Tóm tắt lý thuyết và bài tập Vật lý hạt nhân
Gửi bởi: Thái Dương 22 tháng 3 2019 lúc 16:31:00 | Được cập nhật: 19 tháng 3 lúc 3:55:22 Kiểu file: PDF | Lượt xem: 414 | Lượt Download: 0 | File size: 0 Mb
Nội dung tài liệu
Tải xuống
Link tài liệu:
Các tài liệu liên quan
- Đề thi học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Ngọc Tảo, Hà Nội năm học 2015 - 2016
- Đề thi học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Thuận An, Thừa Thiên Huế năm học 2015 - 2016
- Đề thi học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Lê Hồng Phong, Đăk Lăk năm học 2015 - 2016
- Đề thi giữa học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Phan Ngọc Hiển, Cà Mau năm 2015 - 2016
- Đề thi học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Đông Du, TP.HCM năm học 2015 - 2016
- Đề thi học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Hà Huy Tập, Khánh Hòa năm 2015 - 2016
- Đề thi học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Đa Phúc, Hà Nội năm học 2016 - 2017
- Đề thi học kì 1 môn Vật lý lớp 12 trường THPT Châu Thành, Kiên Giang năm học 2015 - 2016
- Đề kiểm tra cuối kỳ môn vật lý lớp 12
- Đề luyện tập Chuyên đề 1: Dao động cơ
Có thể bạn quan tâm
Thông tin tài liệu
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
Biên soạn: Trương Văn Thanh
CHUYÊN ĐỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN
Phần I: TÓM TẮT LÝ THUYẾT
§ 1.CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
ĐỘ HỤT KHỐI
CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
I.
1.
Cấu hạt nhân nguyên tử
Hạt nhân được cấu tạo bởi hai loại hạt sơ cấp gọi là nuclon gồm:
Prôtôn: ki hiệu p11H
mp = 1,67262.10 27 kg , điện tích : +e .
Nơtrôn: kí hiệu n 01n ,
mn = 1,67493.10 27 kg , không mang điện tích
A
Z
1.1. Kí hiệu hạt nhân:
X
-
A= số nuctrôn : số khối
-
Z = số prôtôn = điện tích hạt nhân: nguyên tử số
-
N A Z : số nơtrôn
1
1.2. Bán kính hạt nhân nguyên tử:
R 1, 2 .1015 A3 (m)
2.Đồng vị
Những nguyên tử đồng vị là những nguyên tử có cùng số prôtôn ( Z ), nhưng khác số nơtrôn (N) hay số
nuclôn (A).
Ví dụ:
Hidrô có ba đồng vị
1
1
H ;
2
1
H ( 12 D) ;
3
1
H ( 31T )
+ đồng vị bền : trong thiên nhiên có khoảng 300 đồng vị loại này .
+ đồng vị phóng xạ ( không bền) : có khoảng vài nghìn đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo .
3.Đơn vị khối lượng nguyên tử
- u : có giá trị bằng 1/12 khối lượng đồng vị cacbon 126C
27
2
13
- 1u 1,66058.10 kg 931,5 MeV / c ; 1 MeV 1,6 .10 J
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
1
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
Biên soạn: Trương Văn Thanh
II. ĐỘ HỤT KHỐI – NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT CỦA HẠT NHÂN
1. Lực hạt nhân
- Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các nuclôn, bán kính tương tác khoảng 1015 m .
- Lực hạt nhân không cùng bản chất với lực hấp dẫn hay lực tĩnh điện; nó là lực mới truyền tương tác giữa các
nuclôn trong hạt nhân gọi là tương tác mạnh.
2. Độ hụt khối m của hạt nhân ZAX
Khối lượng hạt nhân mhn luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclôn tạo thành hạt nhân đó một lượng m .
m Z.mp ( A Z ).mN mhn
3. Năng lượng liên kết Wlk của hạt nhân ZAX
- Năng liên kêt Là năng lượng tỏa ra khi tạo thành một hạt nhân (hay năng lượng thu vào để phá vỡ một hạt
nhân thành các nuclôn riêng biệt).
o
Wlk J
Khi đơn vị của:
; mp mn mhn kg
Wlk Z.mp N.mn mhn . c 2 m . c 2
Thì
4.Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ZAX
- Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính trên một nuclôn
Wlk
.
A
- Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
§ 2. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
I.
- Phản ứng hạt là mọi quá trình dẫn tới sự biến đổi sự biến đổi của hạt nhân.
A1
Z1
X1 Z X2
A2
2
A3
Z3
X3 Z X4 hay A + B → C + D.
A4
4
- Có hai loại phản ứng hạt nhân
o
Phản ứng tự phân rã của một hạt nhân không bền thành các hạt nhân khác (phóng xạ)
o
Phản ứng tương tác giữa các hạt nhân với nhau dẫn đến sự biến đổi thành các hạt nhân khác.
Chú ý:
Các hạt thường gặp trong phản ứng hạt nhân
Prôtôn ( 11 p 11H ) ; Nơtrôn ( 01n ) ; Heli ( 24 He 24 ) ; Electrôn ( 10e ) ; Pôzitrôn ( 10e )
CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
II.
1.
Định luật bảo toàn số nuclôn (số khối A)
A1 A2 A3 A4
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
2
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
Biên soạn: Trương Văn Thanh
3.
Z1 Z2 Z3 Z4
Định luật bảo toàn điện tích (nguyên tử số Z)
Định luật bảo toàn động lượng:
Pt P s
4.
Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần Wt Ws
2.
Chú ý:
- Năng lượng toàn phần của một hạt nhân: gồm năng lượng nghỉ và năng lượng thông thường ( động năng)
1
W mc 2 mv2
2
- Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần có thể viết:
Wđ1 + Wđ2 + m1.c2 + m2.c2 = Wđ3 + Wđ4 + m3.c2 + m4.c2
- Liên hệ giữa động lượng và động năng
III.
P 2 2mWd
hay
Wd
P2
2m
NĂNG LƯỢNG TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
m0 = m1+m2 và m = m3 + m4
- Trong trường hợp m (kg ) ; W ( J ) :
W (m0 m)c 2 (m m0 )c 2 (J)
- Trong trường hợp m (u ) ; W ( MeV ) :
W (m0 m)931,5 (m m0 )931,5
o
Nếu m0 > m: W 0 : phản ứng tỏa năng lượng
o
Nếu m0 < m : W 0 : phản ứng thu năng lượng
§ 3. PHÓNG XẠ
I.
PHÓNG XẠ
Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền vững tự phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành các
hạt nhân khác.
II.
CÁC TIA PHÓNG XẠ
1.1 Các phương trình phóng xạ:
- Phóng xạ ( 24 He) : hạt nhân con lùi hai ô so với hạt nhân mẹ trong bảng tuần hoàn.
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
3
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
Biên soạn: Trương Văn Thanh
A
Z
A 4
Z 2
X He
4
2
Y
- Phóng xạ ( 10 e) : hạt nhân con tiến một ô so với hạt nhân mẹ trong bảng tuần hoàn.
A
Z
X 10e
A
Z 1
Y
- Phóng xạ ( 10 e) : hạt nhân con lùi một ô so với hạt nhân mẹ trong bảng tuần hoàn.
A
Z
- Phóng xạ :
A
Z
X 10e
A
Z 1
Y
X* 00 ZAX
1.2. Bản chất và tính chất của các loại tia phóng xạ
Loại Tia
Bản Chất
Tính Chất
()
o Là dòng hạt nhân nguyên tử Heli ( 24 He ),
chuyển động với vận tốc cỡ 2.107m/s.
(-)
o Là dòng hạt êlectron ( 10 e) , vận tốc c
( )
o Là dòng hạt êlectron dương (còn gọi là
pozitron) ( 10 e) , vận tốc c .
()
o Là bức xạ điện từ có năng lượng rất cao
+
o Ion hoá rất mạnh.
o Đâm xuyên yếu.
o Ion hoá yếu hơn nhưng
đâm xuyên mạnh hơn tia .
o Ion hoá yếu nhất, đâm
xuyên mạnh nhất.
CÁC ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ
III.
1.
Chu kì bán rã của chất phóng xạ (T)
Chu kì bán rã là thời gian để một nửa số hạt nhân hiện có của một lượng chất phóng xạ bị phân rã, biến đổi
thành hạt nhân khác.
2.
Hằng số phóng xạ
3.
Định luật phóng xạ
Số hạt (N)
ln 2
T
(đặc trưng cho từng loại chất phóng xạ)
Độ phóng xạ (H)
Khối lượng (m)
(1 Ci 3,7.1010 Bq)
Trong quá trình phân rã, số
Trong quá trình phân rã, - Đại lượng đặc trưng cho
hạt nhân phóng xạ giảm theo khối lượng hạt nhân phóng xạ tính phóng xạ mạnh hay yếu
thời gian tuân theo định luật giảm theo thời gian tuân theo của chất phóng xạ.
hàm số mũ.
định luật hàm số mũ.
- Số phân rã trong một giây.
