VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ VŨ TRỤ
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
IX.1: CẤU TẠO HẠT NHÂN
ÜKích thước: từ 10[SUP]-14 [/SUP]đến 10[SUP]-15[/SUP]m (nhỏ hơn kích thước nguyên tử khoảng từ 10 ngàn đến 100 ngàn lần)
ÜThành phần: gồm hai loại nuclon:
- Prôton mang điện tích nguyên tố dương e=+1,6.10[SUP]-19[/SUP]C (cùng giá trị với điện tích electron nhưng trái dấu). Kí hiệu là p
- Nơtron không mang điện. Kí hiệu n
ÜMột nguyên tử X ở trạng thái trung hoà, hạt nhân có N nơtron và Z prôton (tương ứng với Z electron ở vỏ) sẽ có số khối là A=Z+N và được kí hiệu là
VD1: :nguyên tử Hidro, nguyên tử số Z=1 (đứng đầu bảng tuần hoàn), số khối A=1, hạt nhân có Z=1 p và N=A-Z=0 n
VD2: :nguyên tử Natri, nguyên tử số Z=11 (xếp thứ 11 trong bảng tuần hoàn), số khối A=23, hạt nhân có Z=11 p và N=A-Z=12 n
ÜDù được cấu tạo từ các hạt mang điện dương p (đẩy nhau) và các hạt trung hoà n, nhưng đa số hạt nhân rất bền vững nhờ một loại lực liên kết siêu mạnh gọi là lực hạt nhân (có bán kính tác dụng rất ngắn, khoảng 10[SUP]-15[/SUP]m)
ÜCác nguyên tử có cùng nguyên tử số Z nhưng có số khối khác nhau (do số N khác nhau) gọi là các đồng vị (cùng vị trí trong bảng tuần hoàn)
VD: Hidro có 3 đồng vị:
- Hidro thường, kết hợp với oxy thành nước thường H[SUB]2[/SUB]O
- Hidro nặng, thường kí hiệu D (đơtri), kết hợp với oxy thành nước nặng D[SUB]2[/SUB]O
- Hidro siêu nặng, thường kí hiệu T (triti), thời gian sống chỉ khoảng 10 năm
Các loại hidro này có số n ở hạt nhân lần lượt là 0, 1, 2
Hầu hết các nguyên tố đều có đồng vị, có một số đồng vị có tính phóng xạ được ứng dụng trong công nghệ hạt nhân (điều trị ung thư, nhà máy điện nguyên tử…)
ÜĐ
X.3: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Ü Phản ứng hạt nhân là sự tương tác giữa các hạt nhân, dẫn tới sự biến đổi của chúng thành các hạt khác:
(A,B là các hạt trước phản ứng; X,Y là các hạt sau phản ứng).
Ü Phản ứng hạt nhân tuân theo các định luật bảo toàn số nuclon A, điện tích Z, năng lượng E và động lượng
VD1: khi kết hợp với hạt nhân Hêli (hay hạt α) nhôm biến thành photpho và giải phóng 1 nơtron, tổng số khối và điện tích trước và sau phản ứng bằng nhau
là chất phóng xạ beta cộng tự biến đổi thành silic và một pozitron
IX.4: NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN
ÜTrong các phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng các nuclon:
+ Trước khi liên kết m[SUB]0[/SUB]=Zm[SUB]p[/SUB]+Nm[SUB]n[/SUB] trong đó Z và N là số p và n
+ Sau khi liên kết là m ≠ m[SUB]0 [/SUB]
Điều đó cho thấy một phần khối lượng (gọi là độ hụt khối Dm=m[SUB]0[/SUB]-m) đã biến thành năng lượng toả ra (nếu Dm>0) hoặc là năng lượng cần cung cấp để liên kết các nuclon thành hạt nhân (nếu Dm<0): W[SUB]lk[/SUB]=Dmc[SUP]2[/SUP] (gọi là năng lượng liên kết).
