Công thức liên quan Chương VII: Hạt nhân nguyên tử.

$$\begin{gathered} N_{con}=∆N_{me} \\ \Rightarrow \frac{m_{con}}{A_{con}}=\left(1-2^{\frac{-t}{T}}\right)\frac{m_{me}}{A_{me}} \end{gathered}$$

Theo định luật bảo toàn động lượng $A\to B+C$

$$\begin{gathered} \stackrel{\rightharpoonup }{0}=m_B{\overrightarrow{v}}_B+m_C{\overrightarrow{v}}_C \\ \to \left\{\begin{array}{l}{v}_B⇅ v_c\\ \frac{v_B}{v_C}=\frac{m_C}{m_B}\end{array}\right. \end{gathered}$$

Khái niệm: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tỏa năng lượng, là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các vì sao. Thường chỉ diễn ra với các hạt nhân có số khối $A\le 10.$

VD: 

${}_1{}^{1}H + {}_1{}^{2}H \to {}_2{}^{3}He$

${}_1{}^{2}H + {}_1{}^{2}H \to {}_2{}^{4}He$

${}_1{}^{2}H + {}_1{}^{3}H \to {}_2{}^{4}He + {}_0{}^{1}n$

Điều kiện để có phản ứng nhiệt hạch xảy ra:

- Nhiệt độ cao (khoảng 50-100 triệu độ).

- Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.

- Thời gian duy trì trạng thái plasma phải đủ lớn.

Đặc điểm:

- Tính theo mỗi một phản ứng thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng ít hơn phản ứng phân hạch, tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng nhiều hơn.

- Sản phẩm của phản ứng nhiệt hạch sạch hơn (không có tính phóng xạ), không gây ô nhiễm môi trường.

Định nghĩa : Độ phóng xạ đặt trưng cho độ mạnh yếu của nguồn phóng xạ

Chú thích:

$H$: độ phóng xạ của một lượng chất hạt nhân sau thời gian t $(Bq, Ci)$

$H_0$: độ phóng xạ ban đầu của một lượng chất hạt nhân tại t=0 $(Bq, Ci)$

$N$: số hạt nhân tại thời điểm t

$T$: chu kì bán rã của hạt nhân $(s, h, ngày,...)$

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

Đổi đơn vị: $1Ci=3,7.{10}^{10}\left(Bq\right)$

Khái niệm: Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn (hai hạt nhân trung bình), kèm theo một vài neutron phát ra. Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng, đồng thời cũng gây ô nhiễm môi trường (phóng xạ).

VD: ${}_0{}^{1}n + {}_{92}{}^{235}U \to {}_{92}{}^{236}U \to {}_{53}{}^{139}I + {}_{39}{}^{94}Y + 3\left({}_0{}^{1}n\right) +\gamma$

- Mỗi hạt nhân ${}_{92}{}^{235}U$ khi phân rã tỏa năng lượng khoảng $200 \left(MeV\right).$

- Một vài nhiên liệu cơ bản của công nghiệp năng lượng hạt nhân: ${}_{92}{}^{235}U, {}_{92}{}^{238}U, {}_{94}{}^{239}Pu$.

- Các sản phẩm của phân hạch là những hạt nhân chứa nhiều neutron và phóng xạ ${\beta }^{-}.$

- Là loại phản ứng thường dùng trong các nhà máy hạt nhân.

( Nhà máy Cattenom)

Sau mỗi quá trình tạo ra thêm 2 hạt neutron : gọi k là bội số phân hạch (hệ số ${}_0{}^{1}n$ sau phản ứng).

+ Khi k <1 đây là phản ứng phân hạch không duy trì.

+ Khi k=1 đây là phản ứng dây chuyền có diều khiển. Số neutron dư đã được hút ra bên ngoài bằng những thanh chì , Cadimi.Khi đó công suất năng lượng sinh ra ổn định.

+ Khi k > 1 đây là phản ứng dây chuyền không kiểm soát sinh ra một lượng rất lớn và nguy hiểm. Nguyên nhân chính gây ra vụ nổ hạt nhân.

Khối lượng tới hạn : là khối lượng cần thiết của nguyên liệu phóng xạ để phản ứng có thể xảy ra

Chú thích: 

$∆N,∆m:$ số hạt nhân và khối lượng bị phân rã sau thời gian t

$N_0,m_0:$ số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại $t=0$

$t$: thời gian phân rã $(s, h, ngày,...)$

$T$: chu kì bán rã của hạt $(s, h, ngày,...)$

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

Khái niệm: Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi hằng số $\lambda$ được gọi là hằng số phóng xạ.

