Phản ứng hạt nhân

Kiến thức cơ bản

–         Phản ứng hạt nhân là gì?

–         Phản ứng hạt nhân tuân theo các định luật bảo toàn gì?

–         Năng lượng tỏa ra trong phản ứng hạt nhân? Phản ứng tự nhiên và phản ứng nhân tạo?

–         Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng?

Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch?

Nội dung

* Phương trình phản ứng:

   Trong số các hạt này có thể là hạt sơ cấp như nuclôn, eletrôn, phôtôn …

   Trường hợp đặc biệt là sự phóng xạ: X₁ ® X₂ + X₃

   X₁ là hạt nhân mẹ, X₂ là hạt nhân con, X₃ là hạt a hoặc b

* Các định luật bảo toàn

   + Bảo toàn số nuclôn (số khối):        A₁ + A₂ = A₃ + A₄

   + Bảo toàn điện tích (nguyên tử số): Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

   + Bảo toàn động lượng:

   + Bảo toàn năng lượng toàn phần:

 Trong đó: Năng lượng phản ứng hạt nhân

                      là động năng chuyển động của hạt X

Lưu ý: – Không có định luật bảo toàn khối lượng.

            – Mối quan hệ giữa động lượng p_X và động năng K_X của hạt X là:

            – Khi tính vận tốc v hay động năng K thường áp dụng quy tắc hình bình hành

               Ví dụ:  biết  

              Hay

              Hay

              Tương tự khi biết  hoặc  

              Trường hợp đặc biệt:  Þ

                                                Tương tự khi: :  hoặc :

                                                v = 0 (p = 0) Þ p₁ = p₂ Þ

                                                Tương tự v₁ = 0 hoặc v₂ = 0.

* Năng lượng phản ứng hạt nhân

            DE = (M₀ – M)c²

   Trong đó: là tổng khối lượng các hạt nhân trước phản ứng.

                     là tổng khối lượng các hạt nhân sau phản ứng.

Lưu ý: – Nếu M₀ > M thì phản ứng toả năng lượng DE dưới dạng động năng của các hạt X₃, X₄ hoặc phôtôn g.

               Các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn.

            – Nếu M₀ < M thì phản ứng thu năng lượng |DE| dưới dạng động năng của các hạt X₁, X₂ hoặc phôtôn g.

               Các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững.

* Trong phản ứng hạt nhân:

   Các hạt nhân X₁, X₂, X₃, X₄ có:

   Năng lượng liên kết riêng tương ứng là e₁, e₂, e₃, e₄.

   Năng lượng liên kết tương ứng là DE₁, DE₂, DE₃, DE₄

   Độ hụt khối tương ứng là Dm₁, Dm₂, Dm₃, Dm₄

   Năng lượng của phản ứng hạt nhân

            DE = A₃e₃ +A₄e₄ – A₁e₁ – A₂e₂

            DE = DE₃ + DE₄ – DE₁ – DE₂

            DE = (Dm₃ + Dm₄ – Dm₁ – Dm₂)c²

* Quy tắc dịch chuyển của sự phóng xạ

   + Phóng xạ a ():

     So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng tuần hoàn và có số khối giảm 4 đơn vị.

   + Phóng xạ b^– ():

     So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con tiến 1 ô trong bảng tuần hoàn và có cùng số khối.

     Thực chất của phóng xạ b^– là một hạt nơtrôn biến thành một hạt prôtôn, một hạt electrôn và một hạt nơtrinô:

     Lưu ý: – Bản chất (thực chất) của tia phóng xạ b^– là hạt electrôn (e^–)

                 – Hạt nơtrinô (v) không mang điện, không khối lượng (hoặc rất nhỏ) chuyển động với vận tốc của ánh sáng và hầu như không tương tác với vật chất.

    + Phóng xạ b⁺ ():

     So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 1 ô trong bảng tuần hoàn và có cùng số khối.

     Thực chất của phóng xạ b⁺ là một hạt prôtôn biến thành một hạt nơtrôn, một hạt pôzitrôn và một hạt nơtrinô:

     Lưu ý: Bản chất (thực chất) của tia phóng xạ b⁺ là hạt pôzitrôn (e⁺)

   + Phóng xạ g (hạt phôtôn)

      Hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích có mức năng lượng E₁ chuyển xuống mức năng lượng E₂ đồng thời phóng ra một phôtôn có năng lượng

     Lưu ý: Trong phóng xạ g không có sự biến đổi hạt nhân Þ phóng xạ g thường đi kèm theo phóng xạ a và b.

Các hằng số và đơn vị thường sử dụng

* Số Avôgađrô: N_A = 6,022.10²³ mol^-1

* Đơn vị năng lượng: 1eV = 1,6.10^-19 J; 1MeV = 1,6.10^-13 J

* Đơn vị khối lượng nguyên tử (đơn vị Cacbon): 1u = 1,66055.10^-27kg = 931 MeV/c²

* Điện tích nguyên tố: |e| = 1,6.10^-19 C

* Khối lượng prôtôn: m_p = 1,0073u

* Khối lượng nơtrôn: m_n = 1,0087u

* Khối lượng electrôn: m_e = 9,1.10^-31kg = 0,00055.u

BÀI TẬP ỨNG DỤNG

Bài 1. Bắn hạt α có động năng 4 MeV vào hạt nhân  đứng yên thì thu được một hạt proton và một hạt nhân X.

a. Tìm hạt nhân X và tính xem phản ứng đó tỏa ra hay thu vào năng lượng bao nhiêu MeV?

b. Giả sử hai hạt sinh ra có cùng tốc độ, tính động năng và tốc độ của proton.

Cho biết: m_α = 4,0015u; m_X = 16,9947 u; m_N = 13,9992 u; m_p = 1,0073 u; 1u ~ 931,5 MeV/c²; c = 3.10⁸ m/s.

BÀI GIẢI:

a.      Phương trình phản ứng:

Năng lượng của phản ứng:

Vậy phản ứng thu năng lượng 1,211 MeV.

b.      Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

Động năng proton là: K_p =

                                               Đs. a.  = -1,211 MeV, b. v_p = 5,47.10⁶ m/s; K_p = 2,5.10^-14 J

Bài 2. Hạt nhân α có động năng 5,3 MeV bắn phá hạt nhân  đứng yên và gây ra phản ứng

. Hai hạt sinh ra có phương vectơ vận tốc vuông góc với nhau. Cho biết tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước phản ứng nhiều hơn tổng năng lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng là 5,6791 MeV, khối lượng của các hạt: m_α = 3,968 m_n; m_X = 11,8965 m_n. Động năng của hạt X là bao nhiêu?

BÀI GIẢI:

Theo định luật bảo toàn động lượng ta có:
 ( vì  đứng yên)

Vì hai hạt sinh ra là n và X  có phương vectơ vận tốc vuông góc với nhau nên:

Mối liên hệ giữa động lượng và động năng: p²= 2mK

Từ đó ta có:

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

Từ (1) và (2) ta được: K_X = 0,92 MeV; K_n = 10 MeV.

Đs. 0,92 MeV.