Ôn Thi Đại Họcby ToanKhonTech
Kiến thức trọng tâmLớp 12

Cấu trúc hạt nhân và năng lượng hạt nhân

Ôn thành phần hạt nhân, đồng vị, lực hạt nhân, độ hụt khối, năng lượng liên kết riêng, phản ứng hạt nhân, phân hạch và nhiệt hạch kèm dạng bài tính năng lượng.

Phần Vật lí hạt nhân chiếm khoảng một phần tư số câu của đề. Riêng chủ đề này thường có 2–3 câu ở phần I (cấu tạo, đồng vị, phân hạch – nhiệt hạch), một câu đúng/sai về nhà máy điện hạt nhân hoặc bảng năng lượng liên kết riêng, và gần như chắc chắn một câu trả lời ngắn tính năng lượng liên kết hoặc năng lượng phản ứng. Cần thuộc ba hằng số: mpm_p, mnm_n và 1 u=931,5 MeV/c21\,\text{u} = 931{,}5\,\text{MeV}/c^2.

Kiến thức trọng tâm

Hạt nhân nguyên tử

Thí nghiệm tán xạ hạt α\alpha của Rutherford: chiếu chùm hạt α\alpha vào lá vàng mỏng, hầu hết hạt đi thẳng, một số ít bị lệch mạnh, rất ít bị bật ngược lại. Kết luận: nguyên tử có một hạt nhân mang điện dương, kích thước rất nhỏ (cỡ 10−1510^{-15} – 10−14 m10^{-14}\,\text{m}, nhỏ hơn nguyên tử khoảng 10410^{4} – 10510^{5} lần) nhưng chứa gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử.

XAZsố khối (số nucleon)số proton = số hiệu nguyên tửkí hiệu nguyên tốsố neutronN = A − Z
Kí hiệu hạt nhân ZAX^{A}_{Z}\text{X}, ví dụ 92235U^{235}_{92}\text{U} có 92 proton và 143 neutron.
  • Hạt nhân gồm ZZ proton (điện tích +e+e) và NN neutron (không mang điện), gọi chung là nucleon; số nucleon A=Z+NA = Z + N.
  • Đồng vị: các hạt nhân có cùng ZZ nhưng khác NN (khác AA), ví dụ 11H^{1}_{1}\text{H}, 12H^{2}_{1}\text{H}, 13H^{3}_{1}\text{H}; 612C^{12}_{6}\text{C}, 614C^{14}_{6}\text{C}. Đồng vị có cùng vị trí trong bảng tuần hoàn, tính chất hóa học như nhau.
  • Bán kính hạt nhân gần đúng R≈1,2⋅10−15A1/3 mR \approx 1{,}2\cdot10^{-15}A^{1/3}\,\text{m}.
  • Lực hạt nhân (lực tương tác mạnh): lực hút giữa các nucleon, rất mạnh, không phụ thuộc điện tích, chỉ có tác dụng trong phạm vi cỡ kích thước hạt nhân (∼10−15 m\sim 10^{-15}\,\text{m}). Nhờ đó các proton không bị lực đẩy Coulomb làm hạt nhân tan rã.

Khối lượng và năng lượng

Đại lượng Giá trị dùng trong bài tập
Đơn vị khối lượng nguyên tử 1 u=1121\,\text{u} = \dfrac{1}{12} khối lượng nguyên tử 612C^{12}_{6}\text{C} ≈1,66⋅10−27 kg\approx 1{,}66\cdot10^{-27}\,\text{kg}
Năng lượng tương ứng 1 u⋅c2≈931,5 MeV1\,\text{u}\cdot c^2 \approx 931{,}5\,\text{MeV}
Khối lượng proton mp≈1,00728 um_p \approx 1{,}00728\,\text{u}
Khối lượng neutron mn≈1,00866 um_n \approx 1{,}00866\,\text{u}
Electronvolt 1 eV=1,6⋅10−19 J1\,\text{eV} = 1{,}6\cdot10^{-19}\,\text{J}; 1 MeV=1,6⋅10−13 J1\,\text{MeV} = 1{,}6\cdot10^{-13}\,\text{J}
Tốc độ ánh sáng c=3⋅108 m/sc = 3\cdot10^{8}\,\text{m/s}

Hệ thức Einstein: vật có khối lượng mm có năng lượng nghỉ E=mc2E = mc^2.

Độ hụt khối và năng lượng liên kết

Khối lượng hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon riêng lẻ tạo nên nó.

Δm=Zmp+(A−Z)mn−mXWlk=Δm c2Wlkr=WlkA\begin{gathered} \Delta m = Zm_p + (A - Z)m_n - m_\text{X} \\ W_\text{lk} = \Delta m\,c^2 \qquad W_\text{lkr} = \frac{W_\text{lk}}{A} \end{gathered}
Đại lượng Kí hiệu Đơn vị thường dùng
Độ hụt khối Δm\Delta m u
Năng lượng liên kết WlkW_\text{lk} MeV
Năng lượng liên kết riêng WlkrW_\text{lkr} MeV/nucleon

Năng lượng liên kết là năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ. Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững: WlkrW_\text{lkr} càng lớn, hạt nhân càng bền. So sánh độ bền phải dùng WlkrW_\text{lkr}, không dùng WlkW_\text{lk}.

50100150200250246810OAWlkr (MeV/nucleon)²H⁴He⁶Li⁵⁶Fe²³⁵U²³⁸Unhiệt hạchphân hạch
Năng lượng liên kết riêng tính từ khối lượng nguyên tử đo được. Hạt nhân có AA khoảng 50 – 80 bền nhất; phân hạch và nhiệt hạch đều đưa hạt nhân về phía đỉnh đường cong nên tỏa năng lượng.

Phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân: A+B→C+D\text{A} + \text{B} \rightarrow \text{C} + \text{D}. Các định luật bảo toàn: số nucleon (tổng các số AA), điện tích (tổng các số ZZ), năng lượng toàn phần và động lượng. Không bảo toàn khối lượng nghỉ và không bảo toàn số proton, số neutron riêng rẽ.

Kí hiệu hạt hay gặp: neutron 01n^{1}_{0}n, proton 11p^{1}_{1}p (hay 11H^{1}_{1}\text{H}), hạt α\alpha là 24He^{4}_{2}\text{He}, electron −10e^{0}_{-1}e, positron +10e^{0}_{+1}e.

Năng lượng của phản ứng:

Q=(mtrước−msau) c2Q = (m_\text{trước} - m_\text{sau})\,c^2

Q>0Q > 0: phản ứng tỏa năng lượng (dưới dạng động năng các hạt sản phẩm, tia γ\gamma); Q<0Q < 0: phản ứng thu năng lượng.

Phân hạch và nhiệt hạch

Phân hạch Nhiệt hạch
Bản chất Hạt nhân nặng (92235U^{235}_{92}\text{U}, 94239Pu^{239}_{94}\text{Pu}) hấp thụ neutron chậm, vỡ thành hai hạt nhân trung bình, kèm 2 – 3 neutron Hai hạt nhân rất nhẹ (12H^{2}_{1}\text{H}, 13H^{3}_{1}\text{H}) kết hợp thành hạt nhân nặng hơn
Điều kiện Có neutron chậm; khối lượng nhiên liệu đủ lớn để duy trì phản ứng dây chuyền Nhiệt độ rất cao (cỡ 10710^{7} – 108 K10^{8}\,\text{K}) để thắng lực đẩy Coulomb
Năng lượng Khoảng 200 MeV200\,\text{MeV} mỗi phân hạch 235U^{235}\text{U} Mỗi phản ứng nhỏ hơn, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì lớn hơn phân hạch
Ứng dụng, ví dụ Nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng nghiên cứu Năng lượng của Mặt Trời và các sao; lò nhiệt hạch đang nghiên cứu
UUUU………neutron chậm²³⁵Umảnh phân hạch
Phản ứng dây chuyền. Trong lò phản ứng, thanh điều khiển (chứa boron, cadmium) hấp thụ bớt neutron để giữ trung bình mỗi phân hạch gây ra đúng một phân hạch tiếp theo (hệ số nhân neutron k=1k = 1).

Lò phản ứng gồm: nhiên liệu (uranium làm giàu), chất làm chậm neutron (nước, nước nặng, than chì), thanh điều khiển, chất tải nhiệt và vỏ bảo vệ. Nhiệt tỏa ra đun nước thành hơi làm quay tua bin máy phát điện.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Cấu tạo hạt nhân, đồng vị

Xem lời giải

Z=27Z = 27 proton; N=A−Z=60−27=33N = A - Z = 60 - 27 = 33 neutron. Chọn C. A là lỗi coi số khối là số neutron.

Dạng 2: Năng lượng liên kết riêng (trả lời ngắn)

Xem lời giải
  1. Số neutron: 56−26=3056 - 26 = 30.
  2. Δm=26⋅1,00728+30⋅1,00866−55,9207=0,52838 u\Delta m = 26\cdot1{,}00728 + 30\cdot1{,}00866 - 55{,}9207 = 0{,}52838\,\text{u}.
  3. Wlk=0,52838⋅931,5≈492,2 MeVW_\text{lk} = 0{,}52838\cdot931{,}5 \approx 492{,}2\,\text{MeV}.
  4. Wlkr=492,256≈8,79 MeV/nucleonW_\text{lkr} = \dfrac{492{,}2}{56} \approx 8{,}79\,\text{MeV/nucleon}.

Đáp số: 8,79. Lỗi hay gặp: chia cho ZZ thay vì AA, hoặc nhân Δm\Delta m với c2c^2 khi vẫn để đơn vị u.

Dạng 3: Hoàn thành phương trình phản ứng

Xem lời giải

Bảo toàn số nucleon: 4+14=17+AX⇒AX=14 + 14 = 17 + A_\text{X} \Rightarrow A_\text{X} = 1. Bảo toàn điện tích: 2+7=8+ZX⇒ZX=12 + 7 = 8 + Z_\text{X} \Rightarrow Z_\text{X} = 1.

X là 11H^{1}_{1}\text{H}, tức proton. Chọn B.

