Năng lượng liên kết hạt nhân SVIP

1. HỆ THỨC EINSTEIN VỀ MỐI LIÊN HỆ GIỮA KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG

Theo thuyết tương đối của Einstein (Anh-xtanh), hệ thức mô tả mối liên hệ giữa khối lượng $m$ và năng lượng $E$:

\(E=mc^2\)

Trong hệ SI, $E$ và $m$ lần lượt được đo bằng đơn vị jun (J) và kilôgam (kg), hằng số \(c=3.10^8\) m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.

❗Lưu ý: Khối lượng của một vật khi vật đó ở trạng thái nghỉ (đứng yên tương đối với người quan sát trong hệ quy chiếu quán tính) được gọi là khối lượng nghỉ, kí hiệu là \(m_0\). Năng lượng của vật khi ở trạng thái nghỉ được gọi là năng lượng nghỉ, kí hiệu là \(E_0\).

2. KHỐI LƯỢNG HẠT NHÂN

Do khối lượng của hạt nhân nguyên tử lớn hơn rất nhiều lần so với khối lượng của các electron nên ta có thể xem khối lượng hạt nhân xấp xỉ bằng khối lượng nguyên tử.

Để thuận lợi tính toán khối lượng của hạt nhân, người ta định nghĩa một đơn vị mới gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là amu. Đơn vị amu có giá trị bằng $\dfrac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử của đồng vị carbon-12:

1 amu \(\approx\) 1,66054.10^-27 kg

Trong thực tế đơn vị đo năng lượng thường được sử dụng trong vật lí hạt nhân là MeV. Mối liên hệ giữa đơn vị khối lượng nguyên tử và đơn vị của năng lượng theo MeV là:

1 amu \(\approx\) 931,5 MeV/c²

Như vậy, khối lượng còn có thể đo bằng đơn vị của năng lượng chia cho c², cụ thể có thể đo bằng J/c², eV/c² hoặc MeV/c².

3. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Lực hạt nhân

Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các nucleon và có tác dụng liên kết các nucleon với nhau để tạo thành hạt nhân.

Lực hạt nhân có bán kính tác dụng (khoảng cách giữa hai nucleon) rất ngắn, bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của hạt nhân, khoảng 10^-15 m. Khi khoảng cách giữa các nucleon lớn hơn kích thước hạt nhân, độ lớn của lực hạt nhân giảm về không.

Độ hụt khối. Năng lượng liên kết hạt nhân

Độ chênh lệch 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 \(\Delta m\):

\(\Delta m=\left[Zm_p+\left(A-Z\right)m_n\right]-m_X\)

Trong đó: 

• \(m_p\) là khối lượng hạt proton;
• \(m_n\) là khối lượng hạt neutron;
• \(m_X\) là khối lượng hạt nhân \(_Z^AX\).

Tương tác hạt nhân chỉ đáng kể khi các hạt nucleon nằm cách nhau một khoảng rất ngắn, bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của hạt nhân. Muốn tách nucleon ra khỏi hạt nhân, cần phải tốn năng lượng để thắng lực hạt nhân.

Năng lượng tối thiểu dùng để tách toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân bằng năng lượng liên kết hạt nhân \(E_{lk}\)_.

Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số \(c^2\).

\(E_{lk}=\Delta mc^2\)

Năng lượng liên kết riêng hạt nhân

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

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

Năng lượng liên kết riêng hạt nhân thường được đo bằng đơn vị MeV/nucleon. Hạt nhân có \(E_{lkr}\) càng lớn thì càng bền vững và ngược lại.

1. Hệ thức mô tả mối liên hệ giữa khối lượng $m$ và năng lượng $E$:

\(E=mc^2\)

Trong hệ SI, $E$ và $m$ lần lượt được đo bằng đơn vị jun (J) và kilôgam (kg), hằng số c = 3.10⁸ m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.

2. 1 amu có giá trị bằng \(\dfrac{1}{12}\) khối lượng của một nguyên tử của đồng vị \(_6^{12}C\).

$1\,amu=\dfrac{1}{12}.\dfrac{12}{6,02214.10^{23}}\,g\approx1,66054.10^{-27}\,kg$

3. Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các nucleon và có tác dụng liên kết các nucleon với nhau để tạo thành hạt nhân.

4. Độ hụt khối (\(\Delta m\)) của hạt nhân bằng hiệu giữa tổng khối lượng của các nucleon riêng rẽ tạo thành hạt nhân \(_Z^AX\) và khối lượng của hạt nhân \(_Z^AX\).

\(\Delta m=\left[Zm_p+\left(A-Z\right)m_n\right]-m_X\)

5. Năng lượng liên kết hạt nhân bằng năng lượng tối thiểu để tách một hạt nhân thành các nucleon riêng rẽ hoặc bằng năng lượng tỏa ra khi các nucleon riêng rẽ kết hợp thành hạt nhân.

\(E_{lk}=\Delta mc^2\)

Năng lượng liên kết hạt nhân thường được đo bằng đơn vị MeV.

6. Năng lượng liên kết riêng hạt nhân là năng lượng liên kết tính cho một nucleon.

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

Năng lượng liên kết riêng hạt nhân thường được đo bằng đơn vị MeV/nucleon. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.