Chú thích:

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

$T$: chu kì bán rã của hạt nhân $\left(s\right)$

Phát biểu: Số hạt nhân phân rã của một nguồn giảm theo quy luật hàm số mũ.

Chú thích: 

$N,m:$ số hạt nhân và khối lượng còn lại vào thời điểm t.

$N_0,m_0:$ số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại $t=0.$

$t$: thời gian phân rã $(s, h, ngày,...)$

$T$: chu kì bán rã của nguyên tử, cứ sau mỗi chu kì này thì 1/2 số nguyên tử của chất ấy đã biến đổi thành một chất khác. $(s, h, ngày,...)$

$\lambda :$ hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

Chú thích: 

$∆N,∆m:$ số hạt nhân và khối lượng bị phân rã sau thời gian t

$N_0,m_0:$ số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại $t=0$

$t$: thời gian phân rã $(s, h, ngày,...)$

$T$: chu kì bán rã của hạt $(s, h, ngày,...)$

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

Khái niệm: Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững, đồng thời phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Trong đó, hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.

Đặc điểm:

- Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.

- Có tính tự phát và không điều khiển được.

- Là một quá trình ngẫu nhiên.

Phóng xạ $\alpha$:

Hạt nhân mẹ $X$ phân rã thành hạt nhân con $Y$, đồng thời phát ra tia phóng xạ $\alpha$ theo phản ứng sau:

${}_Z{}^{A}X\underset{}{\to }{}_{Z-2}{}^{A-4}Y+{}_2{}^{4}He$

Tia $\alpha$ là dòng các hạt nhân ${}_2{}^{4}He$ chuyển động với tốc độ vào cỡ $20000km/s.$Quãng đường đi được của tia $\alpha$ trong không khí chừng vài centimeter và và trong vật rắn chừng vài micrometer.

Phóng xạ ${\beta }^{-}$:

Phóng xạ ${\beta }^{-}$là quá trình phát ra tia ${\beta }^{-}$. Tia ${\beta }^{-}$ là dòng các electron $\left({}_{-1}{}^{0}e\right)$. 

Thực chất trong phân rã ${\beta }^{-}$còn sinh ra một hạt sơ cấp (gọi là phản hạt neutrino).

Phóng xạ ${\beta }^{+}$:

Phóng xạ ${\beta }^{+}$là quá trình phát ra tia ${\beta }^{+}$. Tia ${\beta }^{+}$ là dòng các positron $\left({}_1{}^{0}e\right)$. Positron có điện tích $+e$ và khối lượng bằng khối lượng electron. Nó là phản hạt của electron.

Thực chất trong phân rã ${\beta }^{+}$còn sinh ra một hạt sơ cấp (gọi là hạt neutrino).

- Hai quá trình phóng xạ ${\beta }^{+}$ và ${\beta }^{-}$ phát ra các hạt ${}_{-1}{}^{0}e$ và ${}_1{}^{0}e$ chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng, tạo thành các tia ${\beta }^{+}$ và ${\beta }^{-}$. Các tia này có thể truyền đi được vài meter trong không khí và vài milimeter trong kim loại.

Phóng xạ $\gamma$:

Hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và phát ra bức xạ điện từ $\gamma$, còn gọi là tia $\gamma$. Các tia $\gamma$ có thể đi qua được vài meter trong bê tông và vài centimeter trong chì.

Tia $\gamma$ có khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều so với tia $\alpha , \beta .$

So sánh đặc điểm giữa tia $\alpha , \beta , \gamma$:

- Trong điện trường:

+ Tia $\alpha$ bị lệch về phía bản tụ dương.

+ Tia $\beta$ lệch nhiều hơn tia $\alpha$, trong đó tia ${\beta }^{-}$ lệch về phía bản tụ dương và tia ${\beta }^{+}$ lệch về phía bản tụ âm.

+ Tia $\gamma$ không bị lệch trong điện trường đều.

- Khả năng ion hóa:

+ Tia $\alpha$ > Tia $\beta$ > Tia $\gamma$

- Khả năng đâm xuyên:

+ Tia $\alpha$ < Tia $\beta$ < Tia $\gamma$