Dạng 4: Năng lượng tỏa ra của phản ứng (trả lời ngắn)

Xem lời giải
  1. mtrước=7,0144+1,00728=8,02168 um_\text{trước} = 7{,}0144 + 1{,}00728 = 8{,}02168\,\text{u}; msau=2⋅4,0015=8,0030 um_\text{sau} = 2\cdot4{,}0015 = 8{,}0030\,\text{u}.
  2. Δm=0,01868 u>0\Delta m = 0{,}01868\,\text{u} > 0 → phản ứng tỏa năng lượng.
  3. Q=0,01868⋅931,5≈17,4 MeVQ = 0{,}01868\cdot931{,}5 \approx 17{,}4\,\text{MeV}.

Đáp số: 17,4. Nhớ nhân 2 khối lượng hạt nhân helium.

Dạng 5: Phân hạch, nhiệt hạch trong thực tế (đúng/sai)

Xem lời giải

a) Đúng. Cần nhiệt độ cỡ 107 K10^{7}\,\text{K} để các hạt nhân có động năng đủ lớn, thắng lực đẩy Coulomb.

b) Sai. Phản ứng tỏa năng lượng nên sản phẩm bền hơn: WlkrW_\text{lkr} của 24He^{4}_{2}\text{He} (khoảng 7,1 MeV7{,}1\,\text{MeV}) lớn hơn nhiều.

c) Sai. Phản ứng dây chuyền do neutron là đặc điểm của phân hạch.

d) Đúng. Δm=Ec2=3,8⋅1026(3⋅108)2≈4,2⋅109 kg\Delta m = \dfrac{E}{c^2} = \dfrac{3{,}8\cdot10^{26}}{(3\cdot10^{8})^2} \approx 4{,}2\cdot10^{9}\,\text{kg} mỗi giây.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

  1. Hạt nhân 92235U^{235}_{92}\text{U} có bao nhiêu nucleon, proton, neutron?
Xem đáp án

235 nucleon, 92 proton, 143 neutron.

  1. Ba hạt nhân 11H^{1}_{1}\text{H}, 12H^{2}_{1}\text{H}, 13H^{3}_{1}\text{H} có quan hệ gì? Khác nhau ở điểm nào?
Xem đáp án

Là các đồng vị của hydrogen: cùng 1 proton, khác số neutron (0, 1, 2).

  1. Độ hụt khối 0,1 u0{,}1\,\text{u} tương ứng với năng lượng liên kết bao nhiêu MeV?
Xem đáp án

0,1⋅931,5=93,15 MeV0{,}1\cdot931{,}5 = 93{,}15\,\text{MeV}.

  1. Năng lượng nghỉ của 1 g1\,\text{g} vật chất là bao nhiêu jun?
Xem đáp án

E=mc2=10−3⋅(3⋅108)2=9⋅1013 JE = mc^2 = 10^{-3}\cdot(3\cdot10^{8})^2 = 9\cdot10^{13}\,\text{J}.

  1. Vì sao nhiệt hạch cần nhiệt độ rất cao còn phân hạch thì không?
Xem đáp án

Các hạt nhân nhẹ đều mang điện dương, phải có động năng rất lớn mới lại đủ gần để lực hạt nhân tác dụng. Phân hạch do neutron (không mang điện) gây ra nên không gặp lực đẩy Coulomb.

Kiểm tra lại kiến thức vừa ôn

Làm 10 câu luyện tập về cấu trúc hạt nhân và năng lượng hạt nhân và xem lời giải ngay sau mỗi câu.

Luyện tập ngay

Đề có câu hỏi về chủ đề này

ĐỀ SỐ 01Trung bìnhLàm thử miễn phí
Vật lí — Đề ôn luyện số 1

Đề sát cấu trúc đề thi tốt nghiệp: đủ bốn chương lớp 12, phần đúng/sai là các tình huống đo nhiệt dung riêng của nhôm, áp suất lốp ô tô, đo cảm ứng từ bằng khung dây treo vào lực kế và pin hạt nhân plutonium-238, nhiều câu đọc đồ thị.

28 câu · 50 phút
ĐỀ SỐ 02Cơ bảnLàm thử miễn phí
Vật lí — Đề ôn luyện số 2

Đề mức cơ bản, bám sát kiến thức trọng tâm lớp 12: đồ thị đun nước bằng ấm điện, thí nghiệm định luật Boyle với xilanh, nam châm rơi qua ống dây và đồng vị iodine-131 dùng trong y học; phù hợp để ôn lại định nghĩa, định luật và công thức cốt lõi.

28 câu · 50 phút
ĐỀ SỐ 03Nâng caoLàm thử miễn phí
Vật lí — Đề ôn luyện số 3

Đề nâng cao, tăng câu vận dụng nhiều bước: đo nhiệt hóa hơi riêng của nước bằng hai công suất, chu trình khí trên đồ thị p–V, máy phát điện xoay chiều qua đồ thị suất điện động và nhà máy điện hạt nhân; phần trả lời ngắn có bóng thám không, phản ứng nhiệt hạch.

28 câu · 50 phút