Lý thuyết Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết - Vật lí 12 Kết nối tri thức

Bài 22. Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

I. Phản ứng hạt nhân

1. Các loại phản ứng hạt nhân

- Quá trình biến đổi hạt nhân này thành hạt nhân khác là phản ứng hạt nhân

- Phản ứng hạt nhân thường được chia làm hai loại:

+ Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với các hạt khác tạo ra các hạt nhân mới

VD: phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp hạt nhân

+ Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân mới

VD: hiện tượng phân rã hạt nhân \({}_{92}^{238}U\) được công bố lần đầu tiên trên thế giới bởi Henri Becquerel (Hen-ri Béc-cơ-ren)

\({}_{92}^{238}U \to {}_{90}^{234}Th + {}_2^4He\)

2. Định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích trong phản ứng hạt nhân

- Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lí, trong đó hệ các hạt tương tác được xem là hệ kín, do đó phản ứng hạt nhân tuân theo nhiều định luật bảo toàn:

+ Định luật bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối A)

Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nucleon của các hạt trước phản ứng bằng tổng số nucleon của các hạt tạo thành sau phản ứng. Bảo toàn số nucleon cũng là bảo toàn số khối A

+ Định luật bảo toàn điện tích:

Tổng đại số các điện tích của các hạt trước phản ứng bằng tổng đại số các điện tích của các hạt tạo thành sau phản ứng

II. Năng lượng liên kết

1. Lực hạt nhân và năng lượng liên kết

- Lực tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân là lực hút, gọi là lực hạt nhân, có tác dụng liên kết các nucleon với nhau

- Lực hạt nhân không phải lực tĩnh điện, không phụ thuộc vào điện tích của nucleon

- Lực hạt nhân có cường độ rất lớn

- Năng lượng tối thiểu dùng để tác toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân bằng năng lượng liên kết của hạt nhân E_lk.

- Mức độ bền vững của một hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng liên kết riêng, năng lượng này được tính theo công thức:

\({E_{lkr}} = \frac{{{E_{lk}}}}{A}\)

- Hạt nhân có E_lkr càng lớn thì càng bền vững và ngược lại

2. Độ hụt khối

- Độ chênh kệch giữa tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng m_X của hạt nhân gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là ∆m

\(\Delta m = Z{m_{\rm{p}}} + (A - Z){m_{\rm{n}}} - {m_X}\)

3. Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng

- Năng lượng liên kết hạt nhân bằng năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân đó thành các nucleon riêng lẻ:

\({E_{{\rm{lk}}}} = \Delta m \cdot {c^2} = \left( {Z{m_{\rm{p}}} + \left( {A - Z} \right){m_{\rm{n}}} - {m_{\rm{x}}}} \right){c^2}\)

- Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho một nucleon. Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.

\({E_{{\rm{lkr}}}} = \frac{{{E_{{\rm{lk}}}}}}{A}\)

III. Phản ứng phân hạch hạt nhân

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn. Hai hạt nhân này, hay còn gọi là sản phẩm phân hạch, có số khối trung bình và bền vững hơn so với hạt nhân ban đầu.

1. Sự phân hạch uranium

Dùng neutron nhiệt bắt phá hạt nhân \({}_{92}^{235}U\), kết quả thu được các hạt nhân sản phẩm có số khối nhỏ hơn và giải phóng một số neutron.

Phương trình phản ứng: \(_0^1n + _{92}^{235}U \to _{92}^{236}{U^*} \to _{39}^{95}Y + _{53}^{138}I + 3_0^1n\)

Phản ứng toả ra năng lượng khoảng 200 MeV dưới dạng động năng của các hạt nhân sản phẩm.

2. Phản ứng phân hạch dây chuyền

Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch của uranium (hoặc plutonium, ... ) có thể kích thích các hạt nhân khác trong mẫu chất phân hạch tạo nên những phản ứng phân hạch mới. Kết quả là các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp tạo ra phản ứng dây chuyền và toả ra năng lượng rất lớn.

IV. Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

Ví dụ một phương trình phản ứng tổng hợp hạt nhân:

\(_1^2H + _1^2H \to _2^3He + _0^1n\)

Phản ứng này toả năng lượng khoảng 4 MeV

Điều kiện để xảy ra phản ứng là ở nhiệt độ rất cao cỡ 10⁷ đến 10⁸ K, mật độ đủ lớn, thời gian phản ứng đủ dài.

Sơ đồ tư duy về “Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết”