Bài giảng Điện nguyên tử - Chương 2: Hạt nhân nguyên tử trình bày về cấu trúc hạt nhân, sự tương tác giữa proton và nơtron, đồng vị của các nguyên tố, spin hạt nhân, lực hạt nhân, momen từ hạt nhân, khối lượng và năng lượng liên kết của hạt nhân, tương tác hạt nhân, sự phóng xạ của hạt nhân, phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền.
Nội dung Text: Bài giảng Điện nguyên tử - Chương 2: Hạt nhân nguyên tử
Chương 2
HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
2.1. Cấu trúc hạt nhân
Năm 1909 Rutherford tìm ra proton và năm
đã đưa ra mẫu hành tinh nguyên tử mới
n sát sự tán xạ của các hạt ỏ qua lá vàng m
đã khám phá được rằng: toàn bộ điện
rằng:
ơng của nguyên tố và hầu như toàn bộ khối lư
yên tử tập trung trong một vùng nhỏ tại
yên tử gọi là hạt nhân nguyên tử, còn các điệ
tử,
quay xung quanh theo các quỹ đạo xác
ơtron năm 1932,
o dựa trên hệ thức
Heisenberg, vào
4 xác định mẫu
gồm hai loại hạt
à notron, có tên
g là nuclon.
James Chadwick We
Heisenberg
à hạt mang điện tích dương,
bằng điện tích của electron e
19C, có khối lượng là mp =
0-27 kg.
à một hạt trung hoà về điện,
ượng lớn hơn khối lượng
ột chút, cụ thể là
48.10-27 kg.
ể tích của hạt nhân nguyên tử chỉ vào khoảng 10
10-14
tích nguyên tử, nhưng do khối lượng của electron rấ
: me = 9,1095.10-31 kg nên khối lượng của nguyên
31
ại chủ yếu tập trung ở hạt nhân nguyên tử.
ton trong hạt
ằng số thứ tự
nguyên tử Notron
ệ thống tuần
Proton
Menđeleev.
Electron
c gọi là số điện
y nguyên tử số.
ng số các nuclon trong hạt nhân gọi là số khối lượng
ậy: A = Z + N trong đó N là số nơtron.
ân nguyên tử được ký hiệu bằng ZXA, trong đó X là
uyên tử tương ứng. Ví dụ hạt nhân liti: 3Li7 có 3 prot
Sự tương tác giữa các proton và nơtron tuân
ao đổi hạt mezon. Có ba loại hạt mezon là:
ó điện tích bằng điện tích proton,
điện tích bằng điện tích electron
hạt không mang điện.
Khối lượng của ba hạt trên bằng cỡ 200 - 30
ượng electron tức là khoảng 0,25.10
0,25.10-27kg.
Sụ tương tác giữa các proton và nơtron thực
hả ộ+ thành nơtron: p ộ+ n
ấp thu ộ- thành nơtron: p + ộ- n
ú thể cho ra ộ0 và proton khỏc: p ộ0, + p
hả ộ- thành proton: n ộ- p Nơ
ành proton: n+ ộ ộ+ p
ú thể cho ra ộ0 và nơtron khỏc: n ộ0, n
ON-loại hạt sơ cấp không bền. Có 3 loại mezo
loại
n muy, mezon pi và mezon k. Các mezon tạo
từ một cặp quac và phản quac. Mezon ƒđ đư
ll tìm thấy vào năm 1947.
o hệ thức bất định về năng lượng ta có:
34
h 1,05 .10
h t 2
27 16
0 , 46
m X .C 0 , 25 .10 .9 .10
g đó: h là hằng số Planck
t là thời gian sống của hạt mezon.
t
g thời gian sống đó hạt mezon đi được một đoạn:
L = 0,466.10-23(s)3.108(m/s) = 1,399.10
23(s)3.108(m/s) 1,399.10-15m.
á trị này cũng gần bằng bán kính của hạt nhân, cho
L đôi khi còn được gọi là bán kính điện bởi nó xác đ
Đồng vị của các nguyên tố
ồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên
học nhưng có khối lượng khác nhau. Hạt nhâ
đồng vị có cùng số proton Z nhưng có số nơtr
nhau.
ụ: hyđro có ba đồng vị là: 1H1, 1D2, 1T3. Các
của ba đồng vị của hyđro đều có 1 proton nh
o thường 1H1 có nơtron, đơteri 1D2 có 1 nơt
T3 có 2 nơtron.
bon có bẩy đồng vị là: 6C10(T1/2=19,1s), 6C1
2=20,4phỳt), 6C12(98,892%), 6C13 (1,108%)
Đồng vị phóng xạ là đồng vị không bền vữ
a các nguyên tố có tính phóng xạ.
Trong thiên nhiên có chừng 50 đồng vị phó
tự nhiên nằm trong các họ phóng xạ, mà đồn
ởi đầu là các hạt nhân U235, U238, Th232 và
237 có chu kỳ bán rã rất lớn và tận cùng là cá
nhân bền
Pb206, Pb207, Pb298 và Bi209.
