Kiến thức về hạt nhân Nguyên Tử – Vật Lý 12
Chuyên đề về hạt nhân nguyên tử là một phần tương đối quan trọng và thường xuyên xuất hiện trong cấu trúc đề thi tốt nghiệp THPT môn Vật Lý trong những năm gần đây. Các câu hỏi trong phạm vi chuyên đề này được chia thành 3 mức độ: Nhận biết (2 câu), thông hiểu (2 câu) và vận dụng (1 câu). Vì tầm quan trọng của chuyên đề này, giasuhanoi.edu.vn sẽ tổng hợp và chia sẻ kiến thức toàn diện về hạt nhân nguyên tử để hỗ trợ bạn trong quá trình ôn thi môn Vật Lý tốt nghiệp THPT một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất.
A. LÝ THUYẾT VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VẬT LÝ 12
I. Tính chất và cấu tạo của hạt nhân nguyên tử
1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
a. Cấu trúc của hạt nhân:
Hạt nhân của nguyên tử được hình thành bởi các hạt gọi là nuclon, bao gồm các thành phần chính sau:
- Proton (được ký hiệu là p): Proton có khối lượng là mp = 1,67262.10-27 kg và mang điện tích dương +e.
- Neutron (được ký hiệu là n): Neutron có khối lượng là mn = 1,67493.10-27 kg và không mang điện tích.
b. Ký hiệu của hạt nhân:
Ký hiệu của hạt nhân nguyên tử được thể hiện là:
AZX
Trong đó:
- X: Là ký hiệu hóa học của nguyên tố.
- Z: Được gọi là số hạt proton, còn được gọi là số hiệu nguyên tử. Số hiệu nguyên tử Z chính là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn.
- A: Là số khối, tức là tổng số hạt nuclon trong hạt nhân, bao gồm cả proton và neutron.
→ Do đó, có thể thấy rằng số lượng hạt neutron (N) bằng A trừ đi Z, tức là N = A – Z.
c. Kích thước của hạt nhân:
Hạt nhân của nguyên tử có kích thước vô cùng nhỏ đến mức mắt người bình thường không thể quan sát. Kích thước của hạt nhân nhỏ hơn kích thước nguyên tử từ 104 đến 105 lần.
Nếu chúng ta giả định rằng hạt nhân nguyên tử có hình dạng giống một quả cầu với bán kính là R, thì chúng ta có một mối quan hệ giữa R và A theo công thức sau:
d. Đồng vị của nguyên tố
Đồng vị là các hạt nhân có số proton (Z) giống nhau, nhưng số neutron (N) khác nhau. Do sự khác biệt về số lượng neutron, chúng có số khối (A) khác nhau.
Ví dụ: Nguyên tố Hydro có 3 đồng vị: 11H, 21H (Deuterium: 21D), và 31H (Tritium: 31T).
- Khối lượng của hạt nhân a. Đơn vị khối lượng của hạt nhân
- So với khối lượng của electron, khối lượng của hạt nhân rất lớn. Vì vậy, khối lượng của nguyên tử tập trung chủ yếu và gần như toàn bộ ở hạt nhân.
- Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, đơn vị đo khối lượng phổ biến là đơn vị khối lượng nguyên tử, được ký hiệu là “u”.
Đơn vị u được định nghĩa với giá trị bằng 1/12 khối lượng nguyên tử của đồng vị 126C.
Do đó, chúng ta có: 1u = 1,66055.10-27 kg.
Khối lượng của electron: me = 5,486.10-4u; Khối lượng của proton: mp = 1,00728u; Khối lượng của neutron: mn = 1,00866u.
b. Năng lượng và khối lượng của hạt nhân
Theo hệ thức Albert Einstein E=mc^2.
E = mc2
Trong đó:
m: là khối lượng của vật. c: là tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không, với giá trị c = 3.10^8 m/s.
Năng lượng tương ứng với khối lượng 1u (đơn vị tính là eV – Electron Volt) có thể tính như sau:
E = mc^2 ≈ 931,5 MeV
Do đó, năng lượng tương đương với khối lượng 1u là khoảng 931,5 MeV/c^2. MeV/c^2 cũng là một đơn vị để đo khối lượng hạt nhân.
Theo lý thuyết của Albert Einstein, khi một vật có khối lượng m0 ở trạng thái nghỉ, khối lượng của vật đó sẽ tăng lên thành m khi nó di chuyển với vận tốc v. Công thức tính khối lượng m của vật khi nó di chuyển được tính như sau:
Trong đó:
m0 là khối lượng ở trạng thái nghỉ của vật; m là khối lượng của vật khi nó đang chuyển động; v là vận tốc của vật trong quá trình chuyển động.
Khi đó, năng lượng của vật trong quá trình chuyển động có thể tính bằng công thức:
Năng lượng này được gọi là năng lượng toàn phần.
Do đó, ta có: E – E0 = (m – m0)c^2, đây là công thức để tính động năng của vật.
II. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN – PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1. Lực hạt nhân
Lực hạt nhân là tác dụng tương tác giữa các nuclon bên trong hạt nhân, và nó thường là lực hút. Lực hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các nuclon lại với nhau.
Lưu ý rằng lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện và không phụ thuộc vào điện tích của các nuclon. So với lực hấp dẫn và lực điện, lực hạt nhân có cường độ lớn hơn rất nhiều (được gọi là lực tương tác mạnh), và nó chỉ có tác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclon nhỏ hơn hoặc bằng kích thước của hạt nhân (tương đương khoảng 10^-15 mét).
2. Độ hụt khối và năng lượng liên kết của hạt nhân
a. Độ hụt khối
Khái niệm: Độ hụt khối của một hạt nhân là sự khác biệt giữa tổng khối lượng của các nuclon trong hạt nhân và khối lượng của hạt nhân đó, được ký hiệu là Δm. Độ hụt khối thường được tính bằng công thức sau:
b. Năng lượng liên kết của hạt nhân
Năng lượng liên kết của một hạt nhân là lượng năng lượng tối thiểu cần thiết để tách các nuclon ra khỏi hạt nhân. Năng lượng liên kết của hạt nhân thường được tính bằng tích của độ hụt khối và bình phương vận tốc ánh sáng (c^2).
c. Năng lượng liên kết riêng
Năng lượng liên kết riêng được tính theo công thức
Wlk/A
Trong đó:
Wlk: là năng lượng liên kết A: là số khối
Năng lượng liên kết riêng cho chúng ta biết mức độ ổn định của nguyên tử và thường là những hạt nhân có số khối A trong khoảng từ 50 đến 95, nằm trong bảng tuần hoàn.
3. Phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân là các phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác với nhau và trải qua biến đổi để hình thành các hạt nhân mới.
Ví dụ về phản ứng hạt nhân:
Phản ứng hạt nhân có thể được chia thành hai loại chính: Phản ứng hạt nhân tự phát và phản ứng hạt nhân kích thích.
- Phản ứng hạt nhân tự phát: xảy ra khi một hạt nhân phân rã tự nhiên do không ổn định, tạo ra các hạt nhân mới.
Ví dụ: Quá trình phóng xạ.
- Phản ứng hạt nhân kích thích: xảy ra khi các hạt nhân tương tác với nhau để tạo ra các phản ứng mới.
Ví dụ: Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch.
a. Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
- Định luật bảo toàn số hạt proton (hoặc bảo toàn điện tích):
Tổng số hạt proton của các hạt không đổi trước và sau phản ứng.
Ví dụ: Dựa vào ví dụ về phản ứng hạt nhân, theo định luật bảo toàn số hạt proton, chúng ta có:
Z1 + Z2 = Z3 + Z4
- Định luật bảo toàn số hạt neutron:
Tổng số hạt neutron của các hạt không đổi trước và sau phản ứng.
Ví dụ: Dựa vào ví dụ về phản ứng hạt nhân, theo định luật bảo toàn số hạt neutron, chúng ta có:
N1 + N2 = N3 + N4
- Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần:
Năng lượng toàn phần bao gồm cả năng lượng dạng thông thường (như động năng hoặc năng lượng lượng tử) và năng lượng ở trạng thái nghỉ.
Tổng năng lượng toàn phần của các hạt không đổi trước và sau phản ứng.
- Định luật bảo toàn động lượng: p1 = mv1
Tổng động lượng của tất cả các hạt trước phản ứng bằng tổng động lượng của tất cả các hạt sau phản ứng.
* Lưu ý: Trong phản ứng hạt nhân, không có sự bảo toàn năng lượng nghỉ.
b. Năng lượng phản ứng hạt nhân:
mt = mA + mB: là tổng khối lượng của các hạt trước phản ứng hạt nhân.
ms = mC + mD: là tổng khối lượng của các hạt sau phản ứng hạt nhân.
B. SƠ ĐỒ TƯ DUY HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
Trên đây là toàn bộ kiến thức về nguyên tử hạt nhân môn Vật Lý lớp 12, dành cho các bạn đang ôn thi tốt nghiệp THPT. Hy vọng rằng bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ lý thuyết và các dạng bài tập phổ biến. Chúc bạn đạt được kết quả xuất sắc trong kỳ thi sắp tới!
