Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, năng lượng liên kết

1. Cấu tạo hạt nhân. Nuclôn

  • Cấu tạo
    • Hạt nhân được cấu tạo tử các hạt nhỏ hơn là nuclôn. Có hai loại nuclôn: 
      • prôtôn ( \(p\)) có \(m_p= 1,67262.10^{-27} kg\),mang điện tích dương là \(+e\)
      • nơtron (\(n\)) có , không mang điện.
    • Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong bản tuần hoàn Men-đê-lê-ép; Z được gọi là nguyên tử số.
    • Tổng số nuclôn trong hạt nhân được gọi là số khối, kí hiệu A. Như vậy số nơtron trong hạt nhân là: N = A - Z.
  • Kí hiệu hạt nhân
    • Hạt nhân nguyên tử của nguyên tố X được kí hiệu là \(_Z^AX\)

                      Ví dụ: \(_2^4He\) kí hiệu của hạt nhân heli (hạt α ) có Z = 2 prôtôn và N = A - Z = 4 - 2 = 2 nơtron.

Nhiều khi ta chỉ cần ghi số khối A, vì kí hiệu hóa học đã xác định được Z trong bảng tuần hoàn rồi. Chẳng hạn như hạt nhân    urani có kí hiệu \(^{238}U\) (vì đã biết urani có Z = 92 trong bản tuần hoàn), hoặc có thế kí hiệu \(U238\).

  • Kích thước hạt nhân

Có thể coi hạt nhân nguyên tử như một quả cầu có bán kính R. Bán kính R phụ thuộc vào số khối A theo công thức gần đúng sau

                       \(R = 1,2.10^{-15}A^{\frac{1}{3}} \ \ (m)\)

2. Đồng vị

  • Đồng vị là những nguyên tố mà hạt nhân chứa cùng số prôtôn Z (có cùng vị trí trong bảng tuần hoàn), nhưng có số nơtron N khác nhau.

                  Ví dụ: Hiđrô có 3 đồng vị là : hiđrô thường \(_1^1H\) ; đơteri \(_1^2H\) (hay \( _1^2D\)) và triti \(_1^3H\) (hay \( _1^3T\)).

                             Đơteri kết hợp với ooxxi thành nước nặng \(D_2O\), là nguyên liệu trong công nghệ nguyên tử.

  • Có 2 loại đồng vị: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ (không bền).

3. Khái niệm mol nguyên tử

  • 1 mol nguyên tử chứa \(N_A = 6,02.10^{23}\)hạt nhân nguyên tử 

=>   \(n\) mol nguyên tử chứa \(N = n.N_A\) hạt nhân nguyên tử.

  • \(n\) được gọi là số mol nguyên tử. Số mol nguyên tử được xác định như sau

                                                \(n = \frac{N}{N_A} = \frac{m}{A}\),

        trong đó: \(N\) số hạt nhân nguyên tử; \(N_A = 6,02.10^{23}\) (hạt/mol) là số A-vô-ga-đrô.

                         \(m\) là khối lượng của chất (g), \(A\) là khối lượng mol (g/mol) lấy gần đúng là số khối.

        Ở điều kiện tiêu chuẩn:  \(n = \frac{V}{22,4}\)(mol); \(V\) thể tích chất khí (lit)   

                                                 1 \(l\) = 1 dm3 = 1000 cm3 = \(\frac{1}{1000}m^3\).                  

4. Đơn vị khối lượng nguyên tử

  • Trong vật lí hạt nhân, khối lượng thường được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u.
    • Định nghĩa: u có giá trị bằng \(\frac{1}{12}\) khối lượng của đồng vị cacbon  \(_6^{12}C\) (vì vậy đơn vị này còn có tên khác là đơn vị cacbon): 

                                      \(1 u = \frac{1}{12} \frac{12}{6,022.10^{23}} g = 1,66055.10^{-27} kg.\)

                 Nói chung một nguyên tử có số khối A thì có khối lượng của nó xấp xỉ bằng A (u).

5. Năng lượng tương đối tính

  • Khối lượng tương đối tính:

                             ​ \(m = m_0 \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\),

         trong đó \(c\) là tốc độ ánh sáng, \(m\) là khối lượng tương đối tính của vật (khối lượng của vật khi chuyển động với vận tốc \(v\))

                      \(m_0\) là khối lượng nghỉ của vật khi nó đứng yên (\(v=0\)).

  • Năng lượng nghỉ là năng lượng của vật khi đứng yên: \(E_0 = m_0c^2\)
  • Năng lượng tương đối tính là năng lượng của vật khi chuyển động với vận tốc \(v\)

                               ​ \(E = mc^2 = m_0 c^2\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}\),

        Khi \(v \ll c\) (với các trường hợp trong cơ học cổ điển), hay \(\frac{v}{c} \ll 1\)

        ta có \(\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \approx 1 + \frac{1}{2}\frac{v^2}{c^2},\)suy ra \(mc^2 = m_0c^2 (1+\frac{1}{2}\frac{v^2}{c^2}) = m_0c^2 + \frac{1}{2}m_0v^2\)

=> Một vật có khối lượng nghỉ \(m_0\) chuyển động với tốc độ \(v\) sẽ có động năng bằng

                             \(W_{đ} = mc^2-m_0c^2 = (m-m_0)c^2 \)

hay                  

                             \(W_{đ}= m_0c^2(\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}-1)\)

  • Nhận xét: Dựa vào hệ thức Anh-xtanh \(E = mc^2\) => \(m = \frac{E}{c^2}\). Chứng tỏ rằng khối lượng còn có đơn vị khác là (năng lượng/ c2 hay MeV/c2).

                                        \(1 u = 931,5 MeV/c^2\)

6. Năng lượng liên kết

  • Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là lực hút, gọi là lực hạt nhân, để liên kết các nuclôn với nhau. Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện, nó không phụ thuộc vào điện tích của nuclôn. So với lực tĩnh điện thì lực điện từ và lực hấp dẫn, lực hạt nhân có cường độ rất lớn (còn gọi là lực tương tác mạnh).
  • Độ hụt khối. Năng lượng liên kết
    • Độ hụt khối
      • Các phép đo chính xác đã chứng tỏ rằng, khối lượng \(m\) của hạt nhân \(_Z^AX\) bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng của tất cả các hạt nuclôn tạo thành hạt nhân một lượng là \(\Delta m\) : 

                                          \(\Delta m = [Zm_p+(A-Z)m_n]-m\)

                      \(\Delta m\) được gọi là độ hụt khối.

  •  
    • Năng lượng liên kết

         Theo thuyết tương đối, hệ các nuclôn khi chưa liên kết thành hạt nhân có năng lượng là \(E _0= [Zm_p+(A-Z)m_n]c^2\)

         Còn năng lượng của hạt nhân đươc tạo từ các nuclôn đó lại là \(E = mc^2\)

          Suy ra, năng lượng \(W_{lk} = E_0-E = \Delta m c^2 \) được tỏa ra khi hệ các nuclôn kết hợp thành hạt nhân. Ngược lại, nếu muốn tách hạt nhân đó thành các nuclôn riêng rẽ thì phải tốn năng lượng \(W_{lk} = \Delta m c^2\)  để thằng lực liên kết. Vì vật đại lượng

                                          \(W_{lk} = \Delta m c^2\)

                        \(W_{lk}\) được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân.

  •  
    • Năng lượng liên kết riêng
      • được xác định là \(\frac{W_{lk}}{A}\), là năng lượng liên kết tính cho mỗi nuclôn, đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân.
      • hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. Đối với hạt nhân có số khối khoảng từ 50 đến 70, năng lượng liên kết riêng của chúng là lớn nhất, vào cỡ 8,8 MeV/nuclôn. 

                        Ví dụ: Sắt (Fe) có số khối A = 56, năng lượng liên kết riêng lớn, hạt nhân rất bền vững.

  

 

 

Hỏi đáp

Hỏi đáp, trao đổi bài Gửi câu hỏi cho chủ đề này
Luyện trắc nghiệm Trao đổi bài

Tài trợ


Tính năng này đang được xây dựng...