Chuyên đề 2: Vật lí hạt nhân

Chuyeân ñeà 2: VAÄT LYÙ HAÏT NHAÂN CAÁU TAÏO HAÏT NHAÂN NGUYEÂN TÖÛ: * Theo Rutherford, nguyeân töû raát nhoû coù ñöôøng kính khoaûng 10-8m bao goàm moät haït nhaân ôû giöõa, xung quanh coù caùc electron * Haït nhaân coù kích thöôùc raát nhoû (khoaûng 10-14m ñeán 10-15m) ñöôïc caáu taïo töø caùc haït nhoû hôn goïi laø nuclon. * Coù 2 loaïi nuclon: - Proton: kyù hieäu p mang ñieän tích nguyeân toá +e, khoái löôïng mp = 1,67263.10-27kg lôùn hôn khoái löôïng electron khoaûng 1840 laàn - Nôtron: kyù hieäu n, khoâng mang ñieän tích, khoái löôïng mn = 1,67494.10-27kg * Neáu moät nguyeân toá coù soá thöù töï Z trong baûng tuaàn hoaøn Mendeleev (Z goïi laø nguyeân töû soá) thì nguyeân töû cuûa noù seõ coù Z electron ôû voû ngoaøi haït nhaân cuûa nguyeân töû aáy chöùa Z proton vaø N nôtron. * Voû electron coù ñieän tích –Ze Haït nhaân coù ñieän tích +Ze Nguyeân töû ôû ñieàu kieän bình thöôøng laø trung hoøa veà ñieän * Soá nuclon trong moät haït nhaân laø: A = Z + N A: goïi laø khoái löôïng soá hoaëc soá khoái löôïng nguyeân töû * Ví duï: - Nguyeân töû Hydro: coù Z = 1, coù 1e- ôû voû ngoaøi haït nhaân coù 1 proton vaø khoâng coù nôtron, soá khoái A=1 - Nguyeân töû Carbon coù Z = 6, coù 6e- ôû voû ngoaøi, haït nhaân coù 6 proton vaø nôtron, soá khoái A=Z+N=12 - Nguyeân töû natri coù Z = 11, coù 11e- ôû voû ngoaøi, haït nhaân coù chöùa 11 proton vaø 12 nôtron. Soá khoái: A = Z + N = 11 + 12 = 23 * Moät nguyeân töû hoaëc haït nhaân cuûa noù ñöôïc kí hieäu baèng caùch ghi beân caïnh kí hieäu hoùa hoïc: nguyeân töû soá (ôû phía tröôùc) vaø soá khoái ôû phía treân. Ví duï: 1H, 12C, 23 11 LÖÏC HAÏT NHAÂN: * Maëc duø haït nhaân nguyeân töû ñöôïc caáu taïo töø caùc haït mang ñieän cuøng daáu hoaëc khoâng mang ñieän nhöng laïi khaù beàn vöõng. * Do ñoù löïc lieân keát giöõa chuùng coù baûn chaát khaùc vôùi troïng löïc, löïc ñieän, löïc töø ñoàng thôøi phaûi raát maïnh so vôùi caùc löïc ñoù. * Löïc lieân keát naøy goïi laø löïc haït nhaân. * Löïc haït nhaân chæ maïnh khi khoaûng caùch giöõa 2 nuclon baèng hoaëc nhoû hôn kích thöôùc cuûa haït nhaân côõ 10-13m goïi laø baùn kính taùc duïng cuûa löïc haït nhaân. ÑOÀNG VÒ: * Caùc nguyeân töû maø haït nhaân coù cuøng soá proton Z nhöng coù soá nôtron N khaùc nhau goïi laø ñoàng vò Ví duï: - Hydro coù 3 ñoàng vò: 1H, 2 H, H3 * Caùc ñoàng vò coù cuøng soá electron neân chuùng coù cuøng tính chaát hoùa hoïc ÑÔN VÒ KHOÁI LÖÔÏNG NGUYEÂN TÖÛ * Ñôn vò khoái löôïng nguyeân töû (kyù hieäu laø u) baèng 12 khoái löôïng nguyeân töû cuûa ñoàng vò phoå bieán 12C, do ñoù ñoâi khi ñôn vò naøy coøn goïi laø ñôn vò carbon HIEÄN TÖÔÏNG PHOÙNG XAÏ: a. Hieän töôïng phoùng xaï * Phoùng xaï laø hieän töôïng haït nhaân nguyeân töû töï ñoäng phoùng ra nhöõng böùc xaï vaø bieán ñoåi thaønh haït nhaân khaùc * Nhöõng böùc xaï ñoù goïi laø tia phoùng xaï, tia phoùng xaï khoâng nhìn thaáy ñöôïc nhöng coù theå phaùt hieän ra chuùng do coù khaû naêng laøm ñen kính aûnh, ion hoùa caùc chaát, bò leäch trong ñieän tröôøng vaø töø tröôøng… b. Ñaëc ñieåm cuûa hieän töôïng phoùng xaï: * Hieän töôïng phoùng xaï hoaøn toaøn do caùc nguyeân nhaân beân trong haït nhaân gaây ra, hoaøn toaøn khoâng phuï thuoäc vaøo taùc ñoäng beân ngoaøi. * Duø nguyeân töû phoùng xaï coù naèm trong caùc hôïp chaát khaùc nhau, duø chaát phoùng xaï chòu aùp suaát hay nhieät ñoä khaùc nhau… thì moïi taùc ñoäng ñoù ñeàu khoâng gaây aûnh höôûng ñeán quaù trình phoùng xaï cuûa haït nhaân nguyeân töû. BAÛN CHAÁT VAØ TÍNH CHAÁT CUÛA CAÙC TIA PHOÙNG XAÏ: a. Tia alpha: * Kí hieäu α, baûn chaát laø haït nhaân 4 He * Bò leäch veà baûn aâm cuûa tuï ñieän mang ñieän tích +2e * Vaän toác chuøm tia α: 107m/s * Coù khaû naêng gaây ra söï ion hoùa chaát khí Trang 1 * Khaû naêng ñaâm xuyeân yeáu, ñöôïc toái ña 8cm trong khoâng khí b. Tia beâta: goàm 2 loaïi: - Tia β− * Kí hieäu β− * Bò leäch veà baûn döông cuûa tuï ñieän * Thöïc chaát laø doøng caùc electron - Tia β+ * Kí hieäu β+ * Bò leäch veà baûn aâm cuûa tuï ñieän * Thöïc chaát laø chuøm haït coù khoái löôïng nhö electron nhöng mang ñieän tích +e goïi laø positron. * Caùc haït ñöôïc phoùng xaï vôùi vaän toác gaàn baèng vaän toác aùnh saùng * Coù khaû naêng ion hoùa chaát khí yeáu hôn tia α * Coù khaû naêng ñaâm xuyeân maïnh hôn tia α, coù theå ñi ñöôïc haøng traêm meùt trong khoâng khí c. Tia gamma: * Kyù hieäu γ * Khoâng bò leäch trong ñieän tröôøng vaø töø tröôøng * Baûn chaát laø soùng ñieän töø coù böôùc soùng raát ngaén * Ñaây laø chuøm photon coù naêng löôïng cao, coù khaû naêng ñaâm xuyeân lôùn coù theå ñi qua moät lôùp chì daøy haøng domestic vaø nguy hieåm cho ngöôøi * Coù moïi tính chaát nhö tia Rônghen. ÑÒNH LUAÄT PHOÙNG XAÏ * Moãi chaát phoùng xaï ñöôïc ñaëc tröng bôûi moät thôøi gian T goïi laø chu kyø baùn raõ. Cöù sau moãi chu kì thì 2 soá nguyeân töû cuûa chaát aáy ñaõ bieán ñoåi thaønh chaát khaùc. * Goïi N0, m0: laø soá nguyeân töû vaø khoái löôïng ban ñaàu cuûa khoái löôïng phoùng xaï. Goïi N, m: laø soá nguyeân töû vaø khoái löôïng ôû thôøi ñieåm t. Ta coù: N=N0e−λt = N0 m=m0e−λt = m0 K : laø soá chu kyø baùn raõ trong khoaûng thôøi gian t Trang 2 λ: laø soá phoùng xaï λ= ln2 = 0,693 T: laø chu kyø baùn raõ ÑOÄ PHOÙNG XAÏ: * Ñoä phoùng xaï H cuûa moät löôïng chaát phoùng xaï laø ñaïi löôïng ñaëc tröng cho tính phoùng xaï maïnh hay yeáu ñöôïc ño baèng soá phaân raõ trong 1 giaây. * Ñôn vò laø Becqueren (Bq) hoaëc Curie (Ci) 1 Bq laø phaân raõ trong 1 giaây 1 Ci = 3,7.1010Bq * Ñoä phoùng xaï: H = λN = λN0e−λt = H0e−λt H0 = λN0 laø ñoä phoùng xaï ban ñaàu ÑÒNH NGHÓA PHAÛN ÖÙNG HAÏT NHAÂN * Phaûn öùng haït nhaân laø töông taùc giöõa hai haït nhaân daãn ñeán söï bieán ñoåi cuûa chuùng thaønh caùc haït khaùc theo sô ñoà: A + B → C + D Trong ñoù: A vaø B laø hai haït nhaân töông taùc vôùi nhau. C vaø D laø hai haït nhaân môùi ñöôïc taïo thaønh - Soá haït nhaân tröôùc vaø sau phaûn öùng coù theå nhieàu hoaëc ít hôn 2 - Soá haït ôû 2 veá coù theå laø haït sô caáp nhö electron (+0e− ),(+0e+ ), proton(1H) , nôtron (1n), photon (γ) … Löu yù: - Söï phoùng xaï laø tröôøng hôïp rieâng cuûa phaûn öùng haït nhaân ñoù laø quaù trình bieán ñoåi haït nhaân nguyeân töû naøy thaønh haït nhaân nguyeân töû khaùc. - Phöông trình phaûn öùng: A → B + C A: haït nhaân meï B: neáu laø haït nhaân môùi thì goïi laø haït nhaân con C: haït α hoaëc β 238 92 → α+ 234Th CAÙC ÑÒNH LUAÄT BAÛO TOAØN TRONG PHAÛN ÖÙNG HAÏT NHAÂN a. Ñònh luaät baûo toaøn soá Nuclon (soá khoái A): Toång soá nuclon cuûa caùc haït nhaân tröôùc phaûn öùng vaø sau phaûn öùng bao giôø cuõng baèng nhau: Aa + Ab = Ac + Ad Trang 3 b. Ñònh luaät baûo toaøn ñieän tích nguyeân töû soá Z) Toång ñieän tích cuûa caùc haït tröôùc vaø sau phaûn öùng bao giôø cuõng baèng nhau: Za + Zb = Zc + Zd Ví duï: 4 He + 27 Al → 30 P + 1n c. Ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng vaø baûo toaøn ñoäng löôïng: * Hai ñònh luaät naøy vaãn ñuùng cho heä caùc haït tham gia vaø phaûn öùng haït nhaân. Trong phaûn öùng haït nhaân, naêng löôïng vaø ñoäng löôïng ñöôïc baûo toaøn * Löu yù : Khoâng coù ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng cuûa heä CAÙC QUY TAÉC DÒCH CHUYEÅN CUÛA PHOÙNG XAÏ AÙp duïng caùc ñònh luaät baûo toaøn soá nuclon vaø baûo toaøn ñieän tích vaø quaù trình phoùng xaï ta thu ñöôïc caùc quy taéc dòch chuyeån sau: a. Phoùng xaï α (4 He): A X → 4 He + A 4 X So vôùi haït nhaân meï, haït nhaân con ôû vò trí luøi 2 oâ trong baûng tuaàn hoaøn vaø coù soá khoái nhoû hôn 4 ñôn vò. Ví duï: 226 88 a → 4 He + 222 86 n b. Phoùng xaï β (−0e− ): A X → −1e− − Z+ Y + γ * So vôùi haït nhaân meï, haït nhaân con ôû vò trí tieán 1 oâ vaø coù cuøng soá khoái. Ví duï: 210 83 → 0 − −1 + 210 P +γ * Thöïc chaát cuûa phoùng xaï β− laø trong haït nhaân 1 nôtron (n) bieán thaønh 1 proâton (p) coäng vôùi 1 electron (e-) vaø phaûn neutrio (γ) n → p + e + γ (Neutrino laø haït nhaân khoâng mang ñieän, soá khoái A = 0, chuyeån ñoäng vôùi vaän toác aùnh saùng) c. Phoùng xaï β+ (−0e+ ): A X → −1e+ + Z−1Y + γ * So vôùi haït nhaân meï, haït nhaân con ôû vò trí luøi 1 oâ vaø coù cuøng soá khoái. Ví duï: 30 15 → 0 + −1 + 30Si+γ * Thöïc chaát cuûa söï phoùng xaï β+ laø söï bieán ñoåi cuûa proâton (p) thaønh neutron (n) coäng vôùi 1 prsitron (e) vaø 1 nueutrino. p → n + e+ + γ d. Phoùng xaï γ: * Phoùng xaï photon coù naêng löôïng: hf = E2 – E1 (E2 > E1) Trang 4 ... - tailieumienphi.vn