1. Độ hụt khối và năng lượng liên kết
Giả sử prôtôn và nơtrôn lúc đầu chưa liên kết với nhau và đứng yên.
Tổng khối lượng của chúng là: \[m_0 = Zm_p + Nm_n
\]
Nếu lực hạt nhân liên kết các nuclôn với nhau thành một hạt nhân có khối lượng m thì đều đặc sắc là m bé hơn \[m_0\] (không có định luật bảo toàn khối lượng). Nhưng theo thuyết tương đối, hệ các nuclôn ban đầu có năng lượng \[E=mc_0^{2}\] , hạt nhân tạo thành có năng lượng\[E=mc^{2}< E_0\] . Vì năng lượng được bảo toàn, nên phải có một lượng năng lượng toả ra.
Hiệu \[m- m_0 \]gọi là độ hụt khối, năng lượng tương ứng \[E=(m-m_0)C^{2}\] gọi là năng lượng liên kết vì lí do sẽ nêu dưới đây.
Năng lượng ấy toả ra dưới dạng động năng của hạt nhân hoặc năng lượng tia
Ngược lại, nếu muốn phá hạt nhân có khối lượng m thành các nuclôn có tổng khối lượng \[m_o > m\] thì ta phải tốn năng lượng \[E = (m_0 - m)C^{2}\] để thắng lực hạt nhân.
Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn, thì càng bền vững.
2. Phản ứng hạt nhân toả năng lượng và phản ứng hạt nhân thu năng lượng
Sự hụt khối từng hạt nhân kéo theo sự không bảo toàn khối lượng trong phản ứng hạt nhân. Xét phản ứng hạt nhân:
A + B --> C +D
và giả thiết các hạt A và B đứng yên. Tổng số nuclôn không đổi trong phản ứng nhưng vì A, B, C, D có các độ hụt khối khác nhau nên tổng khối lượng của các hạt nhân A + B có thể khác tổng khối lượng của các hạt nhân sinh ra C + D.
Tóm lại, 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 toả năng lượng.
Vậy một phản ứng hạt nhân sinh ra các hạt có tổng khối lượng lớn hơn các hạt ban đầu (kém bền vững) là phản ứng thu năng lượng.
Có khi người ta nói rằng trong phản ứng toả năng lượng, khối lượng bị hụt đã “biến thành” năng lượng toả ra , còn trong phản ứng thu năng lượng, thì một phần năng lượng cung cấp “biến thành” phần khối lượng tăng thêm :
Cách nói này giúp ta dễ nhớ kết quả của phản ứng, nhưng thực chất thì không đúng vì khối lượng và năng lượng là hai đại lượng khác nhau, chúng tỉ lệ với nhau, nhưng không biến đổi cái này thành cái kia được.
3. Hai loại phản ứng hạt nhân toả năng lượng
Nghiên cứu năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân có số nuclôn A khác nhau, người ta thấy rằng các hạt nhân nặng trung bình (có số khối trung bình) là bền vững nhất.
Các nguyên tố ở cuối bảng tuần hoàn như urani, plutôni có A rất lớn (với urani thì A từ 233 đến 239) kém bền vững hơn. Các nguyên tố ở đầu bảng tuần hoàn như H, He có A rất nhỏ càng kém bền vững. Vậy có thể có hai loại phản ứng hạt nhân toả năng lượng, gọi là năng lượng hạt nhân.
a. Một hạt nhân rất nặng như urani, plutôni…..hấp thu một nơtroon và vỡ thành hai hạt nhân có số khối trung bình. Sự vỡ này có tên riêng là sự phân hạch.
b. Hai hạt nhân rất nhẹ như hiđro, hêli… kết hợp với nhau thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng kết hợp này còn gọi là phản ứng nhiệt hạch.
Sau đây là 1 vài ý cơ bản tổng hợp được
Giả sử prôtôn và nơtrôn lúc đầu chưa liên kết với nhau và đứng yên.
Tổng khối lượng của chúng là: \[m_0 = Zm_p + Nm_n
\]
Nếu lực hạt nhân liên kết các nuclôn với nhau thành một hạt nhân có khối lượng m thì đều đặc sắc là m bé hơn \[m_0\] (không có định luật bảo toàn khối lượng). Nhưng theo thuyết tương đối, hệ các nuclôn ban đầu có năng lượng \[E=mc_0^{2}\] , hạt nhân tạo thành có năng lượng\[E=mc^{2}< E_0\] . Vì năng lượng được bảo toàn, nên phải có một lượng năng lượng toả ra.
Hiệu \[m- m_0 \]gọi là độ hụt khối, năng lượng tương ứng \[E=(m-m_0)C^{2}\] gọi là năng lượng liên kết vì lí do sẽ nêu dưới đây.
Năng lượng ấy toả ra dưới dạng động năng của hạt nhân hoặc năng lượng tia
Ngược lại, nếu muốn phá hạt nhân có khối lượng m thành các nuclôn có tổng khối lượng \[m_o > m\] thì ta phải tốn năng lượng \[E = (m_0 - m)C^{2}\] để thắng lực hạt nhân.
Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn, thì càng bền vững.
2. Phản ứng hạt nhân toả năng lượng và phản ứng hạt nhân thu năng lượng
Sự hụt khối từng hạt nhân kéo theo sự không bảo toàn khối lượng trong phản ứng hạt nhân. Xét phản ứng hạt nhân:
A + B --> C +D
và giả thiết các hạt A và B đứng yên. Tổng số nuclôn không đổi trong phản ứng nhưng vì A, B, C, D có các độ hụt khối khác nhau nên tổng khối lượng của các hạt nhân A + B có thể khác tổng khối lượng của các hạt nhân sinh ra C + D.
Tóm lại, 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 toả năng lượng.
Vậy một phản ứng hạt nhân sinh ra các hạt có tổng khối lượng lớn hơn các hạt ban đầu (kém bền vững) là phản ứng thu năng lượng.
Có khi người ta nói rằng trong phản ứng toả năng lượng, khối lượng bị hụt đã “biến thành” năng lượng toả ra , còn trong phản ứng thu năng lượng, thì một phần năng lượng cung cấp “biến thành” phần khối lượng tăng thêm :
Cách nói này giúp ta dễ nhớ kết quả của phản ứng, nhưng thực chất thì không đúng vì khối lượng và năng lượng là hai đại lượng khác nhau, chúng tỉ lệ với nhau, nhưng không biến đổi cái này thành cái kia được.
3. Hai loại phản ứng hạt nhân toả năng lượng
Nghiên cứu năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân có số nuclôn A khác nhau, người ta thấy rằng các hạt nhân nặng trung bình (có số khối trung bình) là bền vững nhất.
Các nguyên tố ở cuối bảng tuần hoàn như urani, plutôni có A rất lớn (với urani thì A từ 233 đến 239) kém bền vững hơn. Các nguyên tố ở đầu bảng tuần hoàn như H, He có A rất nhỏ càng kém bền vững. Vậy có thể có hai loại phản ứng hạt nhân toả năng lượng, gọi là năng lượng hạt nhân.
a. Một hạt nhân rất nặng như urani, plutôni…..hấp thu một nơtroon và vỡ thành hai hạt nhân có số khối trung bình. Sự vỡ này có tên riêng là sự phân hạch.
b. Hai hạt nhân rất nhẹ như hiđro, hêli… kết hợp với nhau thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng kết hợp này còn gọi là phản ứng nhiệt hạch.
Sau đây là 1 vài ý cơ bản tổng hợp được
