Phản Ứng Hạt Nhân Và Năng Lượng Liên Kết
Phản ứng hạt nhân, định luật bảo toàn, hệ thức Einstein $E = mc^2$, độ hụt khối, năng lượng liên kết và các phản ứng phân hạch, nhiệt hạch
▸ Thí nghiệm phát hiện
Năm 1919, Rutherford bắn hạt $\alpha$ ($^4_2\text{He}$) vào hạt nhân nitrogen $^{14}_7\text{N}$ và phát hiện có hạt $^1_1\text{H}$ trong sản phẩm. Năm 1925, Blackett dùng buồng sương chụp được vết rẽ nhánh, xác nhận phản ứng:
▸ Phân loại
| Loại | Định nghĩa & ví dụ |
|---|---|
| Kích thích | Hạt nhân tương tác với hạt nhân khác tạo thành hạt nhân mới. VD: phân hạch, tổng hợp hạt nhân |
| Tự phát | Tự phân rã của một hạt nhân không bền vững. VD: phân rã $^{238}_{92}\text{U}$ |
▸ So sánh với phản ứng hoá học
| Tiêu chí | Phản ứng hạt nhân | Phản ứng hoá học |
|---|---|---|
| Xảy ra ở | Trong hạt nhân | Lớp vỏ electron |
| Sản phẩm | Tạo nguyên tố mới | Giữ nguyên các nguyên tố |
| Năng lượng | Rất lớn (hàng triệu eV) | Nhỏ (vài eV) |
Xét phản ứng hạt nhân tổng quát:
▸ Bảo toàn số khối (số nucleon)
▸ Bảo toàn điện tích (số proton)
▸ Các hạt thường gặp
| Hạt | Kí hiệu | $A$ | $Z$ |
|---|---|---|---|
| Proton | $^1_1\text{p}$ ($^1_1\text{H}$) | 1 | 1 |
| Neutron | $^1_0\text{n}$ | 1 | 0 |
| Electron ($\beta^-$) | $^{\;\;0}_{-1}\text{e}$ | 0 | −1 |
| Positron ($\beta^+$) | $^0_{+1}\text{e}$ | 0 | +1 |
| Hạt alpha | $^4_2\text{He}$ | 4 | 2 |
| Photon gamma | $\gamma$ | 0 | 0 |
| Đại lượng | Ý nghĩa & đơn vị |
|---|---|
| $E$ | Năng lượng (J hoặc MeV) |
| $m$ | Khối lượng (kg hoặc amu) |
| $c$ | Tốc độ ánh sáng $= 3 \times 10^8$ m/s |
▸ Ý nghĩa
- Khối lượng và năng lượng là hai đại lượng tương đương.
- Vật khối lượng $m$ có năng lượng nghỉ $E_0 = mc^2$.
- Khi khối lượng biến đổi $\Delta m$ thì năng lượng biến đổi $\Delta E = \Delta m \cdot c^2$.
▸ Hệ số chuyển đổi quan trọng
| Đại lượng | Giá trị |
|---|---|
| $1$ amu | $1{,}66054 \times 10^{-27}$ kg |
| $1$ MeV | $1{,}6 \times 10^{-13}$ J |
| $1$ amu | $931{,}5$ MeV/$c^2$ |
So sánh khối lượng hạt nhân $^4_2\text{He}$ ($m_{He} \approx 4{,}00260$ amu) với tổng khối lượng các nucleon thành phần:
$2m_p + 2m_n \approx 2(1{,}00728) + 2(1{,}00866) = 4{,}03188$ amu
Khối lượng hạt nhân nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon thành phần. Đây là tính chất chung của mọi hạt nhân.
| Kí hiệu | Ý nghĩa |
|---|---|
| $Z$ | Số proton |
| $A - Z$ | Số neutron |
| $m_p$ | $1{,}00728$ amu |
| $m_n$ | $1{,}00866$ amu |
| $m_X$ | Khối lượng hạt nhân X |
▸ Lực hạt nhân
Lực hạt nhân là lực hút rất mạnh giữa các nucleon, chỉ tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân ($\sim 10^{-15}$ m); không phải lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn.
