Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu ôn thi THPT Quốc gia hay môn Vật lý, dành cho các em học sinh ôn thi đạt điểm cao bao gồm : Lý thuyết, công thức giải nhanh bài tập trắc nghiệm chương hạt nhân nguyên tử, bài tập vật lý hay
CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ CHỦ ĐỀ ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Nguyên tử Cấu tạo: gồm phần hạt nhân lớp vỏ êlectrôn Điện tích: q nt Hạt nhân Cấu tạo: Gồm hai loại hạt prôtôn (p) nơtrôn (n), gọi hạt nuclôn Hạt nuclôn Khối lượng Điện tích Prôtôn (p) mp = 1,67262.10-27 kg q p = +e = 1,6.10 -19 C Nơtrôn (n) mn = 1,67493.10-27 kg q n = (trung hoà điện) Nơtrôn trung hoà điện cầu tạo hạt quac 2e 2e e Hạt prôtôn: cấu tạo quac u, u, d có điện tích ; ; 3 2e e e Hạt nơtrôn: cấu tạo quac u, d, d có điện tích ; ; 3 Kí hiệu hạt nhân nguyên tử nguyên tố X: A A X , XA Z X A: số khối (số nuclôn), Z: điện tích hạt nhân = số thứ tự = số hạt prôtôn = số hạt êlectrôn A Z N (N: số hạt nơtrôn) Khối lượng hạt nhân: m hn m nt Z.m e Điện tích hạt nhân: Bằng tổng điện tích hạt prôtôn hạt nhân q hn Z.e Bán kính hạt nhân: Coi hạt nhân có dạng hình cầu, bán kính R R R A1/3 R A ; R0 = const, cỡ 10-15m (cỡ fecmi) Bán kính hạt nhân tỉ lệ thuận với bậc số khối 4 Vhn R R 30 A Thể tích hạt nhân: 3 Thể tích hạt nhân tỉ lệ thuận với số khối m D hn hn (khối lượng riêng hạt nhân cỡ 1017 kg.m-3) Khối lượng riêng hạt nhân: Vhn Lực hạt nhân: Mặc dù hạt nhân cấu tạo từ hạt nuclôn, có hạt p mang điện tích dương chúng đẩy hạt nhân phá vỡ thực tế hạt nhân bền vững chứng tỏ hạt nuclôn phải có lực liên kết, gọi lực hạt nhân Định nghĩa: Lực hạt nhân lực hút hạt nuclôn (p-p, n-n, p-n) Đặc điểm: - Có chất khác với lực hấp dẫn, lực điện lực từ - Không phụ thuộc vào điện tích - Là lực hút mạnh so với lực nói CẨM NANG VẬT LÍ 12 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com (83) CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ - Bán kính tác dụng lực hạt nhân: cỡ 10-15 m (cỡ fecmi) Đồng vị đồng khối a) Đồng vị: Định nghĩa: Đồng vị nguyên tố hoá học hạt nhân nguyên tử nguyên tố có số hạt prôtôn khác số hạt nơtrôn (cùng Z khác A) Kí hiệu: AZ1 X ; AZ2 X Một số đồng vị: Ví dụ: Hiđrô gồm đồng vị 1 H : hiđrô thường, tạo nước thường H2O D : hiđrô nặng (Đơteri), tạo nước nặng D2O 1T : hiđrô siêu nặng (Triti) b) Đồng khối: Là hai hạt nhân có số khối (A) khác số prôtôn (cùng A, khác Z) Ví dụ: 32 He, 31T ; 146 C, 147 N Chú ý: Hai hạt nhân đồng khối không khối lượng, hạt nhân có chiều nơtrôn hạt nhân nặng (Z nhỏ m lớn) Hệ thức Anhxtanh lượng khối lượng a) Khối lượng tương đối tính Gọi m0 khối lượng nghỉ vật (khi v = 0); m khối lượng tương đối tính (chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng v ~ c ): m0 m v 1 c b) Hệ thức Anhxtanh lượng khối lượng - Năng lượng nghỉ: E m 0c - Năng lượng tương đối tính (năng lượng toàn phần): E mc2 c) Động - Theo học cổ điển ( v c ): E đ mv2 - Theo học tương đối Anhxtanh ( v ~ c ): Wđ E E (m m0 )c2 Đơn vị khối lượng nguyên tử - Đơn vị khối lượng nguyên tử tính theo khối lượng nguyên tử cácbon C12 - Kí hiệu u 1u m126 C ; 1u 1,66055.10 27 kg 12 - Còn sử dụng đơn vị: MeV/c2 u 931,5MeV / c2 uc2 931,5MeV - Khối lượng hạt bản: Hạt Đơn vị kg Đơn vị u Đơn vị MeV/c2 -31 Êlectrôn me = 9,1.10 0,000548 0,511 -27 Prôtôn mp = 1,67262.10 1,0073 938 Nơtrôn mn = 1,67493.10-27 1,0087 939 - Nếu không cần độ xác cao: m p m n 1u m nt A u Độ hụt khối Năng lượng liên kết Năng lượng liên kết riêng a) Độ hụt khối: Xét hạt nhân AZ X có khối lượng nghỉ m - Tổng khối lượng nghỉ (A) hạt nuclôn riêng rẽ, chưa liên kết thành hạt nhân X: m Z.m p N.m n Z.m p A Z m n - Khối lượng nghỉ hạt nhân X (do nuclôn liên kết) m CẨM NANG VẬT LÍ 12 (84) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ m m0 m Z.mp (A Z).m n m - Độ hụt khối: b) Năng lượng liên kết - Theo hệ thức Anh-xtanh: lượng nghỉ ban đầu E0 = m0c2 - Năng lượng nghỉ hạt nhân E = mc2 - Năng lượng: Wk m.c (m m)c2 , gọi lượng liên kết - Năng lượng toả tổng hợp hạt nhân X lượng liên kết - Năng lượng liên kết toả dạng: động hạt nhân lượng tia gamma - Muốn phá vỡ hạt nhân có khối lượng m thành hạt nuclôn riêng rẽ có khối lượng m0 > m ta phải tốn lượng tối thiểu tương ứng E m.c (m m)c để thắng lực hạt nhân - Năng lượng liên kết hạt nhân tỉ lệ thuận với độ hụt khối hạt nhân c) Năng lượng liên kết riêng - Năng lượng liên kết riêng lượng liên kết trung bình tính cho hạt nuclôn: W m r k c (Đơn vị: MeV/nuclôn) A A - Hạt nhân có lượng liên kết riêng lớn hạt nhân bền vững - Những hạt nhân có số khối trung bình từ 50 đến 70 bền vững hạt nhân khác Năng lượng liên kết cỡ 8,8 MeV/c2 II CÔNG THỨC GIẢI NHANH Hệ thức Anhxtanh lượng khối lượng a) Cơ học cổ điển (Niu-tơn): v m0: khối lượng tăng chuyển động) - Động lượng: p mv m v - Động năng: Wđ E E 1 m 0c2 1 E - Hệ thức lượng động lượng vật: E m o2 c p c - Khối lượng nghỉ phô tôn h - Động lượng tương đối tính phôtôn: p m.c c Độ hụt khối Năng lượng liên kết Năng lượng liên kết riêng a) Độ hụt khối: m m0 m Z.mp (A Z).m n m b) Năng lượng liên kết: Wk m.c (m0 m)c2 Wk A Cần nhớ: Hạt anpha ( ): He ; prôtôn (p): 11 H ; nơtrôn (n): 01 n ; êlectrôn ( ): c) Năng lượng liên kết riêng: r 0 ( ): e ; đơteri (D): H ; triti (T): H ; nơtrinô ( ): ; gamma ( ): CẨM NANG VẬT LÍ 12 (85) 0 1 e ; pôzitrôn 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ CHỦ ĐỀ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Hiện tượng phóng xạ a) Định nghĩa: Hiện tượng hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác gọi tượng phóng xạ 210 206 Ví dụ: 84 Po He 82 Pb b) Đặc điểm: - Hiện tượng phóng xạ phụ thuộc vào nguyên nhân bên hạt nhân - Hiện tượng phóng xạ không phụ thuộc vào tác nhân lý, hoá bên áp suất, nhiệt độ,… c) Phương trình phóng xạ: A B C - Hạt nhân phóng xạ hạt nhân mẹ (A) - Hạt nhân sản phẩm hạt nhân (B) - Các tia phóng xạ (C) Định luật phóng xạ a) Nội dung: Trong trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ b) Biểu thức: N t N N e t N k0 với k - Theo số nguyên tử: T m0 2k Trong đó: N0, m0 số nguyên tử khối lượng chất phóng xạ thời điểm ban đầu t = N, m số nguyên tử khối lượng chất