Tỉ số gọi là năng lượng liên kết riêng (A là số khối). Tỉ số này càng lớn thì hạt nhân càng bền vững (các nguyên tố nằm ở khoảng giữa bảng tuần hoàn). Tỉ số này càng nhỏ thì hạt nhân càng kém bền (các nguyên tố nằm ở khoảng đầu và cuối bảng tuần hoàn)
ÜBa loại phản ứng hạt nhân toả năng lượng:
1. Phản ứng phân hạch (phân chia hạt nhân): hiện tượng phân hạch xảy ra khi một hạt nhân rất nặng . Điều kiện để có phản ứng dây chuyền là hay khối lượng chất phóng xạ phải đạt khối lượng tới hạn (số hạt nhân đủ nhiều)
+ Nếu k<1: dưới hạn - phản ứng dây chuyền không xảy ra
+ Nếu k=1: tới hạn - phản ứng dây chuyền xảy ra nhưng kiểm soát được ( trong nhà máy điện nguyên tử, dùng thanh điều khiển chứa bo hay cadimi để hấp thụ bớt nơtron không để vượt hạn)
+Nếu k>1: phản ứng không kiểm soát được gây ra vụ nổ hạt nhân (bom A) (khi khối Urani đạt và vượt khối lượng tới hạn)
2. Phản ứng nhiệt hạch (kết hợp hạt nhân trong điều kiện nhiệt độ rất cao từ triệu độ): hai hạt nhân rất nhẹ kết hợp thành hạt nhân nặng hơn. VD: nếu so sánh cùng khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch cho năng lượng cao hơn. Đây là một trong số các phản ứng duy trì nguồn nhiệt cho mặt trời và các vì sao
Phản ứng này hiện nay chưa kiểm soát được để tạo nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống (dù nguyên liệu cho phản ứng có sẵn trong tự nhiên và rất dồi dào, đó là nước nặng)
3. Phóng xạ
IX.2: HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ
ÜHiện tượng phóng xạ là hiện tượng 1 hạt nhân tự động phóng ra những bức xạ không nhìn thấy gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. VD: Ra226 phóng xạ biến thành Rn222 và phát ra tia α (là hạt nhân của Hêli
Hiện tượng diễn ra do các nguyên nhân bên trong hạt nhân, hoàn toàn không phụ thuộc các yếu tố bên ngoài như áp suất, nhiệt độ…(không thể dừng được hiện tượng phóng xạ). Phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên: thời điểm phân hủy của một hạt nhân là không xác định nên chỉ có thể khảo sát sự biến đổi thống kê của một số lớn hạt nhân
ÜCó ba loại tia phóng xạ:
+ Tia alpha (hay hạt α): mang điện tích dương +2e, có khối lượng lớn nhất trong 3 loại tia, là hạt nhân nguyên tử hêli chuyển động với tốc độ cỡ 20000km/s, đi được vài cm trong không khí, vài micromet trong vật rắn
+ Tia bêta: có hai loại:
Ngoài ra trong 1 số bài toán chỉ cần dùng công thức hoặc khi cần tìm số nguyên tử hoặc khối lượng sau thời gian k lần chu kì bán rã (t=kT) ()
VD: Ra226 có T=10[SUP]-6[/SUP]s, suy ra λ≈693000/s
Ü Các quy tắc dịch chuyển trong sự phóng xạ Ü Ngoài các phản ứng hạt nhân tự nhiên, con người còn tạo ra các phản ứng hạt nhân nhân tạo phục vụ cho nghiên cứu khoa học (như phương pháp nguyên tử đánh dấu bằng cách cho 1 lượng rất nhỏ đồng vị phóng xạ P32 vào phân lân dùng máy dò phóng xạ có thể biết phân lân tới các bộ phận nào của cây), y học (như Co60 dùng điều trị ung thư bằng pp xạ trị), năng lượng hạt nhân…
Ü Trong khí quyển Khi sinh vật chết, quá trình hấp thụ ngưng lại, nhưng quá trình phân rã vẫn tiếp tục nên tỉ lệ này thay đổi. So sánh tỉ lệ này cho phép xác định thời gian từ lúc loài thực vật chết đến nay.
IX.5: HẠT SƠ CẤP
Ü Các hạt vi mô có kích thước cỡ hạt nhân trở xuống gọi là hạt sơ cấp
Ü Hạt sơ cấp được phân loại dựa vào khối lượng hoặc đặc tính tương tác, nếu dựa vào khối lượng có thể chia thành 3 loại:
a. Photon: không có khối lượng nghỉ
b. Lepton (các hạt nhẹ) có khối lượng từ gần bằng 0 đến 200m[SUB]e[/SUB]: nơtrino, electron, pozitron, mêzon m.
c. Hadron: khối lượng trên 200m[SUB]e[/SUB] chia thành 3 nhóm:
- Mêzon p, K có khối lượng trên 200m[SUB]e[/SUB]
- Nuclon: p, n
- Hiperon: khối lượng lớn hơn nuclon
Hai nhóm nuclon và hiperon còn có tên chung là barion
IX.5: CẤU TẠO VŨ TRỤ
Ü Vũ trụ được hình thành từ Vụ nổ lớn (Big Bang) là khoảng chân không rộng lớn gần như vô tận, bên trong chứa vô số thiên hà và các quasar
Ü Quasar là cấu trúc vật chất đặc biệt phát xạ rất mạnh sóng vô tuyến và tia X
Ü Thiên hà thường tập hợp thành đám, Ngân hà là tên gọi thiên hà ta đang sống, có cấu trúc dạng xoắn ốc, đường kính khoảng 100 ngàn năm ánh sáng (1 năm as = 2.10[SUP]8[/SUP].365.24.60.60 m). Thiên hà có các thành viên gồm:
- Sao phát sáng có cấu tạo như mặt trời
- Sao không phát sáng, gồm punza cấu tạo từ nơtron phát ra sóng vô tuyến, có từ trường rất mạnh và lỗ đen cấu tạo từ nơtron xếp khít chặt nhau tạo nên loại vật chất có khối lượng riêng rất lớn hút tất cả các vật chất gần nó
- Tinh vân là cá đám bụi khổng lồ được rọi sáng nhờ các ngôi sao gần đó
Ü Hệ thống gồm một hành tinh (như trái đất) và các vệ tinh (nếu có) quay xung quanh (như mặt trăng) là một cấu trúc hệ thống nhỏ nhất của thế giới vĩ mô. Trái đất cách mặt trời 150.10[SUP]6[/SUP]km (khoảng cách này được chọn là 1đvtv)
Ü Hệ mặt trời gồm thiên thể trung tâm là mặt trời (sao) và các hành tinh quay xung quanh:
- Mặt trời là một quả cầu khí nóng sáng (75% là hidro, 23% là heli); nhiệt độ bề mặt khoảng 6000 độ, bên trong hàng chục triệu độ, duy trì nhờ phản ứng nhiệt hạch
- 8 hành tinh quay xung quanh: Thủy tinh, Kim tinh, Trái đất, Hỏa tinh, Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh và Hải dương tinh. Xung quanh mỗi hành tinh thường có các vệ tinh
- Các tiểu hành tinh: gồm rất nhiều hành tinh nhỏ chuyển động trên quỹ đạo giữa Hỏa tinh và Mộc tinh
- Sao chổi là các khối khí đóng băng lẫn với đá có quỹ đạo là elip rất dẹt chỉ nhìn thấy khi lại gần mặt trời
- Vô số thiên thạch, khi bay ngang hành tinh thường bị lực hấp dẫn hút có thể gây nguy hiểm cho hành tinh hoặc bị khí quyển của hành tinh đốt cháy (tạo nên sao băng)
B. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Dạng 1: Áp dụng công thức
CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM VÀ GỢI Ý CHỌN (KÍ HIỆUè) :
(lưu ý đừng khoanh trên phiếu này, nên làm trên nháp, để dành phiếu ôn nhiều lần)
1. Hạt nhân của nguyên tố X có 90 nơtron và 92 prôton,của nguyên tố Y có 91 nơtron và 91 prôton,của nguyên tố Z có 92 nơtron và 90 prôton. Thứ tự sắp xếp của các nguyên tố này trong bảng tuần hoàn như sau:
èprôton kí hiệu p là hạt nhân của nguyên tử hydro thường
3. Tính chất nào sau đây không phải của nơtron:
ènơtron kí hiệu n; lưu ý hạt nhân nguyên tử hydro thường
4. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân càng lớn thì:
5. Trong các phản ứng hạt nhân, đại lượng nào sau đây không được bảo toàn:
Sửa lần cuối bởi điều hành viên:
