Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết là những khái niệm trung tâm trong vật lý hạt nhân, giải thích cách các hạt nhân tương tác, phân rã và giải phóng năng lượng. Hiểu rõ các loại phản ứng hạt nhân, định luật bảo toàn, năng lượng liên kết, phân hạch và tổng hợp hạt nhân không chỉ giúp học sinh nắm vững kiến thức Vật lý 12 mà còn là cơ sở cho các ứng dụng thực tế như điện hạt nhân, vũ khí hạt nhân, và nghiên cứu năng lượng sạch.
Bài viết này cung cấp phân tích chi tiết, công thức toán học, ví dụ minh họa và bài tập, giúp bạn học tập hiệu quả và dễ nhớ.
a) Phản ứng hạt nhân kích thích
Đây là quá trình mà một hạt nhân tương tác với các hạt khác (như neutron, proton, hạt alpha) để tạo ra các hạt nhân mới. Các phản ứng kích thích thường do con người kiểm soát và có ứng dụng trong điện hạt nhân.
Ví dụ: phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp hạt nhân.
b) Phản ứng hạt nhân tự phát
Phản ứng tự phát xảy ra khi một hạt nhân không bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác, giải phóng năng lượng mà không cần tác động bên ngoài.
Ví dụ điển hình là phân rã Uranium-238: ${}{92}^{238}U \to {}{90}^{234}Th + {}_2^4He$
Khám phá này được Henri Becquerel công bố đầu tiên trên thế giới, mở ra lĩnh vực nghiên cứu phóng xạ hạt nhân.
a) Bảo toàn số nucleon (số khối A)
Tổng số nucleon trước và sau phản ứng bằng nhau: $\sum A_{\rm trước} = \sum A_{\rm sau}$
Điều này có nghĩa là số lượng proton và neutron tổng cộng không đổi.
b) Bảo toàn điện tích (Z)
Tổng điện tích trước và sau phản ứng phải bằng nhau: $\sum Z_{\rm trước} = \sum Z_{\rm sau}$
Ví dụ minh họa:
Xét phản ứng: $_0^1n + _{92}^{235}U$ $ \to _{92}^{236}{U^*}$ $ \to _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_0^1n$
Năng lượng liên kết (Elk) là năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ.
Năng lượng liên kết riêng của một nucleon được tính bằng: $E_{lkr} = \frac{E_{lk}}{A}$
Trong đó:
Ví dụ: Khối lượng của hạt nhân Helium-4 là $m_{\rm He} = 4.0026$ u. Khối lượng proton $m_p = 1.0073$ u, neutron $m_n = 1.0087$ u.
Độ hụt khối: $\Delta m = 2{m_p} + 2{m_n} - {m_{{\rm{He}}}}$ $ = 21.0073 + 21.0087 - 4.0026$ $ = 0.0308{\rm{ u}}$
Năng lượng liên kết: ${E_{lk}} = \Delta m \cdot {c^2}$ $ \approx 0.0308 \cdot 931{\rm{ MeV}}$ $ \approx 28.7{\rm{ MeV}}$
Năng lượng liên kết riêng: $E_{lkr} = \frac{28.7}{4} \approx 7.18 \text{ MeV/nucleon}$
=> Helium-4 là hạt nhân rất bền.
Năng lượng liên kết riêng: $E_{lkr} = \frac{E_{lk}}{A}$
Ý nghĩa: năng lượng liên kết càng lớn → hạt nhân càng bền.
Ví dụ phản ứng phân hạch Uranium-235: $_0^1n + _{92}^{235}U$ $ \to _{92}^{236}{U^*}$ $ \to _{39}^{95}Y + _{53}^{138}I + 3_0^1n$
Neutron nhiệt phá hủy một hạt nhân → sinh ra 2–3 neutron → phá hủy các hạt nhân khác → tạo phản ứng liên tiếp.
$\Delta m = 3{m_p} + 3{m_n} - 6.0151$
= 31.0073 + 31.0087 - 6.0151 $ = 0.0324{\rm{ u}}$
$E_{lk} = 0.0324 * 931 \approx 30.2 \text{ MeV}$
$E_{lkr} = \frac{30.2}{6} \approx 5.03 \text{ MeV/nucleon}$
Bài tập 2: Cho phản ứng phân hạch: $_0^1n + _{92}^{235}U$ $ \to _{92}^{236}{U^*}$ $ \to _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_0^1n$
a) Kiểm tra định luật bảo toàn số khối và điện tích.
b) Nêu số neutron sinh ra và ý nghĩa phản ứng dây chuyền.