N(t ) N0 . 2
t
T
N0 . e
t
m(t ) m0 . 2
t
T
m0 . e
t
H (t ) H 0 . 2
t
T
H 0 . e t
H N
o N0 : số hạt nhân phóng xạ
o m0 : khối lượng phóng xạ ở
o H0 : độ phóng xạ ở thời
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
4
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
ở thời điểm ban đầu.
thời điểm ban đầu.
o N ( t ) : số hạt nhân phóng xạ
điểm ban đầu.
o m(t ) : khối lượng phóng xạ
còn lại sau thời gian t .
công thức liên quan : n
Biên soạn: Trương Văn Thanh
o H (t ) : độ phóng xạ còn lại
còn lại sau thời gian t .
sau thời gian t .
m N
V
A N A 22,4
NA = 6,023.1023 nguyên tử/mol
ỨNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
IV.
- Theo dõi quá trình vận chuyển chất trong cây bằng phương pháp nguyên tử đánh dấu.
- Dùng phóng xạ tìm khuyết tật trong sản phẩm đúc, bảo quản thực phẩm, chữa bệnh ung thư …
- Xác định tuổi cổ vật.
§ 4. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH - PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH
I.
1.
Phản ứng phân hạch
Phản ứng phân hạch là một hạt nhân rất nặng như Urani ( 235
92U ) hấp thụ một nơtrôn chậm sẽ vỡ thành hai hạt
nhân trung bình, cùng với một vài nơtrôn mới sinh ra.
U 01n
235
92
2.
U
236
92
A1
Z1
X
A2
Z2
X k 01n 200MeV
Phản ứng phân hạch dây chuyền
Nếu sự phân hạch tiếp diễn liên tiếp thành một dây chuyền thì ta có phản ứng phân hạch dây chuyền, khi đó
số phân hạch tăng lên nhanh trong một thời gian ngắn và có năng lượng rất lớn được tỏa ra.
Điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền: xét số nơtrôn trung bình k sinh ra sau mỗi phản ứng phân hạch ( k
là hệ số nhân nơtrôn).
o
Nếu k 1 : thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra.
o
Nếu k 1 : thì phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra và điều khiển được.
o
Nếu k 1 : thì phản ứng dây chuyền xảy ra không điều khiển được.
o
Ngoài ra khối lượng
3.
Nhà điện nguyên từ
U phải đạt tới giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn mth .
235
92
Bộ phận chính của nhà máy điện hạt nhân là lò phản ứng hạt nhân.
PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
II.
1.
Phản ứng nhiệt hạch
Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
5
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
Biên soạn: Trương Văn Thanh
2
1
2.
H H H n 3, 25 Mev
2
1
3
2
1
0
Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch
- Nhiệt độ cao khoảng từ 50 triệu độ tới 100 triệu độ.
- Hỗn hợp nhiên liệu phải “giam hãm” trong một khoảng không gian rất nhỏ.
3.
Năng lượng nhiệt hạch
- Tuy một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch nhưng nếu tính theo khối lượng
nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn.
- Nhiên liệu nhiệt hạch có thể coi là vô tận trong thiên nhiên: đó là đơteri, triti rất nhiều trong nước sông và
biển.
- Về mặt sinh thái, phản ứng nhiệt hạch sạch so với phản ứng phân hạch vì không có bức xạ hay cặn bã phóng
xạ làm ô nhiễm môi trường.
Phần II: BÀI TẬP ÁP DỤNG
I. XÁC ĐỊNH CẤU TẠO HẠT NHÂN- ĐỘ HỤT KHỐI VÀ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT:
Loại 1 : Xác định cấu tạo hạt nhân, năng lượng liên kết hạt nhân:
Bài 1 : Xác định cấu tạo hạt nhân
+
238
92
U , 1123 Na , 24 He
U có cấu tạo gồm: Z=92 , A = 238 N = A – Z = 146
238
92
Đáp án:
238
92
U : 92 proton ; 146 nơtron
Z= 11 , A = 23 N = A – Z = 12
23
+ 11
Na gồm :
Đáp án:
:
23
11
11 proton ; 12 nơtron
Na :
Bài 2 : Khối lượng của hạt
Be là mBe = 10,01134u, khối lượng của nơtron là mN = 1,0087u, khối lượng của
proton là mP = 1,0073u. Tính độ hụt khối của hạt nhân 104 Be là bao nhiêu?
10
4
-
Xác định cấu tạo hạt nhân
-
Vận dụng công thức độ hụt khối :
10
4
Be có Z = 4proton, 6 notron
m Z.mp ( A Z ).mN mhn = 4.1,0073u + 6.1,0087u – 10,01134u
m = 0,069u
Đáp án: m = 0,069u
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
6
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
Biên soạn: Trương Văn Thanh
Bài 3: Hạt nhân đơteri D có khối lượng mD = 2,0136u, khối lượng của nơtron là mN = 1,0087u, khối lượng của
2
1
proton là mP = 1,0073u. Tính năng lượng liên kết của hạt nhân 12 D .
Xác định cấu tạo hạt nhân
2
1
D có Z = 1proton, N = 1 notron
Vận dụng công thức độ hụt khối từ đó tinh năng lương liên kết :
Wlk Z.mp N.mn mhn . 931,5 m . 931,5
Wlk = (1.1,0073+ 1.1,0087 – 2,0136).931,5
Đáp án:
Wlk = 2,23 MeV
Co có khối lượng mCo = 55,940u, khối lượng của nơtron là mN = 1,0087u, khối lượng của
proton là mP = 1,0073u. Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 2760Co .
Bài 4 : Hạt nhân
60
27
Tương tự :
Đáp án: Wlk = 70,5 MeV
Loại 2 : Tính năng lượng liên kết riêng và so sánh tính bền vững của các hạt nhân.
Bước 1:Tính năng lượng liên kết riêng bằng :
Wlk
MeV/nuclon.
A
Bước 2 : So sánh năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân với nhau : hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì
càng bền vững .
Chú ý : hạt nhân có số khối từ 50 – 70 trong bảng HTTH thường bền hơn các nguyên tử của các hạt nhân còn lại .
Bài 1: Hạt nhân
10
4 Be
có khối lượng 10,0135u. Khối lượng của nơtrôn (nơtron) mn = 1,0087u, khối lượng của
prôtôn (prôton) mP = 1,0073u, 1u = 931 MeV/c2. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 10 là
A. 0,6321 MeV.
B. 63,2152 MeV.
C. 6,3215 MeV.
10
4 Be
D. 632,1531 MeV.
Giải
-
Năng lượng liên kết của hạt nhân
10
4 Be
là :
Wlk = Δm.c2 = (4.mP +6.mn – mBe).c2 = 0,0679.c2 = 63,215 MeV.
-
Suy ra năng lượng liên kết riêng của hạt nhân
10
4 Be
là :
Wlk 63,125
6,3215 MeV/nuclôn.
A
10
Chọn đáp án : C.
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
7
Các bài giảng luyện thi môn Vật Lí 12.
Biên soạn: Trương Văn Thanh
Bài 2: Tính năng lượng liên kết hạt nhân Đơtêri
2
1D ?
Cho mp = 1,0073u, mn = 1,0087u, mD = 2,0136u; 1u = 931
MeV/c2.
A)
2,431 MeV.
B) 1,122 MeV.
C) 1,243 MeV.
D)2,234MeV.
Giải
-
Độ hụt khối của hạt nhân D :
Δm = ∑ mp + ∑ mn ─ mD = 1.mp +1.mn – mD = 0,0024 u
-
Năng lượng liên kết cảu hạt nhân D là :
Wlk = Δm.c2 = 0,0024.uc2 = 2,234 MeV .
Chọn đáp án D.
Bài 3 : Cho biết mα = 4,0015u; mO 15,999 u; mp 1,007276u , mn 1,008667 u . Hãy sắp xếp các hạt nhân
12
6C
,
16
8O
4
2 He ,
theo thứ tự tăng dần độ bền vững :
Câu trả lời đúng là:
A.
4
16
12
6 C , 2 He, 8 O .
C. 24 He,
12
6C
,
B.
16
8O .
12
6C
,
4
16
8 O , 2 He,
D. 24 He, 168 O , 126C .
Giải
-
Đề bài không cho khối lượng của 12C nhưng chú ý vì ở đây dùng đơn vị u, mà theo định nghĩa đon vị u bằng
1/12 khối lượng đồng vị 12C do đó có thể lấy khối lượng 12C là 12 u.
-
Suy ra năng lượng liên kết riêng của từng hạt nhân là :
He : Wlk = (2.mp + 2.mn – m α )c2 = 28,289366 MeV Wlk riêng = 7,0723 MeV / nuclon.
C : Wlk = (6.mp + 6.mn – mC )c2 = 89,057598 MeV Wlkriêng = 7,4215 MeV/ nuclon.
O : Wlk = (8.mp + 8.mn – mO )c2 = 119,674464 meV Wlk riêng = 7,4797 MeV/ nuclon.
Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. Vậy chiều bền vững hạt nhân tăng dần là : He
< C < O.
Chọn đáp án C.
Website http://truongthanh85.violet.vn. ĐT: 0974.810.957
8