phóng xạ lại thời điểm t ln 0,693 số phóng xạ: T T T chu kì bán rã: sau khoảng thời gian nửa số nguyên tử chất biến đổi thành chất khác c) Đồ thị biểu diễn phụ thuộc N theo thời gian t: N N e t đồ thị đường cong Độ phóng xạ a) Định nghĩa: Độ phóng xạ lượng chất phóng xạ đại lượng vật lí đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu lượng chất phóng xạ, đo số phân rã/giây H t b) Biểu thức: H N ; H H e t H k0 ( k : số chu kì bán rã thời gian t) T Độ phóng xạ lúc đầu (t = 0): H N c) Đơn vị: Becơren, kí hiệu: Bq; 1Bq phân rã/giây - Theo khối lượng chất phóng xạ: m m e t m Ngoài dùng đơn vị Curi (Ci): 1Ci 3,7.1010 Bq Các loại tia phóng xạ a) Tia anpha ( ) Thực chất: chùm hạt nhân hêli ( 42 He ), gọi hạt Tính chất: - Bị lệch điện trường từ trường - Tốc độ bay khỏi nguồn cỡ 2.107 m/s - Có khả ion hoá môi trường mạnh dần lượng CẨM NANG VẬT LÍ 12 (86) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ - Khả đâm xuyên yếu, tối đa cm không khí, không xuyên qua bìa dày mm b) Tia bêta ( ): Gồm hai loại tia Thực chất: - Tia bêta cộng ( ): chùm hạt êlectrôn dương (hạt pôzitrôn: e ) - Tia bêta trừ ( ): chùm hạt êlectrôn âm (hạt êlectrôn: e ) Tính chất: - Tia phóng với tốc độ lớn, gần vận tốc ánh sáng chân không - Có khả ion hoá môi trường yếu tia - Có khả đâm xuyên mạnh tia , vài mét không khí xuyên qua nhôm dày cỡ mm - Bị lệch điện trường từ trường c) Tia gamma ( ) Thực chất: Tia có chất sóng điện từ có bước sóng ngắn (dưới 0,01 nm) Đây chùm phôtôn có lượng cao Tính chất: - Không mang điện nên không bị lệch điện trường, từ trường nên truyền thẳng - Có khả đâm xuyên mạnh nhất, qua lớp chì dầy hàng chục cm nguy hiểm cho người Chú ý: - Tia tia đối xứng với qua tia - Tia bị lệch nhiều tia khối lượng hạt lớn nhiều hạt - Cách phát tia phóng xạ: kích thích phản ứng hoá học, ion hoá không khí, làm đen kính ảnh, xuyên thấu lớp vật chất mỏng, phá huỷ tế bào,… II CÔNG THỨC GIẢI NHANH Các vấn đề liên quan đến số nguyên tử chất phóng xạ Gọi: N0 số nguyên tử lúc ban đầu (t = 0, bắt đầu khảo sát) N số nguyên tử chất phóng xạ lại (chưa bị phân rã) thời điểm t Chú ý: - Định luật phóng xạ có tính thống kê, với lượng lớn số hạt chất phóng xạ - Với hạt nhân phóng xạ trình phân rã xảy ngẫu nhiên trước tức áp dụng định luật cho hạt hay lượng hạt chất phóng xạ Cho biết khối lượng chất phóng xạ lúc ban đầu m0: m (g) N0 N A A Số nguyên tử lại chưa bị phân rã thời điểm t: N m(g) N k0 N et N A A Số nguyên tử bị phân rã sau thời gian t: t N N0 N N (1 et ) N (1 k ) với k T ln t t Khi khoảng thời gian khảo sát bé so với chu kì bán rã t T T lấy gần e t t nên số hạt nhân phân rã: N N0 N N (1 et ) N t H0 t Công thức gần đúng: e x x ( với x ) Chú ý: Số hạt nhân nguyên tử bị phân rã số hạt nhân nguyên tử tạo thành CẨM NANG VẬT LÍ 12 (87) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ Phần trăm số nguyên tử lại thời điểm t: N 2 k.100% e t 100% N0 Phần trăm số nguyên tử bị phân rã thời điểm t: N (1 2 k ).100% (1 et ).100% N0 Gọi khoảng thời gian mà sau số nguyên tử chất phóng xạ giảm e lần (e loga số tự nhiên, với lne = 1): T N0 e e ln N Cho biết sau thời gian t1 số nguyên tử lại N1; sau thời gian t2 số nguyên tử lại N2 Tìm chu kỳ bán rã T T (t t1 ) ln N ln( ) N2 Tìm thời gian t từ lúc t = đến số nguyên tử lại N: - Nếu N0 k k N* N - Tổng quát: t t k.T T N ln ln N Cho biết thời gian t (s) Số tia phóng xạ phát x Ta biết số hạt nhân phân rã sau khoảng thời gian t N x Các vấn đề liên quan đến khối lượng chất phóng xạ m0 khối lượng chất phóng xạ lúc ban đầu (t = 0, bắt đầu khảo sát) m khối lượng chất phóng xạ lại (chưa bị phân rã) thời điểm t Cho số nguyên tử chất phóng xạ lúc ban đầu N0: N m0 A NA Khối lượng chất phóng xạ lại chưa bị phân rã thời điểm t: m N m k0 m et A NA Khối lượng chất phóng xạ bị phân rã sau thời gian t: t m m m m (1 et ) m (1 k ) với k T Phần trăm khối lượng chất phóng xạ lại thời điểm t: m 2 k.100% et 100% m0 Phần trăm khối lượng chất phóng xạ bị phân rã thời điểm t: m (1 2 k ).100% (1 et ).100% m0 Gọi khoảng thời gian mà sau khối lượng chất phóng xạ giảm e lần (e loga số tự nhiên, với lne = 1): T m0 e e ln m CẨM NANG VẬT LÍ 12 (88) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ Khối lượng chất tạo thành sau thời gian t: A N (1 e t ) A1.m (1 et ) A C N m1 A1 m M NA NA A AM A số khối chất phóng xạ ban đầu A1 số khối chất tạo thành Nếu phóng xạ A = A1 m1 m Các vấn đề liên quan đến độ phóng xạ Gọi: H0 độ phóng xạ lúc ban đầu H độ phóng xạ thời điểm t Độ phóng xạ lúc ban đầu: ln m H N N A (H0: Bq, m: g, T: s) T A Độ phóng xạ thời điểm t: ln m H N N A hay H H 2 k H0 et T A Tìm thời điểm t lúc độ phóng xạ lại H: T H ln t ln H - Đơn vị: Becơren (Bq), Curi (Ci) Bq = phân rã/s; Ci = 3,7.1010 Bq - Khi tính độ phóng xạ H0, H (Bq) chu kì phóng xạ (bán rã) có đơn vị giây (s) Tính tuổi cổ vật, mẫu đất đá a) Bài toán 1: Tuổi cổ vật có nguồn gốc hữu cơ: Định tuổi tượng cổ gỗ có khối lượng m - Đo độ phóng xạ 146 C tượng cổ H - Lấy mẫu gỗ có chất khối lượng với tượng vừa chặt đo độ phóng xạ 146 C ta kết H0 H - Đặc biệt: k k N* , t kT H T H ln - Tổng quát: t ln H Chú ý: - Chu kỳ bán rã 146 C T = 5730 năm - Để áp dụng công thức phải xét khối lượng b) Bài toán 2: Xác định tuổi mẫu đất đá Giả sử ban đầu mẫu khảo sát chứa chất X nguyên chất có chu kỳ bán rã T, sau thời gian mẫu có chất Y Giải: T N N ln 1 Y (Hãy nhớ: Tử/Mẫu = Con/Mẹ) Xác định t biết Y t ln N X NX Xác định t biết CẨM NANG VẬT LÍ 12 A m T mY ln 1 X Y t ln A Y m X mX (89) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ CHỦ ĐỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân trình dẫn đến biến đổi hạt nhân Phân loại: gồm loại a) Loại 1: Phản ứng hạt nhân tự xảy Đó trình phân rã hạt nhân không bền thành hạt nhân khác A BC Phương trình phản ứng: b) Loại 2: Phản ứng hạt nhân tương tác với nhau, dẫn đến biến đổi chúng thành hạt nhân khác ABCD Phương trình phản ứng: Ví dụ: phản ứng hạt nhân Rơ-dơ-pho thực năm 1919 14 17 He N O H Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân A A A A Xét phản ứng hạt nhân sau: Z11 X1 Z22 X Z33 X Z44 X a) Định luật bảo toàn số khối (số hạt nuclôn): A1 