(khi $\Delta m$ tính bằng amu, $E_{lk}$ thu được tính bằng MeV)
▸ Năng lượng liên kết riêng
| Vùng số khối | $E_{lkr}$ | Độ bền vững |
|---|---|---|
| $A$ rất nhỏ | Thấp ($1 - 7$ MeV) | Kém bền |
| $A$ trung bình ($40 - 100$) | Cao nhất ($\approx 8{,}8$ MeV) | Bền nhất |
| $A$ lớn ($> 200$) | Giảm dần ($\approx 7{,}6$ MeV) | Kém bền hơn |
Hạt nhân bền vững nhất là $^{56}_{26}\text{Fe}$ và $^{62}_{28}\text{Ni}$ với $E_{lkr} \approx 8{,}8$ MeV/nucleon.
▸ Phản ứng phân hạch
Là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn (có số khối trung bình, bền vững hơn) và tỏa năng lượng. Ví dụ với $^{235}_{92}\text{U}$:
trung bình$E_{lkr}$ lớn hơn
Trong phản ứng dây chuyền, các neutron sinh ra lại kích thích các hạt nhân khác phân hạch tiếp. Hệ số nhân neutron $k$:
| $k$ | Ý nghĩa | Ứng dụng |
|---|---|---|
| $k < 1$ | Tắt dần | Không duy trì được |
| $k = 1$ | Ổn định | Nhà máy điện hạt nhân |
| $k > 1$ | Bùng nổ | Bom nguyên tử |
▸ Phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch)
Là phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp thành một hạt nhân nặng hơn và tỏa năng lượng. Ví dụ phản ứng D–T:
▸ So sánh
| Tiêu chí | Phân hạch | Nhiệt hạch |
|---|---|---|
| Hướng | Nặng → nhẹ | Nhẹ → nặng |
| Nhiên liệu | $^{235}\text{U}$, $^{239}\text{Pu}$ | $^2\text{H}$, $^3\text{H}$ |
| Điều kiện | Neutron chậm, khối lượng tới hạn | Nhiệt độ cực cao |
| Ứng dụng | Điện hạt nhân, bom A | Mặt Trời, bom H |
▸ Công thức cần nhớ
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| $A_1 + A_2 = A_3 + A_4$ | Bảo toàn số khối |
| $Z_1 + Z_2 = Z_3 + Z_4$ | Bảo toàn điện tích |
| $E = mc^2$ | Hệ thức Einstein |
| $\Delta m = [Z m_p + (A-Z)m_n] - m_X$ | Độ hụt khối |
| $E_{lk} = \Delta m \times 931{,}5$ | Năng lượng liên kết (MeV) |
| $E_{lkr} = \dfrac{E_{lk}}{A}$ | Năng lượng liên kết riêng |
▸ Hằng số quan trọng
| Hằng số | Giá trị |
|---|---|
| $m_p$ | $1{,}00728$ amu |
| $m_n$ | $1{,}00866$ amu |
| $1$ amu | $931{,}5$ MeV/$c^2$ |
| $1$ MeV | $1{,}6 \times 10^{-13}$ J |
| $N_A$ | $6{,}02 \times 10^{23}$ mol⁻¹ |
▸ Lỗi sai thường gặp
| ❌ Sai | ✅ Đúng |
|---|---|
| Bảo toàn khối lượng nghỉ | Bảo toàn số khối (có độ hụt khối) |
| Khối lượng lớn thì bền vững | $E_{lkr}$ lớn thì bền vững |
| Phản ứng hạt nhân luôn tỏa năng lượng | Có thể tỏa hoặc thu năng lượng |
| Neutron mang điện $+1$ | Neutron không mang điện |
| $\Delta m = m_X - [Z m_p + (A-Z)m_n]$ | $\Delta m = [Z m_p + (A-Z)m_n] - m_X$ |
Sơ đồ tư duy, bảng tóm tắt công thức, các mẹo ghi nhớ và lỗi sai thường gặp.
Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 27 câu bám sát SGK nhé!
Cùng luyện Bài 22 – Phản ứng hạt nhân!
27 câu: 21 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn