Chuyên đề Vật lý hạt nhân (Bản mới)

Chuyên đề 
Vật lý hạt nhân 
Nội dung 
Tóm tắt kiến thức 
Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử 
Phóng xạ 
Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng 
Năng lượng liên kết của hạt nhân 
Phản ứng hạt nhân 
Các loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng 
Các bài toán cơ bản 
Bài tập tự giải 
A. Tóm tắt kiến thức 
A. Tóm tắt kiến thức 
1. Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử 
Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn, gọi là nuclon. Có hai loại nuclon: proton mang điện tích nguyên tố dương +e và nơtron không mang điện. 
Ký hiệu hạt nhân: 
	Với Z	: số proton 
 	N = A – Z	: số nơtron 
	A	: Số khối 
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
2. Phóng xạ 
a) Định nghĩa: Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân tự động phóng ra những bức xạ gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Có 3 loại tia phóng xạ: 
Tia  
Tia  (  + và  -) 
Tia  
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
2. Phóng xạ (tt) 
b) 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 một nửa số nguyên tử hạt nhân của chất ấy đã biết đổi thành chất khác.	 
	N o , m o : số nguyên tử, khối lượng ban đầu 
	N(t), m(t): số nguyên tử, khối lượng ở thời điểm t 
Với 	 là hằng số phóng xạ	 
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
2. Phóng xạ (tt) 
c) Độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ được đo bằng số phân rã trong một giây: 
Đơn vị đo độ phóng xạ: 	1 Bq = 1 phân rã trong một giây. 
	1 Ci = 3,7.10 10 Bq 
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
3. Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng 
Nếu một vật có khối lượng m thì nó cũng có một năng lượng E tỉ lệ với m, E gọi là năng lượng nghỉ: E = mc 2 
	Trong đó c: vận tốc ánh sáng trong chân không. 
 là đơn vị đo khối lượng. 
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
4. Năng lượng liên kết của hạt nhân 
Độ hụt khối của hạt nhân:  m = Zm p + (A – Z)m n – m 
	Trong đó m p , m n và m tương ứng là khối lượng của proton, nơtron và của hạt nhân. 
Năng lượng liên kết của hạt nhân:  E =  m.c 2 
Năng lượng liên kết riêng Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. 
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
5. Phản ứng hạt nhân 
a) Phản ứng hạt nhân là tương tác giữa hai hạt nhân dẫn đến sự biến đổi của chúng thành các hạt nhân khác. 
b) Phản ứng hạt nhân tuân theo các định luật bảo toàn: 
Bảo toàn số nuclon: A 1 + A 2 = A 3 + A 4 
Bảo toàn điện tích: Z 1 + Z 2 = Z 3 + Z 4 
Bảo toàn động lượng: 
Bảo toàn năng lượng: (m A +m B )c 2 + K A + K B = (m C + m D ) c 2 + K C + K D 
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
5. Phản ứng hạt nhân (tt) 
c) Phóng xạ cũng là phản ứng hạt nhân: 
	A  B + C 
d) Năng lượng của phản ứng hạt nhân: 
 Q = (M o - M)C 2 
Với: M o = m A + m B 
 M = m C + m D 
Nếu M o > M: Phản ứng tỏa năng lượng 
 M o < M: Phản ứng thu năng lượng 
A. Tóm tắt kiến thức (tt) 
6. Các loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng 
Có hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng: 
Phản ứng phân hạch : Một hạt nhân rất nặng (U235 hoặc P u 239) hấp thụ một nơtron vỡ thành hai hạt nhân trung bình và tạo ra 2-3 nơtron. Nếu phản ứng phân hạch có tính dây chuyền thì nó tỏa ra năng lượng rất lớn (có tác dụng tàn phá trong sự nổ bom nguyên tử). Phản ứng phân hạch được khống chế trong lò phản ứng hạt nhân. 
Phản ứng nhiệt hạch : Hai hạt nhân rất nhẹ có thể kết hợp với nhau thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ hàng trăm triệu độ nên gọi là phản ứng nhiệt hạch. Con người mới chỉ thực hiện được phản ứng này dưới dạng không kiểm soát được (sự nổ của bom H). 
B. Các bài toán cơ bản 
Bài toán 1: Định luật phóng xạ - Xác định tuổi của mẫu vật 
Phương pháp giải 
1) Giữa số nguyên tử (N) và khối lượng (m) có mối liên hệ: 
 Với N A = 6,022.10 23 mol -1 là số Avôgađrô 
	 A: Khối lượng của một mol chất. 
	 m: khối lượng của mẫu chất. 
2) Số nguyên tử hoặc khối lượng chất phóng xạ còn lại ở thời điểm t 
	N o , m o : là số nguyên tử hoặc khối lượng mẫu 	chất ở thời điểm ban đầu 
 	T: chu kỳ bán rã 
	 	 : hằng số phóng xạ. 
Phương pháp giải (tt) 
3) Số nguyên tử hoặc khối lượng chất phóng xạ đã phân rã trong thời gian t. 
4) Độ phóng xạ là số hạt nhân nguyên tử phân rã trong một đơn vị thời gian 
5) Tính tuổi của mẫu vật: 
Để tính tuổi của mẫu vật, người ta thường đo tỷ lệ giữa số nguyên tử (hoặc khối lượng) của sản phẩm phóng xạ và số nguyên tử (hoặc khối lượng) còn lại của chất phóng xạ. 
Cũng có thể dựa vào độ phóng xạ để tính tuổi của mẫu vật: 
Thí dụ 1: Chu kỳ bán rã của là T = 4,5.10 9 năm. Độ phóng xạ của 1 gam là (lấy 1 năm = 365 ngày; N A = 6,022.10 23 ) 
15322 Bq 
12358 Bq 
13252 Bq 
Một giá trị khác. 
Giải 
Thí dụ 2: Lúc đầu có một mẫu (poloni) nguyên chất là chất phóng xạ có chu kỳ bán rã T = 138 ngày. Poloni phát ra tia  và biến đổi thành chì 
Ở thời điểm khảo sát người ta thấy khối lượng poloni lớn gấp 4 lần khối lượng chì có trong mẫu. Tuổi của mẫu chất là: 
45,2 ngày 
90,4 ngày 
22,5 ngày 
60,3 ngày 
Thí dụ 2 (tt) - Giải 
Số nguyên tử poloni còn lại ở thời điểm t: 
N(t) = N 0 e -  t  Khối lượng pôloni còn lại: 
Số nguyên tử chì tạo thành (bằng số nguyên tử polini đã phân rã) 
 N = N 0 – N(t) = N 0 (1 – e -  t )  Khối lượng chì tạo thành: 
Theo giả thiết m 1 = 4m 2 
Thí dụ 3: Chu kì bán rã của xấp xỉ bằng 5 năm. Sau 10 năm, từ một nguồn khối lượng 1g sẽ còn lại bao nhiêu gam? 
Gần 0,75g 
Gần 0,25g 
Gần 0,50g 
Gần 0,10g 
Giải 
Áp dụng công thức: 
Thí dụ 4: Tại thời điểm ban đầu người ta có 3,0g Rađon (Rn) là chất phóng xạ có chu kỳ bán rã T = 3,6 ngày. Trong thời gian 3 ngày, số nguyên tử Rađon bị phân rã là: 
4,56.10 21 
45,6.10 21 
35,7.10 21 
3,57.10 21 
Giải 
Số nguyên tử Rn ban đầu là: 
Số nguyên tử Rn bị phân rã trong thời gian t = 3 ngày là: 
Thí dụ 5: là chất phóng xạ có chu kỳ bán rã T = 140 ngày. Để độ phóng xạ H o của nó giảm xuống e lần (e là cơ số của loga tự nhiên) thì cần khoảng thời gian là bao nhiêu? 
180 ngày 
200 ngày 
202 ngày 
240 ngày 
Giải 
C. Bài tập tự giải 
Bài 1 : là đồng vị phóng xạ phát ra tia  - và  với chu kỳ bán rã T = 71,3 ngày. Tìm xem trong một tháng (30 ngày) chất cơ bản bị phân rã bao nhiêu phần trăm. 
25,3% 
16,4% 
30,5% 
40,2% 
Bài 1 : là đồng vị phóng xạ phát ra tia  - và  với chu kỳ bán rã T = 71,3 ngày. Tìm xem trong một tháng (30 ngày) chất cơ bản bị phân rã bao nhiêu phần trăm. 
25,3% 
16,4% 
30,5% 
40,2% 
Bài 2 : Ban đầu có 2g Rađon là chất phóng xạ với chu kỳ bán rã T = 3,8 ngày. Tính độ phóng xạ của lượng nói trên ở thời điểm t = 1,5T. 
4,05.10 16 (Bq) 
4,05.10 15 (Bq) 
2,02.10 15 (Bq) 
2,02.10 16 (Bq) 
Bài 2 : Ban đầu có 2g Rađon là chất phóng xạ với chu kỳ bán rã T = 3,8 ngày. Tính độ phóng xạ của lượng nói trên ở thời điểm t = 1,5T. 
4,05.1016 (Bq) 
4,05.1015 (Bq) 
2,02.1015 (Bq) 
2,02.1016 (Bq) 
Bài 3 : Hạt nhân urani phát ra một số hạt  và một số hạt  - để biến thành hạt nhân rađi . Số hạt  và số hạt  - là: 
A. Hai hạt  và hai hạt  - 
B. Ba hạt  và hai hạt  - 
C. Ba hạt  và ba hạt  - 
D. Ba hạt  và bốn hạt  - 
Bài 3 : Hạt nhân urani phát ra một số hạt  và một số hạt  - để biến thành hạt nhân rađi . Số hạt  và số hạt  - là: 
A. Hai hạt  và hai hạt  - 
B. Ba hạt  và hai hạt  - 
C. Ba hạt  và ba hạt  - 
D. Ba hạt  và bốn hạt  - 
Bài 4 : Đồng vị phóng xạ  và  để thành đồng vị chì . Chu kỳ bán rã của là T = 4,5.10 9 năm. Trong một mẫu đá lúc đầu chỉ có . Tỉ lệ hiện nay giữa khối lượng của U238 và chì Pb 206 bằng 37. Tuổi của mẫu đá là: 
1,73.10 8 năm 
1,73.10 7 năm 
3,46.10 8 năm 
3,46.10 7 năm 
Bài 4 : Đồng vị phóng xạ  và  để thành đồng vị chì . Chu kỳ bán rã của là T = 4,5.109 năm. Trong một mẫu đá lúc đầu chỉ có Tỉ lệ hiện nay giữa khối lượng của 238 và chì Pb 206 bằng 37. Tuổi của mẫu đá là: 
1,73.10 8 năm 
1,73.10 7 năm 
3,46.10 8 năm 
3,46.10 7 năm 
Bài 5 : Một ngôi mộ vừa được khai quật. Ván quan tài của nó có chứa 50g cácbon có độ phân rã 457 phân rã/phút. (chỉ có đồng vị phóng xạ). Biết rằng độ phóng xạ của cây cối đang sống bằng 15 phân rã/phút tính trên 1gam cácbon. Chu kỳ bán rã của là 5600 năm. Tuổi của ngôi mộ đó cỡ bằng: 
2800 năm 
1400 năm 
4000 năm 
8000 năm 
Bài 5 : Một ngôi mộ vừa được khai quật. Ván quan tài của nó có chứa 50g cácbon có độ phân rã 457 phân rã/phút. (chỉ có đồng vị phóng xạ). Biết rằng độ phóng xạ của cây cối đang sống bằng 15 phân rã/phút tính trên 1gam cácbon. Chu kỳ bán rã của là 5600 năm. Tuổi của ngôi mộ đó cỡ bằng: 
2800 năm 
1400 năm 
4000 năm 
8000 năm