khối tạo nên năng lượng liên kết của hạt nhân:
■
• Năng lượng liên kết riềng là năng lượng liên kết tính trên một nucleon.
• Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền.
Vd. 14-19
’He
200
MeV
8
2°Ne
12C/ á Mg
4He/"B
Fe Zn
Mo ÍT”*”-.
Tc Sm
a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân (12)
Chương 8a:
Nguyên tử kiềm
8a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân
<	'	 8a.2 Hiện tượng phóng xạ 8a.3 Phản ứng hạt nhân 8a.4 Năng lượng hạt nhân
Hiện tượng
Cơ chế phóng xạ
Định luật phóng xạ
Các họ phóng xạ
Phóng xạ nhân tạo
Hiện tượng
Hiện tượng phóng xạ là sự phân rã tự nhiên của các hạt nhân không bền, phát ra:
Tia alpha: hạt nhân *He
Tia beta: electron hay positron (phản hạt của electron).
Chỉ có thể xuyên qua một tờ giấy Có thể xuyên qua một lá nhôm dày vài mm
Có thể xuyên qua một bản chì dày vài cm
Tia gamma: photon năng lượng cao.
Phóng xạ tuân theo các định luật bảo toàn: năng lượng, động lượng, momen động lượng, điện tích và số khối.
- Phóng xạ a
z giảm 2
72U^2340Th + >
A không dối
- Phóng xạ (3
234.
90
2ỈJPa *
?e
Ví du:	A giảm 4
Cơ chê phóng xạ
Phóng xa ư: do các hạt a chui ngầm ra khỏi rào thê' hạt nhân.
Phóng xa Ị£ hay /?~: do sự biến đổi qua lại giữa proton và neutron.
neutrino: rất nhẹ, trung hòa, spin Vz
phản neutrino
Pauli đã tiên đoán sự tồn tại của neutrino từ năm 1931 nhờ định luật bảo toàn năng lượng. Đến năm 1957 thì các nhà khoa học quan sát được hạt này.
Phóng xạ ỵ: do hạt nhân chuyển từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái có năng lượng thấp hơn.
Vd. 22,23
Ví dụ 1
Một hạt nhân Ra226 đang đứng yên thì phân rã a. Phát biểu nào sau đây là đúng?
Hạt a có động năng lớn hơn hạt nhân con.
Hạt nhân con có động năng lớn hơn hạt a.
Hạt nhân con có động năng bằng hạt a.
Theo định luật bảo toàn động lượng, hạt nhân con và hạt a có động lượng bằng nhau và ngược chiều.
Động năng = (động Iượng)2/(khối lượng]
Hạt a nhẹ hơn nên có động năng lớn hơn.
Câu trả lời đúng là (a).
Ví dụ 2
Coi khối lượng của một hạt nhân có số khối A là A (w).	’
Hạt nhân Ra226 đứng yên phóng xạ ra hạt a với động năng 4,78 (MeV). Năng lượng toàn phần tỏa ra từ phản ứng là:
[a] 0,487 (MeV)
(c) 48,7 (MeV)
(b) 4,87 (MeV)
478 (MeV)
Năng lượng toàn phần tỏa ra gồm động năng của hạt a và của hạt nhân con:
= p2
h p2
= £
2ma
2mx
m
m
I
m
4,78 MeV
Câu trả lời đúng là (b).
= 4,87(MeK)
Định
Gọi là tổng số hạt nhân ở thời điểm t.
Độ biến thiên số hạt nhân trong khoảng thời gian (t, t + dí} là CỈN, dN<0 vì N giảm dần.
Số hạt nhân phân rã trong khoảng thời gian (t, t + dt) bằng - dN.
Số hạt nhân phân rã trong thời gian (t, t + đt) thì tỷ lệ với tổng số hạt nhân lúc t và với dt:
dN = -ẰN(t)dt
A là hằng số phân rã của chất phóng xạ.
phân hệ thức trên từ lúc đầu, khi tổng số hạt nhân là No, cho đến lúc t, ta có:
0
a s
OOOOOOOO K> T ư>
000 in ’J w> r Cũ O'
1200
• với T = 1/Ẳ là thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ.
Chu kỳ bán rã T1/2 là thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi một nửa.
In2 0,693
Minh hoa
dN
dt
Độ phóng xạ H là số hạt nhân phân rã trong một đơn vị thời gian:
Đơn vị của H là Bq (Becquerel), hay Ci (Curie).
Vd. 28-34
Ví dụ
Sau hai chu kỳ bán rã của một chất phóng xạ có mấy phần của chất đó đã phân rã ?
(a) y2 (b) 1/4
(c) %	(d) Không đủ dữ liệu để trả lời.
Sau một chu kỳ bán rã thì V2 lượng chất đồng vị đã phân rã.
Sau một chu kỳ bán rã nữa thì của một nửa còn lại tiếp tục phân rã.
Vậy phần vật chất đă phân rã là:
Câu trả lời đúng là (c).
Cho chu kỳ bán rã của 6C14 là 5600 năm. Xét một tượng cổ bằng gồ, người ta thấy độ phóng xạ /?’ của nó chỉ bằng 0,77 lần độ phóng xạ của một khúc gỗ có cùng khối lượng vừa mới chặt. Tuổi của tượng gỗ là:
(a) 2101 năm	(b) 3101 năm
(c) 4101 năm	(d) 5101 năm
“C->“N + _;e+P;
xạ của mẫu
ta đo độ phóng xạ, là:
H (t) = ẰN (t) = ẰN oe~At
H(t) = Hoe~*
với Ho là độ phóng xạ của mẫu lúc t = 0, là gốc tính thời gian.
Suy ra:
hay nếu viết qua chu kỳ bán rã: Tl/2 = In2/Ả
. ft t) t=_ỊiạinJAìZ
ln2 H{ì
Thay bằng số ta có: t = -5600/?1110,77 =2112??
ln2
Câu trả lời gần đúng nhất là (a): 2101 năm.
Trong đó ta đã giả định là lúc t = 0 tượng gỗ có độ phóng xạ bằng độ phóng xạ của một khúc gỗ vừa mới chặt. Điều này có hợp lý không?
Các nghiên cứu cho thấy lượng đồng vị 6C14
trong động vật, thực vật sống là gần như không đổi. •	•	•	•
Chỉ khi chúng chết đi, lượng này mới giảm đi theo quy luật phóng xạ.
Do đó độ phóng xạ của một khúc cây mới cắt từ thời cổ đại và ngày nay là gần bằng nhau!
Các họ phóng xạ
• Một họ phóng xạ là một chuỗi các hạt nhân phóng xạ liên tiếp nhau cho đến khi đạt tới một đồng vị bền.
Họ phóng
xạ
Bắt đầu
Kết thúc
Thorium
232Th
90 111
™Pb
Uranium
238 Ị Ị
92 u
2£pb
Actinium
235 Ar
89
2£Pb
228Ra
140
224Ra
Wb Ị
8a.2 Hiện tượng phóng xạ (18)
Sau vài lần phân rã, một hạt nhân phóng xạ phát ra một hạt a và hai hạt p- để tạo nên hạt nhân 84 Po22, '	...
Hạt nhân ban đâu là hạt nhân nào sau đây?
(a) 86Rn2™	(b) MPo216
(c) 82Pb2*2	(d) 84Po2>8
2ỵp0
84 r
• Quá trình phân rã:
Vậy A = 216, z = 84.
Hạt nhân ban đầu là 84Po216. Câu trả lời đúng là (b).
Phóng xạ nhân tạo
Năm 1933, F. Joliot và Irene Curie khám phá các đông vị phóng xạ không có trong tự nhiên,
và theo dõi sự phân rã của chúng cho đến khi đạt tới các đồng vị bền.
Họ nhận giải Nobel Hóa Học năm 1935.
8a.2 Hiện tượng phóng xạ (21)
Frederic & Irene J
Chương 8a: Nguyên tử kiềm
8a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân
<	'	 8a.2 Hiện tượng phóng xạ 8a.3 Phản ứng hạt nhân
	)
8a.4 Năng lượng hạt nhân
8a
Hiện tượng
Các loại phản ứng
8a
Các quá trình biến đổi của hạt nhân được gọi là phản ứng hạt nhân.
Thường xảy ra do bắn phá một hạt nhân đứng yên bằng các hạt năng lượng cao.
Ví dụ:
Hạt a năng
Hạt nhân bia
•
lượng cao
‘1
ie + 7I
J^ỉn+105B
7Li(a,n) ltr’B
• Trong một phản ứng hạt nhân các đại lượng sau đây phải bảo toàn:
Số khối,
Điện tích,
Năng lượng,
Động lượng,
Momen động lượng.
8a
Quá trình nào sau đây có thể là phản ứng hạt nhân?
/ \ 1	235 T T	140-y	94 Q I n í
(aLon + 92U -» 54X0 + 3gSr + 2
(bJLon + 92U “* soSn + 42M0 + 3 (^n)
/ \ 1	, 239n_,	127t , 93xti , n/1 \
(cLon + 94pu -* 53I + 41Nd + 3(on)
8a
(a) và (b) có thê’ là phản ứng hạt nhân vì số khối và điện tích bảo toàn.
(c) không thể là phản ứng hạt nhân vì số khối bằng 240 trước phản ứng, và 223 sau phản ứng.
8a
Phản ứng tỏa nhiệt: khối lượng sau phản ứng giảm.
Phản ứng thu nhiệt: khối lượng sau phản ứng tăng.
Năng lượng trao đổi Q bằng năng lượng ứng với sự thay đổi khối lượng:
tổng khối lượng nghỉ các hạt.
Q > 0: tỏa nhiệt Q < 0: thu nhiệt
Trong phản
8a.
3 Phản ứng hạt nhân (7)
thu nhiệt, cần phải cung cấp
ứng
năng lượng dưới dạng động năng của hạt đến bắn phá hạt nhân.
• Năng lượng tối thiểu cần phải cung cấp (năng lượng ngưỡng của hạt bắn phá) là:
m là khối lượng của hạt đến bắn phá,
M là khối lượng hạt nhân bị bắn phá (hạt nhân bia).
8a
Cho phản ứng thu nhiệt:
2jAl + <He^X+Jn
Hãy xác định hạt nhân kết quả.
Tìm năng lượng ngưỡng của phản ứng, biết mAl = 26,974u, mC( = 4,0015u.
Số khối được bảo toàn: 27+4=4+1	=>	4 = 30
Điện tích được bảo toàn:
• ■
13 + 2 = 7 + 0 => z = 15 Hạt nhân kết quả là: 15 p Nhiệt trao đổi:	'
29,970u
•	í	I—
in
Hẹ
ni A,
= 3,4MeV
Q = c2( mAI + mHe - mp -mn) = -2,98 MeV Năng lượng tối thiểu cần cung cấp:
3 Phản ứng hạt nhân (10)
Ví dụ 2
Tìm năng lượng tỏa ra từ phản ứng nhiệt hạch: ^D-Pj-^He+Jn
biết rằng độ hụt khối khi tạo thành hạt nhân D, T và He lần lượt là
ầmD = 0,0024«,	= 0,0087« và àmHe =
0,0305«.
tỏa ra được xác định từ:
He
He
mD - mp
mT ~ mp
n "'He n
n He
8a.3 Phản ứng hạt nhân (11)
Vậy Ọ còn có thể viết qua độ hụt khối của các hạt nhấn tham gia phản ứng như sau:
n _r A / A — . A \“l -2
ọ =|_0,0305-(0,0024 + 0,0087)Jx931,5(MeI/)
Ọ = 18,07(MeV)
• Năng lượng trao đỗi trong một phản ứng còn có thể tính qua độ hụt khối như sau:
I,sau
j'truoc
hay qua năng lượng liên kết:
i,sau	j,truoc
Nếu các hạt nhân kết quả có độ hụt khối (hay năng lượng liên kết) lớn hơn các hạt nhân ban đâu thì phản ứng tỏa năng lượng.
Chương 8a:
Nguyên tử kiềm
8a.1 Tính chất cơ bản của hạt nhân
<	'	
8a.2 Hiện tượng phóng xạ
8a.3 Phản ứng hạt nhân
8a.4 Năng lượng hạt nhân
Mở đầu
Phản ứng phân hạch
Phản ứng nhiệt hạch
Năng lượng hạt nhân và nhu cầu năng lượng hiện đại
Mở đầu
6
0)
5
lì
He3
Vùng cho năng lượng nhiệt hạch
Vùng cho năng lượng phân hạch
Đê phản ứng tỏa năng lượng: Phân chia các hat nhân lớn -
Kổt hợp các hạt nhân nhỏ - phản ứng nhiệt hạch
II 2»
U2M
0
0	30	60	90	120	150	180	210	240	270
Number of nucleons in nucleus
8a.4 Năng lượng hạt nhân (2)
Phản ú
Là phản ứng tách hạt nhân nặng thành hai hạt
nhân có có năng lượng liên kết riêng lớn hơn.
Ví dụ:
Jn + 2^U^2^Ư ' ^>x + v+neutrons
neutron đến là neutron chậm (neutron nhiệt).
236u là trạng thái trung gian, không bền.
X, Y là các hạt nhân kết quả.
có thể có nhiều tổ hợp X, Y thỏa định luật bảo toàn năng lượng, số khối và điện tích.
8a.4 Năng lượng hạt nhân (4)
minh họa vừa rồi ta thấy có mấy trường hợp:
Phản ứng dây chuyên: số neutron tao ra lớn hơn số neutron hấp thụ. (Bom nguyên tử)
Phản ứng kiểm soát được: sổ neutron tạo ra bằng số neutron hấp thụ. (Lò phản ứng)
Phản ứng tắt: số neutron tạo ra nhỏ hơn số neutron hấp thụ.
Ngoài ra, để có phản ứng thì phải có đủ 235u. (Khối lượng > khối lượng tới hạn)
Phản ú
Là phản ứng kết hợp các hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân có năng lượng liên kết riêng lớn hơn.
Ví dụ:
ỈD+ỈD^ỈHe+ỉn
Để thực hiện phản ứng cần có nhiệt độ rất cao để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân nhẹ.
Phản ứng chưa điêu khiên được. Bom nhiệt hạch
Là nguồn năng lượng của các vì sao.
Hiện tượng quang điện
photon có năng lượng và động lượng:
E = hf
bước sóng ngưỡng
hc
w
Động năng cực đại của electron thoát:
K = hf-W
max J
Tán xạ Compton
Ằ'- À = 2Ằ sin2-^
c 2
Ằ'-À = Àc(l-COSỠ) 4 =2,43xl0~12/77
Ằc là bước sóng Compton.
ớ là góc lệch của photon tán xạ.
234
91
Trang thái
kích thích