Ngoài ra người ta có thể tạo ra hàng nghì
ạt nhân như một đặc trưng lượng tử của hạt nhân, c
ương tự như momen động lượng của một vật quay.
yển động trong hạt nhân, các nuclon còn tự quay qu
ân nên chúng có spin kí hiệu là S, giá trị spin của nuc
/2.
cũng có momen xung lượng quỹ đạo vì nó chuyển
uanh hạt nhân:
L = [r. P].
Nếu tổng hợp hai chuyển động trên nuclon chuyển đ
hạt nhân sẽ có momen xung lượng toàn phần là:
J = Li + Si
xung lượng của từng nuclon:
A
J
i 1
Ji
c gọi là momen spin của các hạt nhân.
cơ học lượng tử người ta chứng minh là trị riêng củ
J j ( j 1) h
gọi là lượng tử spin của hạt nhân hay gọi tắt là Spin
hẵn thì spin là số nguyên 1, 2, 3 ...
Lực hạt nhân
Hạt nhân tồn tại được là do lực hạt nhân liên kết cá
lon trong một miền nhỏ không gian. Các nuclon tác d
nhau bằng hai lực chính. Một là lực đẩy tĩnh điện Cu
a các proton với nhau. Loại lực thứ hai là một lực hú
nh giữa các nuclon. Đó là một loại lực cho đến nay ta
a gặp. Lực này tồn tại cả giữa notron và prton nên
ng thể là lực tĩnh điện hoặc lực từ vì nếu là lực từ th
hỉ là lực hút đối với một số hướng tương đối nào đó
hạt mà không phải với mọi điều kiện như thử nghiệm
ng tỏ. Lực này lại rất mạnh nên không thể là lực hấp
ười ta gọi lực này là lực hạt nhân.
Lực hạt nhân là lực trao đổi:
men từ hạt nhân
nguyên lý Pauli, hạt nhân có
từ riêng ứng với momen spin
nên nó sẽ tác dụng với từ
ạo ra do sự chuyển động
ctron ở lớp vỏ, làm sinh ra
ợng phụ E của electron ở Pru
ơng tỏc với từ trường được tạo ra do sự chuyển độ
tron ở lớp vỏ nờn năng lượng phụ E phụ thuộc và
en từ hạt nhõn và sự định hướng của từ trường hạt
men từ của hạt nhân bằng tổng momen từ Sp
ất cả hạt nuclon cộng với tổng momen từ quỹ
ác proton:
Z (P) Z (P) A Z (n)
i 1
Li
i 1
Si
i 1
Si
hạng thứ nhất ở vế phải của biểu thức trên là
en từ quỹ đạo của các proton thứ i. Số hạng
vế phải của biểu thức trên là tổng momen từ
ác proton thứ i. Số hạng thứ ba ở vế phải của
n và momen từ hạt nhâ
ân:
Tên hạt Spin µn
Proton 1/2 2,97
Nơtron 1/2 -1,91
H2 1 0,86
He3 1/2 -2,13
Al27 5/2 3,65
Si29 1/2 -0,55
K40 4 -1,30
Zr91 5/2 -1,29
hạt nhõn:
hối lượng có liên hệ với nănglượng
n
ng thức:
E = m.c2
đôi khi người ta biểu diễn đơn vị
i
ối lượng là đơn vị của năng lượng
ụ: khối lượng của electron là:2
31 31 16 15
kg E 9,1.10 kg.9.10 ( m / s ) 81,910 j 0,5M
ượng của một đơn vị khối lượng nguy tử:
nguyên
27 11
có giá trị không đổi là NA = 6,022.1023.
thể dùng số mol để tính đơn vị khối lượng nguyên tử
ột chất:
3
1 12 . 10 kg 27
u 23
1, 66 . 10 kg .
12 6 , 022 . 10
hối lượng và năng lượng tương ứng của vài hạt nhâ
Khối lượng tính Khối lượng Nă
theo u (10-27 kg)
1,007276 1,6724 9
1,008665 1,6743 9
ạt nhân được hình thành thì luôn luôn nhỏ hơn khối l
ng các nuclon riêng lẻ tạo nên hạt nhân đó. Sự sai l
ượng đó gọi là độ hụt khối lượng m:
m Zm p ( A Z ) m n M
đó M là khối lượng của hạt nhân mới hình thành.
Ðiều này được giải thích như sau:
các nuclon kết hợp lại thành một hạt nhân, nó cần
ăng lượng để kết dính các nuclon. Năng lượng này
lượng liên kết. Ðể tạo ra năng lượng liên kết một ph
ượng của các nuclon thành phần tham gia kết dính s
E m .c Zm p ( A Z ) m n M c
2
. 2
ăng lượng liên kết của 8016 là:
E = [ 8Mp + 8Mn - M(8016)].c2
ược lại, từ một hạt nhân muốn phân nó ra thành các
phần, ta phải cung cấp một năng lượng E đúng bằng
iên kết.
so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính n
iên kết riêng đối với một nuclon và ta gọi nó là năng
E
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
