Chủ đề 5 : BÀI TẬP VỀ VẬT LÍ HẠT NHÂN • Yêu cầu cần đạt (Trích từ CTGDPT Vật lí 2018): – Biểu diễn được kí hiệu hạt nhân của nguyên tử bằng số nucleon và số proton. – Mô tả được mô hình đơn giản của nguyên tử gồm proton, neutron và electron. – Viết được đúng phương trình phân rã hạt nhân đơn giản. – Thảo luận hệ thức E = mc 2 , nêu được liên hệ giữa khối lượng và năng lượng. – Nêu được mối liên hệ giữa năng lượng liên kết riêng và độ bền vững của hạt nhân. – Nêu được sự phân hạch và sự tổng hợp hạt nhân. – Thảo luận để đánh giá được vai trò của một số ngành công nghiệp hạt nhân trong đời sống. – Định nghĩa được độ phóng xạ, hằng số phóng xạ và vận dụng được liên hệ H = λN. – Vận dụng được công thức x = x o e–t, với x là độ phóng xạ, số hạt chưa phân rã hoặc tốc độ số hạt đếm được. – Định nghĩa được chu kì bán rã. • Cấu trúc nội dung: I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT ………………………………………………………………… Lý thuyết chung của chủ đề + Phương pháp giải kèm ví dụ. II. BÀI TẬP PHÂN DẠNG THEO MỨC ĐỘ…………………………………………… (Theo cấu trúc định dạng đề thi kỳ thi tốt nghiệp trung học phổ thông từ năm 2025 – Quyết định số 764/QĐ - BGDĐT) 1. Câu trắc nhiệm nhiều phương án lựa chọn 2. Câu trắc nghiệm đúng sai: 3. Câu trắc nghiệm trả lời ngắn : III. BÀI TẬP LUYỆN TẬP………………………………………………………………… (Theo cấu trúc định dạng đề thi kỳ thi tốt nghiệp trung học phổ thông từ năm 2025 – Quyết định số 764/QĐ - BGDĐT)
Chủ đề 5 : BÀI TẬP VỀ VẬT LÍ HẠT NHÂN I . TÓM TẮT LÝ THUYẾT – PHƯƠNG PHÁP GIẢI 1. Cấu trúc hạt nhân - Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là proton và neutron, hai loại hạt này có tên chung là nucleon.. - Người ta dùng kí hiệu hoá học X của nguyên tố để kí hiệu cho hạt nhân, kèm theo hai số Z và A như sau: A ZX . Trong đó: Z là số proton, A là số nucleon, N = A – Z là số neutron. - Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số Z, khác số A, nghĩa là cùng số proton và khác số neutron. Hydrogen có ba đồng vị: hydrogen thường 1 1H ; hydrogen nặng 2 1H còn gọi là deuterium ( 2 1D ); hydrogen siêu nặng 3 1H còn gọi là tritium ( 3 1T ). 2. Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết 2.1. Phản ứng hạt nhân - Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân này thành hạt nhân khác. - Phản ứng hạt nhân thường được chia làm hai loại: + Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với các hạt khác tạo ra các hạt nhân mới. + Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân mới. 2.2. Năng lượng liên kết a. Lực hạt nhân - Là lực tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân. Bản chất là lực tương tác mạnh. b. Độ hụt khối - Là độ chênh lệch giữa tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng m X của hạt nhân. m = [Z.m p + (A-Z).m n ] – m X c. Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng - Theo thuyết tương đối của Einstein (Anh-xtanh), một vật có khối lượng m thì cũng có năng lượng tương ứng là E và ngược lại: E = mc 2
Với c là tốc độ của ánh sáng trong chân không. - Một vật có khối lượng m 0 ở trạng thái nghỉ sẽ có năng lượng nghỉ E 0 = m 0 c 2 - Khi chuyển động vật có khối lượng m và năng lượng của vật khi đó gọi là năng lượng toàn phần + Khối lượng tương đối tính: 2 2 0 1 c v m m + Năng lượng toàn phần: 2mcE + Động năng của vật: 20)(cmmEEWOd d. Năng lượng liên kết - Là năng lượng tối thiểu dùng để tách toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân, được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số c 2 . E lk = mc 2 e. Năng lượng liên kết riêng - Đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. lk lkr E E A Hạt nhân có E lkr càng lớn thì càng bền vững và ngược lại. f. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân AA Z 1 1 + B22AZ → C33AZ + D44AZ - Định luật bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối A). A 1 + A 2 = A 3 + A 4 - Định luật bảo toàn điện tích. Z 1 + Z 2 = Z 3 + Z 4 - Định luật bảo toàn động lượng. ABCDpppp→→→→ - Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần. Năng lượng toàn phần bằng tổng năng lượng nghĩ và thế năng của hạt nhân. 2222 AdABdBCdCDdDmcWmcWmcWmcW - Trong phản ứng hạt nhân không có bảo toàn: khối lượng, số nơtron, năng lượng nghĩ..
*) Năng lượng của phản ứng hạt nhân: ΔE = (m t – m s )c 2 m t = m A + m B : tổng khối lượng của các hạt trước phản ứng. m s = m C + m D : tổng khối lượng của các hạt sau phản ứng. + Nếu ΔE > 0: phản ứng tỏa năng lượng. + Nếu ΔE < 0: phản ứng thu năng lượng. 2.3. Phản ứng phân hạch và tổng hợp hạt nhân Phân hạch hạt nhân Tổng hợp hạt nhân (Nhiệt hạch ) Hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron chậm vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn (trung bình: 50<A<160) Ví dụ: U23592 , Pu23994 , 2372519398,PuCf …. knZYXXn* Là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành hạt nhân nặng hơn. + Nếu k < 1: Phản ứng dây chuyền không tắt nhanh + Nếu k =1: Phản ứng dây chuyền có thể tự duy trì và công suất phát ra không đổi theo thời gian + Nếu k >1: Phản ứng dây chuyền có thể tự duy trì và công suất phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ Để đảm bảo cho k = 1 người ta dùng các thanh điều khiển chứa Bo hay Cd, là các chất có tác dụng hấp thụ nơtron + Xét trên cùng một khối lượng nhiên liệu thì năng lượng nhiệt hạch sinh ra lớn hơn phân hạch. + Năng lượng nhiệt hạch là quá trình tạo ra nguồn năng lượng vô tận cho cho mặt trời và các ngôi sao khác trên vũ trụ. Chế tạo bom H Điều kiện: - Nhiệt độ cao - Mật độ hạt nhân trong trạng thái plasma đủ lớn. - Thời gian duy trì trạng thái đủ lớn. 3. Hiện tượng phóng xạ 3.1. Định nghĩa - Là hiện tượng một hạt nhân không bền vững (hạt nhân mẹ) tự phát biến đổi thành một hạt nhân khác (hạt nhân con) đồng thời phát ra tia phóng xạ. - Phóng xạ là quá trình phóng xạ là ngẫu nhiên. Với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân rã của nó là không xác định. 3.2. Các dạng phóng xạ a. Phóng xạ alpha 44 22 AA ZZXYHe + Tia phóng xạ là hạt nhân 42He phóng ra từ hạt nhân mẹ + Có tốc độ khoảng 2.10 7 m/s. + Ion hoá mạnh môi trường vật chất, do đó nó chỉ đi được khoảng vài cm trong không khí và dễ dàng bị tờ giấy dày 1 mm chặn lại.
English