Vật lý Lớp 12

- Theo thuyết tương đối của A.Einstein thì giữa khối lượng và năng lượng có liên hệ trực tiếp với nhau E = mc²

- Khi vật đứng yên (trạng thái nghỉ) thì vật có khối lượng nghỉ m₀ do đó có năng lượng nghỉ E=m₀c²

- Khi vật chuyển động với vận tốc v, khối lượng sẽ tăng lên thành $ m = \frac{m_0}{\sqrt {1 - \frac{v^2}{c^2} }} $. Do đó, năng lượng toàn phần tương ứng là: $ E = mc^2 = \frac{m_0c^2}{\sqrt {1 - \frac{v^2}{c^2}}} $.

- Phần chênh lệch năng lượng này là do chuyển động. Do đó, ta có động năng của vật K = E – E₀ = (m - m₀)c²

- Đơn vị khối lượng nguyên tử là u và 1u bằng 1/12 khối lượng nguyên tử của đồng vị Cácbon $C_6^{12}$, do đó đôi khi đơn vị này còn gọi là đơn vị Carbon.

1u = 931,5MeV/c² = 1,66055.10^-27kg.

- Đơn vị năng lượng là MeV và 1uc² = 931,5MeV

I. HẠT NHÂN.

1. Cấu tạo hạt nhân.

- Hạt nhân: có kích thước rất nhỏ (khoảng 10^-14m đến 10^-15m) được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn gọi là nuclon.

- Nuclon có 2 loại là Proton và Nơtron.

  + Proton: ký hiệu $_1^1p$, mang điện tích nguyên tố +e = 1,6.10^-19C và khối lượng m_p = 1,0072u

  + Nơtron: ký hiệu $_0^1n$, không mang điện tích và khối lượng là m_n = 1,0086u.

- Một hạt nhân X có Z proton và A nuclon thì được kí hiệu là $_Z^AX$.

- Số nuclon trong một hạt nhân là: A = Z + N, và A được gọi là số khối nguyên tử hoặc khối lượng số.

- Số proton trong một hạt nhân là Z cũng là số thứ tự của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn Mendeleev, Z còn gọi là nguyên tử số.

- Số nơtron trong một hạt nhân là: N = A - Z.

2. Lực hạt nhân. Mặc dù hạt nhân được cấu tạo từ các hạt proton mang điện dương và các hạt nơtron không mang điện nhưng lại khá bền vững. Điều này cho thấy lực liên kết giữa chúng có bản chất khác với lực điện. Lực liên kết này gọi là lực hạt nhân hay lực mạnh. Bán kính tác dụng của lực hạt nhân bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của hạt nhân.

3. Năng lượng liên kết của hạt nhân

- Độ hụt khối: Khi các nuclon liên kết với nhau tạo thành hạt nhân, thì khối lượng của hạt nhân tạo thành luôn luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó. Độ chênh lệch khối lượng đó gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu Δm với Δm = Zm_p + (A – Z)m_n – m_{hạt nhân}.

- Năng lượng liên kết của một hạt nhân là năng lượng do độ hụt khối chuyển thành: E_lk = Δmc².

- Năng lượng liên kết riêng: Là năng lượng liên kết tính trung bình cho 1 nuclôn: $E_{lkr} = \frac{Elk}{A}$. Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân, năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền. Hạt nhân trung bình có số khối A từ 50 đến 95 là những hạt nhân bền vững nhất.

4. Cấu tạo Nguyên tử: Nguyên tử gồm có lõi là hạt nhân mang điện tích +Ze và lớp vỏ electron mang điện tích –Ze. Nguyên tử ở điều kiện bình thường là trung hòa về điện.

* Đồng vị: Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số proton Z nhưng có số nơtron N khác nhau gọi là đồng vị. Các đồng vị có cùng số electron nên chúng có cùng tính chất hóa học.

1. Định nghĩa phản ứng hạt nhân: Phản ứng hạt nhân là tương tác giữa hai hạt nhân dẫn đến sự biến đổi của chúng thành các hạt khác.

$_{Z_C}^{A_C}C + _{Z_D}^{A_D}D \to _{Z_X}^{A_X}X + _{Z_Y}^{A_Y}Y$

- Phản ứng hạt nhân chia thành 2 loại:

  + Phản ứng hạt nhân tự phát: Là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác, đây là trường hợp phoáng xạ hạt nhân.

  + Phản ứng hạt nhân kích thích: Quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác, đây là trường hợp phản ứng nhiệt hạch và phân hạch.

2. Năng lượng phản ứng hạt nhân: Phản ứng hạt nhân có thể toả hoặc thu năng lượng W với:

W = (m_trước - m_sau)c²

  + Nếu W > 0 ⇔ m_trước > m_sau ⇒ phản ứng toả năng lượng W dưới dạng động năng của các hạt nhân X, Y hoặc phôtôn γ, các nơtrinô ν. Các hạt nhân sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn.

  + Nếu W < 0 ⇔ m_trước < m_sau ⇒ phản ứng thu năng lượng │W│. Các hạt nhân sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững.

3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân: Xét phản ứng hạt nhân sau:

$_{Z_C}^{A_C}C + _{Z_D}^{A_D}D \to _{Z_X}^{A_X}X + _{Z_Y}^{A_Y}Y$

- Định luật bảo toàn số Nuclon (khối A): Tổng số nuclon của các hạt nhân trước phản ứng và sau phản ứng luôn bằng nhau:

${A_C} + {A_D} = {A_X} + {A_Y}$

- Định luật bảo toàn điện tích Z: Tổng điện tích của các hạt nhân trước và sau phản ứng luôn bằng nhau:

${Z_C} + {Z_D} = {Z_X} + {Z_Y}$

- Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần:

$K_C + K_D + W = K_X + K_Y$

   Trong đó W là năng lượng phản ứng hạt nhân:

$ \begin{gathered} W = \left( {{m_{trước}} - {m_{sau}}} \right){c^2} \\ = \left( \Delta {m_{sau}} - \Delta {m_{trước}}\right){c^2} \\ = \left( K_{sau} - K_{trước}\right) \\ \end{gathered} $

  Động năng của hạt nhân là: $K = \frac{mv^2}{2}$.

- Định luật bảo toàn động lượng: Tổng động lượng của các hạt nhân trước và sau phản ứng luôn bằng nhau:

$ {\vec p_C} + {\vec p_D} = {\vec p_X} + {\vec p_Y} $

  Với $ {\vec p}$ là vectơ động lượng.

* Lưu ý:

  + Khối lượng của hệ không bảo toàn.

  + Số Proton của hệ không bảo toàn.

  + Mối quan hệ giữa động lượng p và động năng K của hạt nhân là: $p^2 = 2mK$

I. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH:

1. Định nghĩa: Phản ứng phân hạch là hiện tượng một hạt nhân rất nặng hấp thụ một nơtrôn chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân nặng trung bình. Mỗi phản ứng phân hạch sinh ra trung bình k nơtrôn và toả ra một năng lượng khoảng 200MeV.

$_{92}^{238}U \to 3_0^1n + _{92}^{235}U + 200MeV$

2. Phản ứng phân hạch dây chuyền: Phản ứng phân hạch sinh ra k nơtrôn thứ cấp.

  + với k > 1: phản ứng dây chuyền vượt hạn, không khống chế được, bom hạt nhân.

  + với k = 1: phản ứng dây chuyền tới hạn, kiểm soát được, ứng dụng trong nhà máy điện hạt nhân.

  + với k < 1: phản ứng dây chuyền không xảy ra.

- Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra:

  + Các nơtrôn sinh ra phải được làm chậm lại.

  + Để có k ≥ 1 thì khối lượng của khối chất hạt nhân phân hạch phải đạt tới một giá trị tối thiểu nào đó gọi là khối lượng tới hạn m_th. Ví dụ: Với 235U, khối lượng tới hạn m_th=15kg.

3. Nhà máy điện nguyên tử:

- Bộ phận chính là lò phản ứng hạt nhân, ở đó phản ứng phân hạch được giữ ở chế độ tới hạn khống chế được.

- Nhiên liệu của nhà máy điện nguyên tử là các thanh Urani đã làm giàu 235U đặt trong chất làm chậm để giảm vận tốc nơtrôn.

- Để đạt được hệ số k=1, người ta đặt vào lò các thanh điều chỉnh có chứa Bo hay Cađimi để hấp thụ bớt các nơtrôn.

- Năng lượng do phân hạch tỏa ra dưới dạng động năng của các hạt được chuyển thành nhiệt năng của lò và truyền đến nồi sinh hơi chứa nước. Hơi nước được đưa vào làm quay tua bin máy phát điện.

II. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH:

1. Định nghĩa: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.

$_{1}^{2}H + _1^2H \to _2^4He + 13,6MeV$

2. Đặc điểm:

  - Là phản ứng tỏa năng lượng, tuy một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng nhiều hơn phản ứng phân hạch.

  - Phản ứng phải thực hiện ở nhiệt độ rất cao (hàng trăm triệu độ). Lý do: các phản ứng kết hợp rất khó xảy ra vì các hạt nhân mang điện tích dương nên chúng đẩy nhau. để chúng tiến lại gần nhau và kết hợp được thì chúng phải có một động năng rất lớn để thắng lực đẩy Culông. Để có động năng rất lớn thì phải có một nhiệt độ rất cao.

  - Trong thiên nhiên phản ứng nhiệt hạch xảy ra trên các vì sao, chẳng hạn trong lòng Mặt Trời. Con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng không kiểm soát được, ví dụ sự nổ của bom khinh khí (bom Hidro).

1. Định nghĩa: Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự động phóng ra những bức xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Những tia bức xạ đó gọi là tia phóng xạ, tia phóng xạ không nhìn thấy được nhưng có thể phát hiện ra chúng do có khả năng làm đen kính ảnh, ion hóa các chất, bị lệch trong điện trường và từ trường … Đây là trường hơp riêng của phản ứng hạt nhân.

2. Đặc điểm:

Hiện tượng phóng xạ hoàn toàn do các nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra, hoàn toàn không phụ thuộc vào tác động bên ngoài. Dù nguyên tử phóng xạ có nằm trong các hợp chất khác nhau, dù chất phóng xạ chịu áp suất hay nhiệt độ khác nhau… thì mọi tác động đó đều không gây ảnh hưởng đến quá trình phóng xạ của hạt nhân nguyên tử.

3. Các dạng phóng xạ: Áp dụng các định luật bảo toàn số nuclon và bảo toàn điện tích vào quá trình phóng xạ ta thu được các quy tắc dịch chuyển sau:

- Phóng xạ α: So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng tuần hoàn và có số khối nhỏ hơn 4 đơn vị.

$_Z^AX \to _2^4He + _{Z-2}^{A-4}Y$

  + Tia alpha α: bản chất là hạt nhân $ _2^4 $He. Mang điện tích +2e bay với vận tốc 10⁷m/s và bị lệch về bản âm của tụ điện. Có khả năng gây ra sự ion hóa chất khí. Quãng đường đi được của tia α trong không khí chừng vài cm và vài μm trong vật rắn.

- Phóng xạ β^-: So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con tiến 1 ô trong bảng tuần hoàn và có cùng số khối. Thực chất của phóng xạ β^- là trong hạt nhân 1 nơtron (n) biến thành 1 prôton (p) cộng với 1 electron (e-) và phản neutrino ($ \tilde \nu $).

$_0^1n \to _1^1p + _{-1}^0e + \tilde \nu$

  + Tia β^- là chùm electron mang điện tích âm -e. Bị lệch về bản dương của tụ điện. Các hạt β^- được phóng xạ với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Có khả năng ion hóa chất khí yếu hơn nhưng có khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia α, và có thể đi được hàng trăm mét trong không khí.

- Phóng xạ β⁺: So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con ở vị trí lùi 1 ô và có cùng số khối. Thực chất của sự phóng xạ là sự biến đổi của prôton (p) thành neutron (n) cộng với 1 positron (e+) và 1 neutrino (ν).

