Lý thuyết chương Hạt nhân nguyên tử

1. Lý thuyết Tính chất và cấu tạo của hạt nhân

2. Lý thuyết Năng lượng liên kết của hạt nhân. Phản ứng hạt nhân

3. Lý thuyết Phóng xạ

4. Lý thuyết Phản ứng phân hạch - Phản ứng nhiệt hạch

1. Lý thuyết Tính chất và cấu tạo của hạt nhân

I) Cấu tạo hạt nhân:

     - Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là prôtôn (p) mang điện tích (+e) và nơtron (n) không mang điện. Hai loại hạt này gọi chung là nuclôn.

     - Số prôtôn trong hạt nhân là Z, với Z là số thứ tự của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, được gọi là nguyên tử số. Khi ấy hạt nhân có điện tích là +Ze.

     Tổng số nuclôn trong hạt nhân là A, A được gọi là số khối. Khi đó số nơtron trong hạt nhân là A-Z.

     - Kí hiệu của hạt nhân: 

  - Đồng vị: là những hạt nhân có cùng số Z, nhưng khác số A. 

II) Khối lượng của hạt nhân:

     - Các hạt nhân có khối lượng rất lớn so với khối lượng của electrôn, vì vậy khối lượng nguyên tử gần như tập trung toàn bộ ở hạt nhân.

     - Để tiện tính toán khối lượng hạt nhân, người ta sử dụng đơn vị khối lượng nguyên tử ( đơn vị Cacbon), kí hiệu là u.

III) Năng lượng của hạt nhân:

  - Theo thuyết tương đối khi hạt nhân có khối lượng m sẽ chưa một năng lượng là

     E = mc² với c = 3.10⁸ (m/s) là vận tốc ánh sáng trong chân không.

     - Năng lượng tương ứng với khối lượng 1 u là

     E = uc² ≈ 931,5 (MeV)     (1J = 1,6.10^-19 eV = 1,6.10^-13 MeV)

     ↔ 1u ≈ 931,5 MeV/c² → MeV/c² cũng là một đơn vị đo khối lượng.

     Chú ý: theo thuyết tương đối một vật khi ở trạng thái nghỉ (v = 0) có khối lượng nghỉ là m₀ chứa năng lượng nghỉ E₀ = m₀c².

     Khi vật chuyển động với vật tốc v, vật sẽ có khối lượng là 

  Khi đó động năng của vật là W_đ = (m - m₀)c²

2. Lý thuyết Năng lượng liên kết của hạt nhân. Phản ứng hạt nhân

I) Lực hạt nhân

     - Khái niệm: các nuclôn trong hạt nhân hút nhau bằng một lực rất mạnh, gọi là lực hạt nhân, có tác dụng liên kết các nuclôn tạo nên hạt nhân bền vững.

     - Tính chất:

         +) Không cùng bản chất với với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn .

         +) Là lực tương tác mạnh

         +) Chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi cỡ kích thước hạt nhân ≈ 10^-15 m

II) Năng lượng liên kết của hạt nhân.

     - Độ hụt khối: Khối lượng của hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó.

     Độ chênh lệch giữa 2 khối lượng đó gọi là độ hụt khối (∆m) của hạt nhân: ∆m = (Z.m_p + (A - Z) m_n ) - m_X

     - Năng lượng liên kết W_lk: là năng lượng cần để liên kết các nuclôn để tạo thành một hạt nhân, hay năng lượng tỏa ra khi mọt hạt nhân tách thành các nuclôn riêng biệt.

     W_lk = [Z.m_p + (A - Z) m_n - m_X ] c² = ∆m.c²

     - Năng lượng liên kết riêng W_lkr: là đại lượng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân, W_lkr càng lớn hạt nhân càng bền vững.

     Những hạt nhân bền vững ở khoảng giữa của bảng tuần hoàn 50 < A < 80. W_lkr = W_lk/A

III) Phản ứng hạt nhân

     - Khái niệm: phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến biến đổi hạt nhân

     - Phân loại: gồm 2 loại

         +) Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình một hạt nhân không bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác. VD: phóng xạ.

     A → B + C

         +) Phản ứng hạt nhân kích thích: quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác. VD: phản ứng nhiệt hạch, phản ứng phân hạch.

     A + B → C + D