A A A b) Định luật bảo toàn điện tích: Z1 Z Z Z c) Định luật bảo toàn động lượng: P1 P2 P3 P4 d) Định luật bảo toàn lượng toàn phần: - Trường hợp 1: Phản ứng không kèm theo tia gamma ( m m ) c K K ( m m )c K K - Trường hợp 2: Phản ứng có kèm theo tia gamma ( m m )c K K (m m )c K K hc Với lượng phôtôn tia gamma Chú ý: Trong phản ứng hạt nhân định luật bảo toàn: khối lượng, động năng, lượng nghỉ, số hạt nơtrôn, số hạt prôtôn, nguyên tố Quy tắc dịch chuyển: Áp dụng định luật bảo toàn vào phóng xạ a) Phóng xạ : A A4 - Quy tắc dịch chuyển: Z X He Z 2Y 210 206 - Ví dụ: 84 Po He 82 Pb - Nhận xét: Vị trí hạt nhân lùi ô so với vị trí hạt nhân mẹ bảng HTTH b) Phóng xạ A A - Quy tắc dịch chuyển: Z X e Z 1Y 30 30 - Ví dụ: 15 P e 14 Si - Nhận xét: Vị trí hạt nhân lùi ô so với vị trí hạt nhân mẹ bảng HTTH p n e ( : hạt nơtrinô) - Thực chất trình: c) Phóng xạ : A A - Quy tắc dịch chuyển: Z X 1 e Z 1Y 210 210 - Ví dụ: 83 Bi 1 e 84 Po - Nhận xét: Vị trí hạt nhân tiến ô so với vị trí hạt nhân mẹ bảng HTTH CẨM NANG VẬT LÍ 12 (90) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ n p e ( : phản hạt nơtrinô) - Thực chất: d) Phóng xạ gamma : Hạt nhân sinh trạng thái kích thích có mức lượng E2, chuyển xuống mức lượng E1, đồng thời phát phôtôn có tần số f, xác định bởi: hf E E1 - Phóng xạ kèm theo với phóng xạ , - Trong phóng xạ không làm biến đổi hạt nhân Năng lượng phản ứng hạt nhân - Xét phản ứng hạt nhân A + B C + D - Gọi mA, mB, mC, mD khối lượng nghỉ hạt nhân A, B, C D + Tổng khối lượng nghỉ hạt nhân trước phản ứng: m0 = mA + mB + Tổng khối lượng nghỉ hạt nhân sau phản ứng: m = mC + mD - Do độ hụt khối hạt nhân A, B, C, D khác nên khối lượng phản ứng hạt nhân không bảo toàn Xảy hai trường hợp: a) Trường hợp 1: m < m0 (Phản ứng hạt nhân tỏa lượng) - Giả sử hạt A, B đứng yên Phản ứng toả lượng lượng bằng: E m o m c - Năng lượng mà phản ứng toả thường dạng động hạt nhân C D lượng phôtôn - Trường hợp này, hạt sinh có độ hụt khối lớn hạt ban đầu, nghĩa hạt sinh bền vững hạt ban đầu gọi phản ứng toả lượng b) Trường hợp 2: m > m0 (Phản ứng hạt nhân thu lượng) Trường hợp tổng lượng nghỉ hạt sau phản ứng lớn tổng lượng nghỉ hạt nhân ban đầu Phản ứng tự xảy - Muốn phản ứng xảy ra, ta phải cung cấp cho hạt A B lượng W dạng động gọi phản ứng thu lượng - Các hạt nhân tạo thành có độ hụt khối nhỏ nên bền vững hạt nhân ban đầu - Năng lượng cần cung cấp cho phản ứng là: W m m c2 K C K D - Năng lượng tối thiểu cung cấp để phản ứng xảy ra: Wmin m m c2 II CÔNG THỨC GIẢI NHANH Tính lượng phản ứng hạt nhân: A B C D E m A m B m C m D c2 Cho khối lượng nghỉ: Cho độ hụt khối: E m C m D m A m B c2 Cho lượng liên kết: E WkC WkD WkA WkB Cho lượng liên kết riêng: E C A C D A D A A A B A B Quy ước: E : Phản ứng tỏa lượng; E : Phản ứng thu lượng Tính động hạt nhân bay sau phản ứng: Bài toán: Cho hạt nhân A chuyển động với động KA đến bắt vào hạt nhân B đứng yên gây phản ứng hạt nhân A + B C + D Tính động hạt nhân C D bay sau phản ứng Cách làm: Ta phải lập hệ phương trình hai ẩn KC KD CẨM NANG VẬT LÍ 12 (91) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ a) Cách thiết lập phương trình thứ Bước 1: Tính lượng phản ứng hạt nhân E ( m A m B m C m D ).c Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn lượng toàn phần Phải xác định rõ phản ứng hạt nhân có kèm theo tia gamma hay không - Trường hợp 1: Phản ứng không kèm theo tia gamma K C K D K A E - Trường hợp 2: Phản ứng có kèm theo tia gamma K C K D K A E hc Với lượng phôtôn tia gamma ( hf ) b) Cách thiết lập phương trình thứ hai Trường hợp 1: Cho hai hạt nhân bay có động KC KD Trường hợp 2: Cho hai hạt nhân bay có độ lớn động lượng p C p D p C2 p 2D 2m C K C 2m D K D mC K C m D K D Trường hợp 3: Cho hai hạt nhân bay có tốc độ (độ lớn vận tốc) K m vC vD C C K D mD m D K C mCK D Trường hợp 4: Cho hai hạt nhân bay theo phương vuông góc với vC vD Định luật bảo toàn động lượng: p A p C p D p 2A p C2 p 2D 2m A K A 2m C K C 2m D K D mC K C m D K D mA K A Trường hợp 5: Cho hạt nhân bay theo phương vuông góc với phương chuyển động hạt nhân ban đầu (A) Giả sử: v C v A p 2D p2C pA2 m A K D mC K C m A K A Tính góc Bài toán: Cho hạt nhân A chuyển động với động KA đến bắn vào hạt nhân B đứng yên gây phản ứng hạt nhân Hạt nhân tạo thành hạt nhân C D Tính góc tạo hướng hạt nhân C D: v C , v D ? p2 p2C p2D m A K A mC K C m D K D p A p C p D p 2A PC2 p D2 2p C p D cos cos A 2p C pD mC m D K C K D Tính góc tạo hướng hạt nhân C hạt nhân A ban đầu: v C , v A ? p 2D p C2 p A2 2p C p A cos cos p2A p2C p2D m A K A mC K C mD K D 2pC pA mC m A K C K A Phóng xạ tự nhiên Bài toán: Cho hạt nhân phóng xạ X ban đầu đứng yên Sau phóng xạ tạo thành B C A BC Giả sử phóng xạ không kèm theo tia gamma Tính lượng phân rã: E m A m B m C c m B m C m A c E WkB WkC WkA B A B C A C A A A K B K C CẨM NANG VẬT LÍ 12 (92) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ Phóng xạ phản ứng hạt nhân tỏa lượng Tính động hạt B C: (1) K B K C E m B K B m C K C (2) Tính phần trăm động hạt B C theo lượng phân rã E mC K 100% Phần trăm động hạt nhân B: B E m B m C KC mB 100% E m B mC Chú ý: Cho khối lượng xấp xỉ số khối nó: m A K B AC K A 100% ; C B 100% E A A E A A m K v Trong phóng xạ: B C B ( vB vC ) K C m B vC Phần trăm độn hạt nhân C: CHỦ ĐỀ HAI LOẠI PHẢN ỨNG TOẢ NĂNG LƯỢNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN I HAI LOẠI PHẢN ỨNG TOẢ NĂNG LƯỢNG Phản ứng phân hạch Sự phân hạch: Sự phân hạch hạt nhân (loại nặng) hấp thụ nơtrôn chậm vỡ thành hai hạt nhân trung bình A A 235 236 Ví dụ: Phân hạch U235 92 U n 92 U Z11 X1 Z22 X k( n ) 200MeV Đặc điểm: + Mỗi phân hạch tạo từ đến nơtrôn thứ cấp (Đối với U235 trung bình: 2,5) + Mỗi phản ứng toả khoảng 200 MeV + Các hạt nhân X1, X2 có số khối: A1, A2 từ 80 đến 160 + Phân hạch thường kèm theo tia phóng xạ 236 95 138 Ví dụ cụ thể: o1 n 235 92 U 92 U 39Y 53 I o n Phản ứng dây chuyền điều kiện xảy ra: a) Phản ứng dây chuyền: Trong phản ứng phân hạch, phần số nơtrôn sinh bị mát nhiều nguyên nhân (thoát ngoài, bị hạt nhân tạp chất khác hấp thụ,…) sau phân hạch, lại trung bình k nơtrôn, mà k > k nơtrôn đập vào hạt nhân khác, lại gây k phân hạch khác, sinh k2 nơtrôn, k3,…nơtrôn Số phân hạch tăng nhanh thời gian ngắn: ta có phản ứng dây chuyền Gọi k hệ số nhân nơtrôn (hay số nơtrôn trung bình lại sau phân hạch) Với k > 1: Hệ thống vượt hạn Phản ứng hạt nhân xảy không điều khiển Năng lượng toả có sức công phá dội nên ứng dụng để chế tạo bom nguyên tử Với k = 1: Hệ thống tới hạn Phản ứng xảy điều khiển Năng lượng toả không đổi nên ứng dụng lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân Với k < 1: Hệ thống hạn Phản ứng hạt nhân dây chuyền không xảy b) Điều kiện để xảy phản ứng dây chuyền: k Khi khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải lớn giá trị tối thiểu, gọi khối lượng tới hạn (mth) Ví dụ: Nhiên liệu U235 có mth 15 kg; Pu239 có mth kg CẨM NANG VẬT LÍ 12 (93) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ Phản ứng nhiệt hạch a) Định nghĩa: Phản ứng nhiệt hạch phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng Ví dụ: 2 3 1 H H H n 4MeV ; H H He n 17,5MeV b) Điều kiện xảy phản ứng nhiệt hạch: Xảy nhiệt độ cao - Nhiệt độ cao khoảng hàng trăm triệu độ (cỡ 108K) nên gọi phản ứng nhiệt hạch - Ngoài điều kiện nhiệt độ cao, có điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra: + Mật độ hạt nhân n phải đủ lớn + Thời gian t trì nhiệt độ cao phải đủ dài n.t 1014 (s / cm ) Tiêu chuẩn Lawson: c) Lí người quan tâm đến phản ứng nhiệt hạch - Nguồn lượng nhiệt hạch nguồn lượng vô tận, nhiên liệu có sẵn tự nhiên nước ao, hồ, biển,… - Ít gây ô nhiễm môi trường tạo tia phóng xạ - Toả lượng lớn So sánh phản ứng phân hạch phản ứng nhiệt hạch Giống nhau: Đều phản ứng hạt nhân toả lượng Khác nhau: Một phản ứng phân hạch toả lượng lớn phản ứng nhiệt hạch Cùng khối lượng nhiên liệu phản ứng nhiệt hạch toả lượng lớn phản ứng phân hạch Hiện nay: phản ứng phân hạch điều khiển được, phản ứng nhiệt hạch chưa điều khiển Phản ứng nhiệt hạch “sạch” phản ứng phân hạch có xạ gây ô nhiễm II NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN Cấu tạo: Bộ phận nhà máy “Lò phản ứng hạt nhân” Trong lò gồm: Thanh nhiên liệu: thường làm hợp kim chứa urani làm giàu Chất làm chậm: nước nặng D2O, than chì, berili,… Thanh điều khiển: chất hấp thụ nơtrôn không bị phân hạch như: Bo (B), Cadimi (Cd),… Hoạt động: Điều chỉnh điều khiển để hệ số: k = CẨM NANG VẬT LÍ 12 (94) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com [...]...CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ Phóng xạ là phản ứng hạt nhân luôn tỏa năng lượng Tính động năng của hạt B và C: (1) K B K C E m B K B m C K C 0 (2) Tính phần trăm động năng của hạt B và C theo năng lượng phân rã E mC K 100% Phần trăm động năng của hạt nhân B: B E m B m C KC mB 100% E m B mC Chú ý: Cho... mth 5 kg CẨM NANG VẬT LÍ 12 (93) 0916.609.081 – minhtuecbg81@gmail.com CHƯƠNG VII HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐỖ MINH TUỆ 2 Phản ứng nhiệt hạch a) Định nghĩa: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn Ví dụ: 2 2 3 1 2 3 4 1 1 H 1 H 2 H 0 n 4MeV ; 1 H 1 H 2 He 0 n 17, 5MeV b) Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch: Xảy ra ở nhiệt độ rất cao - Nhiệt... m K v Trong phóng xạ: B C B ( vB vC ) K C m B vC Phần trăm độn năng của hạt nhân C: CHỦ ĐỀ 4 HAI LOẠI PHẢN ỨNG TOẢ NĂNG LƯỢNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN I HAI LOẠI PHẢN ỨNG TOẢ NĂNG LƯỢNG 1 Phản ứng phân hạch Sự phân hạch: Sự phân hạch là một hạt nhân (loại rất nặng) hấp thụ một nơtrôn chậm và vỡ thành hai hạt nhân trung bình A A 235 1 236 1 Ví dụ: Phân hạch U235 92 U 0 n 92 U Z11 X1 ... dữ dội nên được ứng dụng để chế tạo bom nguyên tử Với k = 1: Hệ thống tới hạn Phản ứng xảy ra điều khiển được Năng lượng toả ra không đổi nên được ứng dụng trong lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Với k < 1: Hệ thống dưới hạn Phản ứng hạt nhân dây chuyền không xảy ra b) Điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền: k 1 Khi đó khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải lớn hơn hoặc bằng một giá trị tối thiểu,... ứng toả ra khoảng 200 MeV + Các hạt nhân X1, X2 có số khối: A1, A2 từ 80 đến 160 + Phân hạch thường kèm theo tia phóng xạ 236 95 138 1 Ví dụ cụ thể: o1 n 235 92 U 92 U 39Y 53 I 3 o n Phản ứng dây chuyền và điều kiện xảy ra: a) Phản ứng dây chuyền: Trong phản ứng phân hạch, một phần số nơtrôn sinh ra bị mất mát vì nhiều nguyên nhân (thoát ra ngoài, bị hạt nhân tạp chất khác hấp thụ,…) nhưng... các hạt nhân khác, lại gây ra k phân hạch khác, sinh ra k2 nơtrôn, k3,…nơtrôn Số phân hạch tăng rất nhanh trong một thời gian rất ngắn: ta có phản ứng dây chuyền Gọi k là hệ số nhân nơtrôn (hay là số nơtrôn trung bình còn lại sau mỗi phân hạch) Với k > 1: Hệ thống vượt hạn Phản ứng hạt nhân xảy ra không điều khiển được Năng lượng toả ra có sức công phá rất dữ dội nên được ứng dụng để chế tạo bom nguyên. .. hạch có thể điều khiển được, phản ứng nhiệt hạch chưa điều khiển được Phản ứng nhiệt hạch “sạch” hơn phản ứng phân hạch vì ít có các bức xạ gây ô nhiễm II NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 1 Cấu tạo: Bộ phận chính trong nhà máy là “Lò phản ứng hạt nhân Trong lò gồm: Thanh nhiên liệu: thường được làm bằng hợp kim chứa urani đã được làm giàu Chất làm chậm: nước nặng D2O, than chì, berili,… Thanh điều khiển:... như trong nước ao, hồ, biển,… - Ít gây ô nhiễm môi trường vì ít tạo ra các tia phóng xạ - Toả ra năng lượng rất lớn 3 So sánh phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch Giống nhau: Đều là phản ứng hạt nhân toả năng lượng Khác nhau: Một phản ứng phân hạch toả năng lượng lớn hơn một phản ứng nhiệt hạch Cùng khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng lớn hơn phản ứng phân hạch... nhiệt độ rất cao - Nhiệt độ rất cao khoảng hàng trăm triệu độ (cỡ 108K) nên được gọi là phản ứng nhiệt hạch - Ngoài điều kiện nhiệt độ cao, còn có 2 điều kiện nữa để phản ứng nhiệt hạch xảy ra: + Mật độ hạt nhân n phải đủ lớn + Thời gian t duy trì nhiệt độ cao phải đủ dài n.t 1014 (s / cm 3 ) Tiêu chuẩn Lawson: c) Lí do con người quan tâm đến phản ứng nhiệt hạch - Nguồn năng lượng nhiệt hạch là nguồn