[Vật lý 12] Trọn bộ lý thuyết hạt nhân nguyên tử và phản ứng hạt nhân

Bài viết tổng hợp trọn bộ lý thuyết như cấu tạo, cách tính, năng lượng của hạt nhân nguyên tử. Bên cạnh đó là khái niệm, nguyên lí, cách tính phản ứng hạt nhân.

Lý thuyết về hạt nhân nguyên tử

Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

Cấu tạo hạt nhân nguyên tử:

Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các nuclon bao gồm các thành phần chính sau:

  • proton (kí hiệu là p). Proton có khối lượng là mp = 1,67262.10-27 kg và các hạt proton có điện tích: +e (điện tích dương)
  • notron (ký hiệu là n). Notron có khối lượng là mn = 1,67493.10-27 kg và các hạt notrong không mang điện tích.

Ký hiệu của hạt nhân nguyên tử:

Hạt nhân nguyên tử có ký hiệu được viết là:

Trong đó:

+ X: kí hiệu hóa học của nguyên tử

+ Z: là số hạt proton hay còn được gọi là là số hiệu nguyên tử. Số hiệu nguyên tử Z cũng chính là số thứ tự của nguyên tử trong bảng HTTH.

+ A: là số khối, là số hạt nuclon trong hạt nhân (là tổng số và proton và notron trong hạt nhân).

→ Như vậy ta có thể thấy số lượng hạt notron N = A – Z

Kích thước của hạt nhân nguyên tử:

  • Kích thước của nguyên tử: mỗi nguyên tử có kích thước khoảng 10-10 m = 0,1 nm. Nguyên tử nhỏ nhất là nguyên tử H có bán kính r = 0,053 nm.
  • Đường kính của hạt nhân nguyên tử khoảng 10-5 nm.
  • Đường kính của e lectron và proton khoảng 10-8 nm.

Đồng vị nguyên tố

Đồng vị là những hạt nhân nguyên tử có cùng số lượng Proton (Z) nhưng có số Notron (N) khác nhau. Chính vị mặc dù là nguyên tố giống nhau nhưng do có số lượng notron khác nhau dẫn đến A khác nhau.

Khối lượng của hạt nhân nguyên tử

Đơn vị khối lượng của hạt nhân

– Nếu so với khối lượng của electron thì khối lượng của hạt nhân rất lớn. Chính vì vậy, khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu và gần như toàn bộ tại hạt nhân.

– Trong chuyên đề vật lí hạt nhân nguyên tử người ta thường sử dụng đơn vị đo khối lượng  chính là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u.

Từ đó, ta có: 1u = 1,66055.10-27kg

  • Khối lượng của electrong: me = 5,486.10-4u
  • Khối lượng của proton: mp = 1,00728u
  • Khối lượng của notron mn = 1,00866u

Năng lượng và khối lượng của hạt nhân nguyên tử

– Theo như hệ thức Anhxtanh: E = m.c2

Trong đó:

  • m: là khối lượng của vật.
  • c là tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không. c = 3.108 m/s

Năng lượng của nguyên tử có khối lượng tương ứng 1u (Đơn vị tính là eV – Electron Volt):

  E=uc  ≈  931,5 MeV

  • Vậy năng lượng tương ứng với khối lượng tương đương 1u ≈ 931,5 MeV/c2
  • MeV/c2 cũng được xem như là đơn vị đo khối lượng hạt nhân.

Theo lý thuyết của Anhxtanh: một vật có khối lượng m0 kho ở trạng thái nghỉ, thì vật đó sẽ tăng lên m khi di chuyển với vận tốc v. Công thức tính khối lượng m của khi di chuyển được tính như sau:

Trong đó:

  • m0 là khối lượng nghỉ;
  • m: là khối lượng của vật khi chuyển động
  • v: vận tốc chuyển động của vật

Khi đó, năng lượng của vật khi chuyển động được tính bằng công thức:

Năng lượng này được gọi là năng lượng toàn phần.

=> Ta có: E – E0 = (m – m0)c2 là công thức tính động năng của vật

Năng lượng liên kết hạt nhân – phản ứng hạt nhân nguyên tử

Lực hạt nhân

Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các nuclon trong hạt nhân (lực này là lực hút). Lực hạt nhân có tác dụng giúp liên kết các nuclon với nhau.