$_1^1p \to _0^1n + _1^0 \tilde e + \nu$

  + Tia β⁺ là chùm hạt có khối lượng như electron nhưng mang điện tích +e gọi là positron. Bị lệch về bản âm của tụ điện. Các hạt β⁺ được phóng xạ với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Có khả năng ion hóa chất khí yếu hơn nhưng có khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia α, và có thể đi được hàng trăm mét trong không khí.

- Phóng xạ γ: Photon γ là sóng điện từ nên khi phóng xạ không có biến đổi hạt nhân của nguyên tố này thành hạt nhân của nguyên tố kia mà chỉ có giảm năng lượng của hạt nhân đó một lượng bằng hf = E₂ - E₁ với E₂ > E₁.

  + Tia gamma γ: Bản chất là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn. Có khối lượng nghỉ bằng không (m₀ = 0) và điện tích bằng không (q=0) nên không bị lệch trong điện trường và từ trường. Đây là chùm photon có năng lượng cao, có khả năng đâm xuyên lớn có thể đi qua vài m trong bêtông và vài cm trong chì và nguy hiểm cho người.

- Hạt Neutrino: là hạt không mang điện (q = 0), khối lượng nghỉ bằng không (m₀ = 0), chuyển động với vận tốc ánh sáng.

4. 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 kì thì 1/2 số hạt nhân (nguyên tử) của chất ấy đã biến đổi thành chất khác.

- Số nguyên tử còn lại ở thời điểm t: $ N = {N_0}{2^{ - \frac{t}{T}}} = {N_0}{e^{ - \lambda t}} $.

- Số nguyên tử đã bị phân rã: $ \Delta N = {N_0} - N = {N_0}(1 - {2^{ - t/T}}) = {N_0}(1 - {e^{ - \lambda t}}) = \frac{{{N_A}}}{A}\Delta m $.

- Phần trăm số nguyên tử đã bị phân rã: $ \frac{{\Delta N}}{{{N_0}}} = 1 - {2^{ - t/T}} = 1 - {e^{ - \lambda t}} $.

- Khối lượng còn lại ở thời điểm t: $ m = {m_0}{2^{ - \frac{t}{T}}} = {m_0}{e^{ - \lambda t}} $.

- Khối lượng đã bị phân rã: $ \Delta m = {m_0} - m = {m_0}(1 - {2^{ - t/T}}) = {m_0}(1 - {e^{ - \lambda t}}) $.

- Phần trăm khối lương đã bị phân rã: $ \frac{{\Delta m}}{{{m_0}}} = 1 - {2^{ - t/T}} = 1 - {e^{ - \lambda t}} $.

- Khối lượng chất mới được tạo thành sau thời gian t: $ {m_{tt}} = \frac{{\Delta N}}{{{N_A}}}{A_{tt}} = \frac{{{A_{tt}}{N_0}}}{{{N_A}}}(1 - {2^{ - \frac{t}{T}}}) = \frac{{{A_{tt}}}}{A}{m_0}(1 - {2^{ - \frac{t}{T}}}) $.

   Trong đó: N₀, m₀, m_tt: là số nguyên tử và khối lượng ban đầu và khối lượng mới tạo thành.

   N, m: là số nguyên tử và khối lượng ở thời điểm t.

   λ là hằng số phóng xạ: $ \lambda = \frac{{\ln 2}}{T} = \frac{{0,693}}{T} $.

   A, A_tt là số khối của chất phóng xạ ban đầu và của chất mới được tạo thành.

   N_A = 6,022.10^-23 mol^-1 là số Avôgađrô.

   * Lưu ý: Trường hợp phóng xạ β thì A = A_tt → m_tt = Δm.

- Độ phóng xạ: Độ phóng xạ H của một lượng chất phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu được đo bằng số phân rã trong 1 giây.

  + Đơn vị là Becqueren (Bq) và Bq là số phân rã trong 1 giây. Hoặc Curie (Ci) với 1Ci=3,7.10¹⁰Bq.

  + Độ phóng xạ ở thời điểm t: $ H = \lambda N = {H_0}{e^{ - \lambda t}} = {H_0}{2^{ - \frac{t}{T}}} $. Với H₀ = λN₀ là độ phóng xạ ban đầu.