$\Delta m = 2*2.0141 - (3.0160 + 1.0087) = 4.0282 - 4.0247 = 0.0035 \text{ u}$
$E = 0.0035 * 931 \approx 3.26 \text{ MeV}$
Bài viết này cung cấp phân tích chi tiết, công thức toán học, ví dụ minh họa và bài tập, giúp bạn học tập hiệu quả và dễ nhớ.
I. Phản ứng hạt nhân
1. Các loại phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi một hạt nhân thành hạt nhân khác, có thể kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng. Tùy theo cơ chế xảy ra, phản ứng hạt nhân được chia thành hai loại chính:a) Phản ứng hạt nhân kích thích
Đây là quá trình mà một hạt nhân tương tác với các hạt khác (như neutron, proton, hạt alpha) để tạo ra các hạt nhân mới. Các phản ứng kích thích thường do con người kiểm soát và có ứng dụng trong điện hạt nhân.
Ví dụ: phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp hạt nhân.
b) Phản ứng hạt nhân tự phát
Phản ứng tự phát xảy ra khi một hạt nhân không bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác, giải phóng năng lượng mà không cần tác động bên ngoài.
Ví dụ điển hình là phân rã Uranium-238: ${}{92}^{238}U \to {}{90}^{234}Th + {}_2^4He$
Khám phá này được Henri Becquerel công bố đầu tiên trên thế giới, mở ra lĩnh vực nghiên cứu phóng xạ hạt nhân.
2. Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
Trong phản ứng hạt nhân, hệ các hạt được coi là hệ kín, do đó tuân theo các định luật bảo toàn quan trọng:a) Bảo toàn số nucleon (số khối A)
Tổng số nucleon trước và sau phản ứng bằng nhau: $\sum A_{\rm trước} = \sum A_{\rm sau}$
Điều này có nghĩa là số lượng proton và neutron tổng cộng không đổi.
b) Bảo toàn điện tích (Z)
Tổng điện tích trước và sau phản ứng phải bằng nhau: $\sum Z_{\rm trước} = \sum Z_{\rm sau}$
Ví dụ minh họa:
Xét phản ứng: $_0^1n + _{92}^{235}U$ $ \to _{92}^{236}{U^*}$ $ \to _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_0^1n$
- Trước phản ứng: tổng số khối $A = 1 + 235 = 236$, tổng điện tích $Z = 0 + 92 = 92$
- Sau phản ứng: tổng số khối $A = 141 + 92 + 3*1 = 236$, tổng điện tích $Z = 56 + 36 + 0 = 92$
II. Năng lượng liên kết
1. Lực hạt nhân và năng lượng liên kết
Các nucleon (proton và neutron) trong hạt nhân tương tác với nhau nhờ lực hạt nhân. Đây là lực hút rất mạnh, không phụ thuộc vào điện tích và chỉ tác dụng ở khoảng cách rất ngắn (~10⁻¹⁵ m).Năng lượng liên kết (Elk) là năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ.
Năng lượng liên kết riêng của một nucleon được tính bằng: $E_{lkr} = \frac{E_{lk}}{A}$
Trong đó:
- $E_{lk}$: năng lượng liên kết toàn hạt nhân (J hoặc MeV)
- $A$: số khối của hạt nhân
Ví dụ: Khối lượng của hạt nhân Helium-4 là $m_{\rm He} = 4.0026$ u. Khối lượng proton $m_p = 1.0073$ u, neutron $m_n = 1.0087$ u.
Độ hụt khối: $\Delta m = 2{m_p} + 2{m_n} - {m_{{\rm{He}}}}$ $ = 21.0073 + 21.0087 - 4.0026$ $ = 0.0308{\rm{ u}}$
Năng lượng liên kết: ${E_{lk}} = \Delta m \cdot {c^2}$ $ \approx 0.0308 \cdot 931{\rm{ MeV}}$ $ \approx 28.7{\rm{ MeV}}$
Năng lượng liên kết riêng: $E_{lkr} = \frac{28.7}{4} \approx 7.18 \text{ MeV/nucleon}$
=> Helium-4 là hạt nhân rất bền.
2. Độ hụt khối
Định nghĩa: Độ chênh lệch giữa tổng khối lượng các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng thực tế của hạt nhân: $\Delta m = Z m_p + (A-Z) m_n - m_X$- $Z$: số proton
- $A-Z$: số neutron
- $m_X$: khối lượng hạt nhân
Năng lượng liên kết riêng: $E_{lkr} = \frac{E_{lk}}{A}$
Ý nghĩa: năng lượng liên kết càng lớn → hạt nhân càng bền.
III. Phản ứng phân hạch hạt nhân
1. Sự phân hạch uranium
Phản ứng phân hạch là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn, đồng thời giải phóng năng lượng lớn và neutron.Ví dụ phản ứng phân hạch Uranium-235: $_0^1n + _{92}^{235}U$ $ \to _{92}^{236}{U^*}$ $ \to _{39}^{95}Y + _{53}^{138}I + 3_0^1n$
- Năng lượng giải phóng khoảng 200 MeV
- Hạt nhân sản phẩm bền vững hơn hạt nhân ban đầu
2. Phản ứng phân hạch dây chuyền
Neutron sinh ra sau phân hạch có thể kích thích các hạt nhân khác, tạo ra phản ứng dây chuyền.- Số neutron tối thiểu cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền gọi là số neutron tới hạn.
- Năng lượng giải phóng lớn, cơ sở cho sản xuất điện hạt nhân.
Neutron nhiệt phá hủy một hạt nhân → sinh ra 2–3 neutron → phá hủy các hạt nhân khác → tạo phản ứng liên tiếp.
IV. Phản ứng tổng hợp hạt nhân
1. Khái niệm
Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hợp thành hạt nhân nặng hơn, đồng thời giải phóng năng lượng.- Ngược với phân hạch (chia hạt nhân nặng thành nhẹ), tổng hợp là nối các hạt nhân nhẹ.
- Là nguồn năng lượng của Mặt Trời và sao.
2. Ví dụ và điều kiện
Ví dụ phản ứng tổng hợp Deuterium – Deuterium: $_1^2H + _1^2H \to _2^3He + _0^1n$- Giải phóng năng lượng khoảng 4 MeV.
- Điều kiện xảy ra:
- Nhiệt độ cực cao $T \sim 10^7 - 10^8$ K
- Mật độ hạt nhân đủ lớn
- Thời gian phản ứng đủ dài
V. Bài tập minh họa
Bài tập 1: Tính độ hụt khối và năng lượng liên kết của Hạt nhân Lithium-6, biết:- $m_{\rm Li6} = 6.0151$ u
- Proton: $m_p = 1.0073$ u
- Neutron: $m_n = 1.0087$ u
Giải
$\Delta m = 3{m_p} + 3{m_n} - 6.0151$
= 31.0073 + 31.0087 - 6.0151 $ = 0.0324{\rm{ u}}$
$E_{lk} = 0.0324 * 931 \approx 30.2 \text{ MeV}$
$E_{lkr} = \frac{30.2}{6} \approx 5.03 \text{ MeV/nucleon}$
Bài tập 2: Cho phản ứng phân hạch: $_0^1n + _{92}^{235}U$ $ \to _{92}^{236}{U^*}$ $ \to _{56}^{141}Ba + _{36}^{92}Kr + 3_0^1n$
a) Kiểm tra định luật bảo toàn số khối và điện tích.
b) Nêu số neutron sinh ra và ý nghĩa phản ứng dây chuyền.
Giải
- Số khối trước: $1 + 235 = 236$; số khối sau: $141 + 92 + 3*1 = 236$
- Điện tích trước: $0 + 92 = 92$; điện tích sau: $56 + 36 + 0 = 92$
- Số neutron sinh ra = 3 → có thể gây phản ứng dây chuyền.
Giải
$\Delta m = 2*2.0141 - (3.0160 + 1.0087) = 4.0282 - 4.0247 = 0.0035 \text{ u}$
$E = 0.0035 * 931 \approx 3.26 \text{ MeV}$
VI. Tổng kết
- Phản ứng hạt nhân: chia làm kích thích và tự phát.
- Định luật bảo toàn: số nucleon và điện tích luôn đúng trong mọi phản ứng.
- Năng lượng liên kết: biểu hiện độ bền hạt nhân; liên quan mật thiết đến độ hụt khối.
- Phản ứng phân hạch: vỡ hạt nhân nặng → sản phẩm nhẹ + năng lượng + neutron → phản ứng dây chuyền.
- Phản ứng tổng hợp: hạt nhân nhẹ kết hợp → hạt nhân nặng + năng lượng; là nguồn năng lượng sao.
- Bài tập minh họa giúp củng cố công thức tính năng lượng liên kết, độ hụt khối và kiểm tra định luật bảo toàn.
Last edited by a moderator:
