Hệ thức Einstein giữa nănglượng và khối lượng – 123docz.net

8.2.4 Tăng tốc

Bạn Đang Xem: Hệ thức Einstein giữa nănglượng và khối lượng – 123docz.net

Chương 9

Phản ứng hạt nhân

9.1 Lực hạt nhân. Các khối bị thiếu. Năng lượng liên kết hạt nhân

A. Cấu trúc cốt lõi:

Hạt nhân nguyên tử cho thấy hạt nhân của một nguyên tử được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn gọi là nucleon. Có hai loại hạt nhân:

+ proton, ký hiệu p, mang điện tích nguyên tố dương +e. + Nơtron, kí hiệu n, không mang điện tích.

Ghi chú:

Nếu một nguyên tố được đánh số z trong Bảng tuần hoàn Mandela (z được gọi là số nguyên tử), thì nguyên tử của nó có z electron ở lớp vỏ ngoài cùng và hạt nhân của nguyên tử chứa z

Proton và nơtron. Vỏ electron mang điện tích -ze và hạt nhân mang điện tích +zen nên nguyên tử chẵn thường trung hòa về điện. Tổng a=z+n được gọi là số khối hay số khối.

Ký hiệu hạt nhân x: azx

Lực hạt nhân:

Các proton trong hạt nhân mang điện tích dương nên đẩy nhau. Nhưng hạt nhân vẫn bền vì các hạt nhân (gồm proton và neutron) được giữ với nhau bằng một lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân là lực mạnh nhất đã biết, nhưng nó chỉ tác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclon bằng hoặc nhỏ hơn độ lớn hạt nhân, tức là bán kính tác dụng của lực hạt nhân vào khoảng 10-15m.

Đồng vị:

Những nguyên tử có hạt nhân chứa cùng số proton nhưng khác nhau về số nơtron n (và do đó khác nhau về số khối a=z+n) được gọi là đồng vị (có cùng vị trí trong bảng tuần hoàn).

Hydro có 3 đồng vị: hydro thông thường (1

1h), đơteri hoặc đơteri (2

1h hoặc d), triti hoặc triti (3

1 giờ hoặc t).

Đơteri kết hợp với ôxy tạo thành nước nặng d2o, là nguyên liệu thô của công nghệ nguyên tử. Hầu hết các nguyên tố đều là hỗn hợp của nhiều đồng vị

Ví dụ: Cacbon có 4 đồng vị có số nơtron từ 5 đến 8 (a từ 11 đến 14), trong đó có 2 đồng vị

12

6 c và 136 c ổn định. Đồng vị 126 c chiếm 99% carbon tự nhiên.

Đơn vị khối lượng nguyên tử:

Trong vật lý nguyên tử và hạt nhân, người ta thường dùng một đơn vị khối lượng gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, ký hiệu là u, bằng 121 khối lượng của đồng vị phổ biến là nguyên tử cacbon 12

p>

1u= 1 12 12 na = 1,66058,10 −27 kg (9,1) Ý nghĩa:

Một nguyên tử có số khối a có khối lượng xấp xỉ bằng a, tính theo đơn vị u, vì hạt nhân của nó chứa các nucleon. Mol là đơn vị lượng vật chất trong hệ si (trước đây gọi là nguyên tử gam hay phân tử gam). Đối với các chất đơn nguyên tử, một mol chất là số nguyên tử natri.

9.1.2 Bỏ lỡ khối

Giả sử rằng các proton và neutron z ban đầu không bị giới hạn và đứng yên.

Tổng khối lượng của chúng là: m0 =zmp+n mn. trong đó mp và mn là khối lượng của proton và neutron.

Nếu lực hạt nhân liên kết các nucleon với nhau để tạo thành hạt nhân có khối lượng m, thì nó có đặc điểm là m nhỏ hơn m0 (không tồn tại định luật bảo toàn khối lượng).

Thương hiệu:

Δm=m0−m (9.2)

được gọi là bỏ lỡ khối.

Xem Thêm: Top 11 mẫu phân tích Hai đứa trẻ của Thạch Lam

9.1.3 Năng lượng liên kết hạt nhân

Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng liên kết các nuclôn với nhau để tạo thành hạt nhân nguyên tử.

Δe = (m0−m)c2 (9.3) được gọi là năng lượng liên kết.

Ghi chú:

Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng được giải phóng dưới dạng động năng hạt nhân hoặc năng lượng tia gamma.

Ngược lại, nếu bạn muốn phân hủy hạt nhân nguyên tử có khối lượng m thành các nuclon có tổng khối lượng m

m0 > m, thắng lực hạt nhân cần năng lượng ∆e = (m0 −m)c2. Năng lượng liên kết riêng: là năng lượng liên kết mỗi nucleon:

ε= e

Một (9,4)

Xem Thêm : Tiếng Việt lớp 4 trang 118 Mở rộng vốn từ Ý chí – Nghị lực

Năng lượng liên kết riêng càng cao thì hạt nhân càng bền vững.

9.2 Phản ứng hạt nhân. Năng lượng phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là sự tương tác giữa hai hạt nhân nguyên tử khiến chúng biến đổi thành các hạt khác.

Ví dụ: Hai hạt nhân a và b tương tác với nhau để trở thành hạt nhân c và

Phương trình của phản ứng này được viết là:

a+b →c+d (9.5)

Trong số các hạt này, có thể có những hạt đơn giản hơn hạt nhân (các hạt cơ bản như nucleon, electron, photon…)

Trong tự nhiên, ví dụ như trong bầu khí quyển bị tia vũ trụ bắn phá, phản ứng hạt nhân luôn xảy ra.

9.2.2 Định luật bảo toàn

A. Số nucleon (số khối a) được bảo toàn: proton có thể trở thành neutron và ngược lại, nhưng số nucleon ở vế trái và vế phải của phương trình (9.5) luôn bằng nhau. Bảo toàn số nuclon cũng chính là bảo toàn số khối a.

a1+a2 =a3+a4 (9,6)

Sự bảo toàn điện tích: Các hạt nhân trong phản ứng chỉ tương tác chứ không tương tác với các vật khác nên tạo thành hệ kín, cô lập về điện. Chúng ta biết rằng điện tích của một hệ kín là không đổi, nghĩa là tổng đại số của các điện tích không đổi. Tổng điện tích của các hạt ở vế trái và vế phải của phương trình (9.5) luôn bằng nhau.

z1+z2 =z3+z4 (9.7)

Sự bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng trong các hệ hạt tham gia phản ứng: Khi nghiên cứu thế giới vĩ mô, nghĩa là các vật thể rất lớn so với các phân tử và nguyên tử (chẳng hạn như những vật thể có thể nhìn thấy bằng mắt thường), chúng ta đã thấy năng lượng của các hệ kín và sự bảo toàn động lượng. Vật lý hạt nhân rút ra kết luận rằng hai định luật bảo toàn này áp dụng cho thế giới vi mô, nghĩa là cho các hệ nguyên tử, hạt nhân, v.v. khép kín. . .

9.2.3 Độ hụt khối của phản ứng hạt nhân. Năng lượng của phản ứng hạt nhân

A. Khiếm khuyết chất lượng của phản ứng hạt nhân

là độ chênh lệch khối lượng của các hạt nhân trước và sau phản ứng:

Phản ứng hạt nhân giải phóng và thu năng lượng

• Giả sử m <;m0. Hệ ban đầu có năng lượng nghỉ e0 = m0c2 và hệ sau có năng lượng nghỉ e = m c2. Năng lượng toàn phần được bảo toàn nên phản ứng phải toả năng lượng

Δe = (m0−m)c2, là động năng của các hạt c và d hoặc photon γ. m < m0 vì các hạt được tạo ra có sự thiếu hụt khối lượng lớn hơn các hạt ban đầu, tức là ổn định hơn.

Tổng khối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng của các hạt ban đầu, tức là phản ứng bền hơn là phản ứng tỏa nhiệt.

Δe = (m0−m)c2 (9,9)

•Ngược lại, nếu m > m0 thì > e0 thì phản ứng không thể tự xảy ra mà hạt a và b phải được cung cấp năng lượng w, chẳng hạn dạng động năng của a (đốt cháy a

Ở b).

Xem Thêm: Văn khấn cúng ông Công ông Táo 2022 đúng và chuẩn nhất

w lớn hơn Δe =e−e0, vì động năng của hạt sinh ra là wđ

w = e+wđ (9.10)

Một phản ứng hạt nhân tạo ra các hạt có tổng khối lượng lớn hơn hạt ban đầu (không ổn định) do đó là một phản ứng thu năng lượng.

9.3 Bức xạ. định luật phóng xạ. đồng vị phóng xạ. Ứng dụng của đồng vị phóng xạ

Sử dụng đồng vị phóng xạ

9.3.1 Phóng xạ

A. định nghĩa:

Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân tự phát ra bức xạ gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác.

Bản chất và đặc điểm của bức xạ:

Bức xạ là vô hình, nhưng nó có tác dụng vật lý và hóa học, chẳng hạn như ion hóa môi trường, làm tối kính hình ảnh, gây ra phản ứng hóa học, v.v., do đó bức xạ đi qua điện trường ở giữa. Với hai bản tụ điện, ta có thể xác định bản chất của bức xạ do các chất phóng xạ khác nhau phát ra. Có 3 loại bức xạ.

• Tia anpha: Bản chất của tia anpha là hạt nhân 4

2 anh ấy. Có các tính chất sau: + Bị lệch về cực âm của tụ điện (điện tích +2e).

+ Các hạt alpha bật ra khỏi hạt nhân với vận tốc khoảng 107m/s. + Nó làm ion hóa môi trường và mất dần năng lượng.

+ Tia anpha chỉ truyền được tối đa 8 cm trong không khí và không thể xuyên qua các tấm kính mỏng.

• Tia bêta: Có 2 loại: loại thông thường gồm các hạt bêta là điện tử nên tia bêta lệch về cực dương của tụ điện và lệch nhiều hơn tia anpha vì điện tử có ít hơn nhiều khối lượng hơn hạt alpha chất lượng của. Đồng vị 14

6c là carbon phóng xạ, phát ra tia

β-.

Một loại tia beta khác hiếm hơn bao gồm các hạt beta+, còn được gọi là positron hoặc positron vì chúng có cùng khối lượng với electron nhưng mang điện tích nguyên tố dương. Đồng vị 116 c cũng là carbon phóng xạ, nhưng phát ra tia beta+.

+ Các hạt beta được phóng ra với tốc độ rất cao, có thể gần bằng tốc độ ánh sáng.

+ Tia bêta cũng làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn tia anpha nên tia bêta có tầm xa hơn nhiều, lên tới hàng trăm mét trong không khí.

• Tia γ: ký hiệu γ, là một loại sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (dưới 0,01mm), đồng thời cũng là một loại phôtôn năng lượng cao, không bị lệch hướng trong điện trường và có khả năng xuyên thấu tốt. khả năng.Nó lớn và có thể xuyên qua Một lớp chì chứa đầy dm gây nguy hiểm cho con người. Mọi bức xạ đều có năng lượng (động năng của hạt, năng lượng của sóng điện từ) nên bức xạ tỏa ra năng lượng, một phần chuyển thành nhiệt làm nóng thùng chứa chất phóng xạ.

9.3.2 Định luật bức xạ

Phóng xạ do các nguyên nhân bên trong hạt nhân nguyên tử gây ra, hoàn toàn không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài. Cho dù các nguyên tử phóng xạ ở trong các hợp chất khác nhau, cho dù các chất phóng xạ có chịu áp suất hay nhiệt độ khác nhau thì chúng cũng không bị ảnh hưởng gì mà chỉ bị phân rã, tức là phát ra các tia phóng xạ, và tuân theo các định luật sau , được gọi là định luật phóng xạ.

Xem Thêm : Phân tích hình ảnh người anh hùng Nguyễn Huệ

A. Pháp lý:

Mỗi chất phóng xạ đều có một thời gian gọi là chu kỳ bán rã t, sau mỗi chu kỳ đó có 12 nguyên tử của chất đó biến đổi thành chất khác.

Công thức:

Gọi n0 là số nguyên tử ban đầu, và số nguyên tử còn lại sau thời gian phóng xạ là n, ta có: n = n0 2k trong đó: k = t t (9.11) hay: n = n0e−λt (9.12 ) trong đó: λ = ln 2 t = 0,693 t là hằng số phân rã (9.13)

Chú ý: Ta gọi m0 và m là khối lượng trước và sau khi phóng xạ hạt nhân, ta còn có:

m = m0

2k có: k = t

Cỏ khô:

m=m0e−λt (9.15)

9.3.3 Phóng xạ

A. định nghĩa:

Xem Thêm: “Từ ấy” của Tố Hữu

Độ phóng xạ h của một chất phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho độ phóng xạ của nó, được đo bằng số phân rã trong một giây.

Biểu thức: h =−dn dt =λn0e −λt =λn (9.16) hoặc: h =h0e−λt trong đó: h0 =λn0 (9.17) Đơn vị: phân rã/giây;

Chú ý: 1 phân rã/giây = 1bq; 1ci= 3.7.1010bq 9.3.4 Quy tắc dịch chuyển a. Phóng xạ α: α ≡ 4 2 he Phương trình phóng xạ: a zx → 4 2 he+a−4z−2×0 (9.18)

Kết luận: So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con nằm ở 2 ô cuối cùng trong bảng tuần hoàn và kém số khối 4 đơn vị.

Phóng xạ β−: β−≡0 −1 e

Phương trình phóng xạ:

A

zx →0−1 e+az+1×0 (9.19) Vậy lõi con sớm hơn lõi mẹ 1 ô và có cùng số khối.

Các nghiên cứu về bức xạ beta của bitmut cho thấy rằng năng lượng không được bảo toàn nếu phương trình phản ứng chỉ là (9.19). Năm 1933, nhà khoa học Thụy Sĩ Paul, tin chắc rằng định luật bảo toàn năng lượng là đúng ngay cả trong thế giới vi mô, đã đưa ra giả thuyết rằng một hạt khác, gọi là neutrino, ký hiệu ν, sẽ phát ra bức xạ beta. Hai mươi năm sau, các thí nghiệm đã xác nhận giả thuyết này. Neutrino không có điện tích, có khối lượng bằng không (hoặc cực nhỏ) và di chuyển với tốc độ ánh sáng, vì vậy chúng hầu như không tương tác với vật chất và rất khó phát hiện.

Bản chất của bức xạ beta là trong hạt nhân, một neutron trở thành một proton cộng với một electron và một neutrino:

n →p+e−+ν. (9.20)

Phóng xạ β+: β+ 0 +1 e

Phương trình phóng xạ:

zx →0

1 e+az−1×0 (9.21) nên lõi con nằm sau lõi mẹ 1 khối và có cùng khối lượng.

Bản chất của bức xạ β là trong hạt nhân, một proton trở thành một neutron cộng với một positron và một neutrino:

p→n+e++ν. (9.22)

Bức xạ gamma:

Hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích và chuyển từ mức năng lượng cao hơn e2

Giảm xuống mức năng lượng dưới e1, đồng thời phát ra một phôtôn có tần số f, tần số này được xác định bởi mối quan hệ sau:

e2−e1 = f h.

Vậy bức xạ gamma là bức xạ đi cùng với bức xạ alpha và beta, và bức xạ gamma không có sự biến đổi hạt nhân.

Hạt nhân nguyên tử cũng có những mức năng lượng nhất định, giống như các mức năng lượng của electron đã nghiên cứu trước đó, nhưng khoảng cách giữa các mức năng lượng của hạt nhân nguyên tử lớn hơn hàng triệu lần, nên do hạt photon do hạt nhân nguyên tử giải phóng có độ lớn rất cao. năng lượng (tần số rất cao) f (bước sóng rất ngắn)).

9.3.5 Ứng dụng của đồng vị phóng xạ

Các đồng vị phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo có nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống hàng ngày. Côban 60

Dò tia 27co – tia có sức đâm xuyên mạnh nên được dùng để tìm khuyết tật ở các bộ phận máy móc (phương pháp tương tự như chụp ảnh các bộ phận cơ thể bằng tia X), bảo quản thực phẩm (vì tia g diệt được vi khuẩn), chữa bệnh ung thư, v.v.

Tôi muốn theo dõi sự chuyển động của lân trong cây nên tôi đã cho một ít lân

P32 được chuyển hóa thành phân lân thông thường p31. Trong sinh lý thực vật, hai đồng vị này hoàn toàn tương đương nhau vì chúng có cùng lớp vỏ electron, nhưng đồng vị p32 là chất phóng xạ beta-, vì vậy chuyển động của nó rất dễ theo dõi, cũng như chuyển động của phốt pho. Nói chung. Đây là một phương pháp dán nhãn nguyên tử được sử dụng rộng rãi trong khoa học.

Khảo cổ học có một phương pháp rất chính xác để xác định tuổi của các di vật sinh học ban đầu, đó là phương pháp sử dụng carbon 14. Cacbon có 4 đồng vị: c12 (phổ biến nhất) và c13

Ổn định, c14 đang hoạt động ở phiên bản beta, c11 đang hoạt động ở phiên bản beta+. C14 được tạo ra trong khí quyển và thấm vào mọi thứ trên Trái đất. Nó có chu kỳ bán rã 5600 năm. Sự phân rã này được cân bằng với sự phát sinh, vì vậy mật độ c14 trong khí quyển không đổi trong hàng chục nghìn năm: 1 trong 1012 nguyên tử carbon là 14. Ở thực vật sống, quá trình diệp lục giữ lại tỷ lệ các thành phần cacbonat như trên. Nhưng nếu cây chết đi, nó không trao đổi gì với không khí nữa, c14 vẫn phân rã mà không bù đắp nên tốc độ của nó sẽ giảm, sau 5600 nó chỉ còn một nửa, độ phóng xạ h

Cây đã chết. Động vật ăn thực vật nên tỷ lệ c14 trong cơ thể cũng sẽ giảm sau khi chết. Do đó, xương động vật được tìm thấy tại địa điểm có thể được xác định niên đại bằng phương pháp này.

9.4 Phản ứng phân hạch. Phản ứng dây chuyền. Giới thiệu về lò phản ứng và nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân và lò phản ứng

9.4.1 Phản ứng phân hạch

Phân hạch là sự hấp thụ chậm nơtron bởi hạt nhân nguyên tử (loại rất nặng) rồi vỡ ra