I. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi những hạt nhỏ gọi là nuclôn. Có hai loại nuclôn:
- Prôtôn: kí hiệu $p,$ mang điện tích nguyên tố dương +e.
- Nơtron: kí hiệu $n,$ không mang điện.
+ Một nguyên tử hoặc hạt nhân $X$ được kí hiệu ${}_Z^AX.$
Với: $Z$ là số điện tích (số prôtôn) hay nguyên tử số.
$N$ là số nơtron.
Tổng số $A = Z + N$ à số khối.
II. Đồng vị
Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn Z nhưng có số nơtron N khác nhau gọi là đồng vị.
III. Đơn vị khối lượng nguyên tử
Đơn vị khối lượng nguyên tử, ký hiệu u, bằng $\frac{1}{2}$ khối lượng của đồng vị nguyên tử ${}_6^{12}C$. Vì vậy đơn vị này còn gọi là đơn vị Cacbon.
- Khối lượng của một nuclôn xấp xỉ 1u.
Một nguyên tử có số khối A thì có khối lượng xấp xỉ Au (chủ yếu tập trung ở hạt nhân).
IV. Lực hạt nhân
Các prôtôn trong hạt nhân mang điện dương nên đẩy nhau (lực Culông) nhưng hạt nhân vẫn bền vững vì các nuclôn được liên kết với nhau bởi các lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân.
Lực hạt nhân:
+ là lực truyền tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân.
+ rất lớn so với lực điện từ và lực hấp dẫn.
+ chỉ tác dụng trong kích thước của hạt nhân (khoảng $10^{-15} m$).
+ không phụ thuộc vào điện tích và khối lượng các nuclôn.
$ \Rightarrow $ Để tách các nuclôn ra, cần cung cấp năng lượng để thắng lực hạt nhân.
V. Độ hụt khối – Năng lượng liên kết
Khối lượng m của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng mo của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó. Người ta gọi hiệu số $\Delta m = {m_o} - m$là độ hụt khối của hạt nhân.
Hạt nhân ${}_Z^AX.$ khối lượng mX có độ hụt khối: $\Delta m = Z{m_p} + \left( {A - Z} \right){m_n} - {m_X}$
Năng lượng liên kết:
Vì năng lượng toàn phần được bảo toàn nên độ hụt khối m phải ứng với một lượng năng lượng tỏa ra, Wlk gọi là năng lượng liên kết.
+ Muốn phá vỡ hạt nhân thì phải tốn năng lượng $\Delta E = {W_{lk}} = \Delta m{c^2}$ để thắng lực hạt nhân.
+ Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho 1 nuclôn:
${W_{lkrieng}} = \frac{{{\Delta _{lk}}}}{A}$
Các hạt nhân khác nhau có năng lượng riêng khác nhau nên có độ bền vững khác nhau. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
VI. Sự phóng xạ
Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân tự phân rã, phóng ra tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Quá trình phân rã phóng xạ là quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.
1. Bản chất của tia phóng xạ
Cho tia phóng xạ đi qua điện trường giữa hai bản tụ điện, ta thấy có 3 loại tia phóng xạ.
2. Tia anpha ($\alpha $): là dòng các hạt nhân của nguyên tử Hêli ${}_2^4He$, mang hai điện tích dương.
+ Bị lệch trong điện trường.
+ Vận tốc khoảng 2.107 m/s.
+ Làm ion hóa các nguyên tử trên đường đi nên mất năng lượng nhanh và chỉ đi được tối đa 8 cm trong không khí.
+ Tính đâm xuyên yếu.
3. Tia bêta ($\beta $): gồm tia ${\beta ^ - }$ là dòng các electron mang điện tích âm và tia ${\beta ^ + }$ (hiếm hơn) là dòng các electron dương hay pôzitron.
+ Bị lệch nhiều trong điện trường hơn tia $\alpha $.
+ Vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.
+ Làm ion hóa môi trường yếu hơn tia $\alpha $ nên đi được quãng đường dài hơn (vài mét) trong không khí.
+ Tính đâm xuyên mạnh hơn tia $\alpha $.
Theo Pao-li, trong phân rã $\beta $ còn xuất hiện hạt nơtrinô và phản hạt nơtrinô: các hạt này không mang điện, khối lượng nghỉ bằng 0 và có tốc độ cỡ tốc độ ánh sáng).
4. Tia gamma ($\gamma $): là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn ($\lambda $< $10^{11} m$), là hạt phôtôn có năng lượng cao.
+ Phóng xạ gamma xảy ra khi hạt nhân con trong phóng xạ $\alpha $ hoặc $\beta $ ở trạng thái năng lượng kích thích chuyển về trạng thái năng lượng cơ bản.
+ Phóng xạ $\gamma $ thường xảy ra trong phản ứng hạt nhân.
+ Tia $\gamma $ không bị lệch trong điện trường, có tính đâm xuyên rất mạnh.
+ Trong thang sóng điện từ, tia $\gamma $ làm iôn hoá không khí mạnh nhất.
5. Định luật phóng xạ:
Quá trình phóng xạ
+ có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.
+ có tính tự phát và không điều khiển được, hoàn toàn không phụ thuộc vào tác động bên ngoài.
+ là một quá trình ngẫu nhiên. Với một hạt nhân phóng xạ cho trước, ta không thể xác định thời điểm phân rã của nó.
Định luật phóng xạ:
"Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một thời gian T gọi là chu kỳ bán rã, cứ sau mỗi chu kỳ này thì 1/2 số nguyên tử của chất ấy đã biến đổi thành chất khác".
VII. Phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.
Có hai loại phản ứng hạt nhân:
+ Phản ứng tự phân rã của một hạt nhân không bền thành các hạt khác.
Ví dụ: Phóng xạ.
+ Phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác với nhau, dẫn đến sự biến đổi chúng thành các hạt khác.
Ví dụ: Rơ –dơ- pho cho chùm hạt $\alpha $ bắn phá Nitơ, kết quả Nitơ bị phân rã và biến đổi thành ôxi và hidrô.
Phương trình tổng quát của phản ứng hạt nhân:
$A + B \to C + D$
Với $A, B$ là các hạt tương tác, còn $C, D$ là các hạt sản phẩm.
+ Phóng xạ là trường hợp riêng của phản ứng hạt nhân: hạt nhân mẹ X biến thành hạt nhân con Y và hạt $\alpha $ hoặc $\beta $.
X $ \to $ Y + $\alpha $ (hoặc $\beta $)
* Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
+ Bảo toàn số khối (số nuclôn): Tổng số nuclôn ở vế trái và vế phải của phương trình luôn luôn bằng nhau.
Giải thích: Trong phản ứng hạt nhân, một prôtôn chỉ có thể biến thành một nơtron và ngược lại nên tổng số prôtôn và nơtron không đổi.
+ Bảo toàn điện tích (nguyên tử số Z): Tổng điện tích (tổng nguyên tử số Z) của các hạt ở hai vế trái và vế phải của phương trình luôn luôn bằng nhau.
Giải thích: Vì các hạt tham gia phản ứng hạt nhân tạo thành hệ cô lập về điện nên điện tích của hệ không đổi.
+ Bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng của hệ các hạt tham gia phản ứng.
Cần lưu ý rằng không có định luật bảo toàn khối lượng (nghỉ) của hệ.
* Năng lượng trong phản ứng hạt nhân:
Sự hụt khối của từng hạt nhân kéo theo sự không bảo toàn khối lượng trong phản ứng hạt nhân.
+ Một phản ứng trong đó các hạt sinh ra có tổng khối lượng bé hơn các hạt ban đầu (nghĩa là bền vững hơn) là phản ứng tỏa năng lượng.
+ Một phản ứng sinh ra các hạt có tổng khối lượng lớn hơn các hạt ban đầu (kém bền vững) là phản ứng thu năng lượng.
VIII. Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng
* Sự phân hạch là hiện tượng một hạt nhân rất nặng hấp thụ một nơtron (đối với là nơtron chậm; nơtron chậm là nơtron có chuyển động nhiệt, động năng nhỏ hơn 0,1 eV) rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình.
${}_{92}^{235}U + {}_0^1n \to {}_Z^AX + {}_{Z'}^{A'}X + k{}_0^1n + 200MeV$
Phản ứng này sinh ra 2 hoặc 3 nơtron và tỏa năng lượng khoảng 200 MeV dưới dạng động năng của các hạt.
* Hệ số nhân nơtron - Phản ứng dây chuyền
Hệ số nhân nơtron s là số nơtron tiếp tục gây ra sự phân hạch (hay số nơtron trung bình còn lại sau mỗi phân hạch)
+ Nếu s > 1: hệ thống gọi là vượt hạn, ta không khống chế được (bom nguyên tử).
+ Nếu s = 1: hệ thống gọi là tới hạn, phản ứng dây chuyền tiếp diễn nhưng không tăng vọt , năng lượng tỏa ra không đổi, có thể kiểm soát được. Đây là chế độ hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân trong các nhà máy điện nguyên tử .
+ Nếu s < 1: hệ thống gọi là dưới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra được.
+ Mặt khác để có $s \geqslant 1$ thì khối lượng của khối chất hạt nhân phải đạt một giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn mh .
* Phản ứng nhiệt hạch
Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.
+ Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng 50 - 100 triệu độ, vì khi đó các hạt nhân nhẹ mới có động năng đủ lớn để thắng lực đẩy Culông và tiến gần nhau đến mức lực hạt nhân có tác dụng kết hợp chúng lại.
+ Phản ứng nhiệt hạt nhân trong vũ trụ: Người ta cho rằng chính các phản ứng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của mặt trời và các ngôi sao, trong đó có sự tạo thành hạt nhân Hêli từ các hạt nhân Hidrô.
+ Bom khinh khí cũng sử dụng phản ứng nhiệt hạch (nguyên liệu là đơteri và triti) dưới dạng không kiểm soát được.
Nếu ta điều khiển được phản ứng nhiệt hạt nhân làm cho nó diễn tiến chậm thì không gây ra sự nổ và có thể sử dụng năng lượng rất lớn tỏa ra vào mục đích hòa bình. Vì:
+ Tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng nhiều hơn phản ứng phân hạch.
+ Nhiên liệu nhiệt hạch hầu như vô tận.
+ Phản ứng nhiệt hạch “sạch” hơn phản ứng phân hạch vì ít có bức xạ và cặn bã phóng xạ