Về bản chất, lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện và không phụ thuộc vào điện tích của nuclon. So với lực hấp dẫn và lực tĩnh điện, lực hạt nhân có cường độ lớn hơn rất nhiều (lực tương tác mạnh) và lực này chỉ tác dụng khi hai nuclon có khoảng cách nhỏ hơn hoặc bằng kích thước hạt nhân (tương đương 10-15 m).

Độ hụt khối và năng lượng liên kết của hạt nhân nguyên tử

Độ hụt khối

Khái nhiệm: Độ hụt khối của một hạt nhân được tính là hiệu số giữa tổng khối lượng của các nuclon của hạt nhân và khối lượng của hạt nhân đó, kí hiệu là Δm. Đô hụt khối được tính theo công thức:

∆m = [Zm+ (A – Z).mN] – mX

Giải thích kí hiệu

  • Z là số hiệu nguyên tử
  • N là số notron
  • A là số nucleon ( với A = N + Z )
  • mp, mn, mx lần lượt là khối lượng hat proton, notron và khối lượng hạt nhân
  • ∆m là độ hụt khối

Năng lượng liên kết của hạt nhân

Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng nhỏ nhất để tách hạt nhân thành các proton và notron

Công thức: Wℓk = Δm.c2

Giải thích

  • Wℓk Năng lượng liên kết
  • Δm độ hụt khối
  • Tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s

Lưu ý: 1 u.c2 = 931,5 MeV/c2

Năng lượng liên kết riêng

Là năng lượng liên kết tính trung bình cho một nucleon.

Năng lượng liên kết riêng được tính theo công thức: ε = Wlk/A

  • ε là kí hiệu năng lượng liên kết riêng
  • Wℓk Năng lượng liên kết riêng
  • A là số nucleon

Phản ứng hạt nhân nguyên tử

Phản ứng hạt nhân là phần quan trọng trong chương trình Vật lý 12, được định nghĩa như sau:

Là phản ứng mà trong quá trình diễn ra các hạt nhân tương tác với nhau và chuyển biến thành hạt nhân khác.

Phản ứng hạt nhân được chia làm 2 loại: Phản ứng hạt nhân kích thích và phản ứng hạt nhân tự phát.

+ Phản ứng hạt nhân tự phát: là trong quá trình một hạt nhân tự phân rã do không bề vững và tạo thành những hạt nhân mới

Ví dụ: quá trình phóng xạ.

+ Phản ứng hạt nhân kích thích: là phản ứng mà các hạt nhân phản ứng với nhau để tạo thành phản ứng mới.

Ví dụ: phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch.

Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

  • Định luật bảo toàn nguyên tử số Z (hay bảo toàn điện tích):

Tổng điện tích của các hạt không đổi trước và sau phản ứng

Ví dụ: Dựa vào ví dụ về phản ứng hạt nhân, theo định luật bảo toàn điện tích ta có:

Z1 + Z2 = Z3 + Z4

  • Định luật bảo toàn nuclon (bảo toàn số khối A)

Tổng số nuclôn của các hạt không đổi trước và sau phản ứng

Ví dụ: Dựa vào ví dụ về phản ứng hạt nhân, theo định luật bảo toàn nuclon, ta có:

A1 + A2 = A3 + A4

  • Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần:

Năng lượng toàn phần gồm năng lượng ở dạng thông thường (như động năng hay lượng tử năng lượng) và cả bao gồm năng lượng nghỉ.

Tổng năng lượng toàn phần của các hạt không đổi trước phản ứng và sau phản ứng.

  • Định luật bảo toàn động lượng p1 = mv1

Tổng các véctơ động lượng của các hạt trước phản ứng bằng tổng các véctơ động lượng của các hạt sau phản ứng.

*Chú ý: Trong phản ứng hạt nhân không có sự bảo toàn bảo toàn năng lượng nghỉ.

Năng lượng phản ứng hạt nhân

mt = mA + mB: là tổng khối lượng của các hạt trước khi phản ứng hạt nhân

ms = mC + mD: là tổng khối lượng của các hạt sau khi phản ứng hạt nhân

Tổng kết

Thông qua bài viết trên, congthuctoanlyhoa.com hi vọng đã có thể giúp bạn củng cố kiến thức về hạt nhân nguyên tử cũng như phản ứng hạt nhân. Từ đó, biết cách ứng dụng để làm các bài tập và lấy đó làm tiền đề để nghiên cứu các môn liên quan.

Viết một bình luận