Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết SVIP

I. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1. Thí nghiệm phát hiện phản ứng hạt nhân

Thí nghiệm của Rutherford: Rutherford cho chùm hạt alpha (\(_2^4He\)), phóng ra từ nguồn phóng xạ \(_{84}^{210}Po\) đặt tại P, bắn phá hạt nhân \(_7^{14}N\) có trong không khí được dẫn theo đường nạp và hút khí A. Kính hiển vi K dùng để quan sát vết sáng được tạo ra do hạt nhân đập vào màn phủ huỳnh quang S.

Ông cho rằng có hạt nhân \(_1^1H\) trong sản phẩm. Tuy nhiên, ông chưa đưa ra được kết luận về bản chất diễn biến của quá trình tương tác trên. 

Thí nghiệm của Patrick Blackett: Ông sử dụng buồng sương để chụp được dấu vết tương tác này, đó chính là vết sương rẽ nhánh. Buồng sương là một buồng hơi ở trạng thái siêu bão hòa, có thể tạo ra các vệt sương đủ to dọc theo đường đi của các hạt mang điện chuyển động mà mắt thường có thể nhìn thấy được.

Kết luận: Trong một số trường hợp, hạt \(_2^4He\) bắn phá hạt nhân \(_7^{14}N\) đã tạo ra hai hạt nhân mới đó là \(_8^{17}O\) và \(_1^1H\).

2. Các loại phản ứng hạt nhân

Người ta gọi quá trình biến đổi hạt nhân này thành hạt nhân khác là phản ứng hạt nhân. 

Ví dụ: Phương trình phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Blackett là:

\(_2^4He+_7^{14}N\rightarrow_8^{17}O+_1^1H\)

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 (hạt nhân, neutron,...) tạo ra các hạt nhân mới. Ví dụ: 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. Ví dụ: hiện tượng phân rã hạt nhân \(_{92}^{238}U\) được công bố lần đầu tiên trên thế giới bởi Henri Becquerel.

3. 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 là lực tĩnh điện, nó không phụ thuộc vào điện tích của nucleon.

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 \(E_{lk}\)_.

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

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

Hạt nhân có \(E_{lkr}\) càng lớn thì càng bền vững và ngược lại.

2. Độ hụt khối

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 \(_Z^AX\).

3. Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng

Theo thuyết tương đối của Einstein (Anh-xtanh), một vật có khối lượng \(m\) thì cũng có năng lượng tương ứng là \(E\) và ngược lại:

\(E=mc^2\)

Với \(c\) là tốc độ ánh sáng trong chân không.

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

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

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 của uranium

Phương trình phản ứng là

\(_0^1n+_{92}^{235}U\rightarrow_{39}^{95}Y+_{53}^{138}I+3_0^1n\)

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

Quan sát hình ảnh tiến trình phân hạch của Uranium \(\left(_{92}^{235}U\right)\):

• GĐ 1: \(_{92}^{235}U\) hấp thụ neutron thành \(_{92}^{236}U\)* ở trạng thái kích thích.
• GĐ 2: \(_{92}^{236}U\)* bị biến dạng.
• GĐ 3: Sau khoảng 10^-14 s, \(_{92}^{236}U\)* bị biến dạng đến mức không thể phục hồi.
• GĐ 4: \(_{92}^{236}U\)* phân hạch thành \(_{39}^{95}Y\), \(_{53}^{138}I\) và giải phóng 3 neutron.

Phương trình khái quát của phản ứng phân hạch:

\(_0^1n+_Z^AX\rightarrow_Z^{A+1}X\)*\(\rightarrow_{Z_1}^{A_1}X_1+_{Z_2}^{A_2}X_2+k_0^1n\)

Trong đó X₁ và X₂ là các hạt nhân có số khối trung bình và hầu hết là các hạt nhân phóng xạ; k = 1, 2, 3 là số hạt neutron được sinh ra. Quá trình phân hạch của \(_Z^AX\) là không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích \(_Z^{A+1}X\)* không bền vững.

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 tỏa 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. Sự tổng hợp hạt nhân chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao nên phản ứng này còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Vào năm 1927, Olophant đã dùng máy gia tốc để các hạt nhân \(_1^2H\) tương tác với nhau, kết quả tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân đầu tiên trên thế giới:

\(_1^2H+_1^2H\rightarrow_2^3He+_0^1n\)

Phản ứng này tỏa năng lượng khoảng 4 MeV.

1. Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi từ hạt nhân này thành hạt nhân khác, bao gồm phản ứng hạt nhân kích thích và phản ứng hạt nhân tự phát.

2. Trong phản ứng hạt nhân, số khối và điện tích của hệ được bảo toàn.

3. Phản ứng phân hạch là phản ứng hạt nhân trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn.

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

5. Độ hụt khối (\(\Delta m\)) của hạt nhân là độ chênh lệch tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng của hạt nhân.

6. Năng lượng \(E\) và khối lượng \(m\) tương ứng của cùng một vật được liên hệ với nhau thông qua hệ thức Einstein:

\(E=mc^2\)

trong đó, \(c\) là tốc độ của ánh sáng trong chân không.

7. Năng lượng liên kết riêng \(E_{lkr}\) của một hạt nhân có số khối A bằng:

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

trong đó, \(E_{lk}\) là năng lượng tối thiểu dùng để tách toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân, gọi là năng lượng liên kết hạt nhân. Hạt nhân càng bền vững khi \(E_{lkr}\) càng lớn.