Công thức vật lý 12 chương 7: hạt nhân nguyên tử, bài 2: năng lượng liên kết của hạt nhân, phản ứng hạt nhân

Khái niệm: Lực hút giữa các nucleon trong hạt nhân để hạt nhân bền vững được gọi là lực hạt nhân.

Lực hạt nhân không có cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn. Lực này cũng được gọi là lực tương tác mạnh. 

Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân $(\approx {10}^{-15}m)$.

$W_{lk}=[Z{m}_p+(A-Z)m_n-m_X].c^2$

$W_{lk}=∆m{c}^2$

Phát biểu: Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số $c^2$.

Năng lượng liên kết là năng lượng tỏa ra khi kết hợp các nucleon thành hạt nhân, còn gọi là năng lượng tối thiểu để phá vỡ hạt nhân.

Chú thích: 

$W_{lk}$: năng lượng liên kết của hạt nhân $\left(MeV\right)$

$∆m$: độ hụt khối của hạt nhân $\left(u\right)$, $1u=931,5 MeV/c^2$

$c^2:$hệ số tỉ lệ, với $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không.

$W_{lkr}=\frac{W_{lk}}{A}$

Phát biểu: Năng lượng liên kết riêng là thương số giữa năng lượng liên kết $W_{lk}$và số nucleon $A$ (số khối). Đại lượng này đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân.

Chú thích:

$W_{lkr}$: năng lượng liên kết riêng $\left(MeV\right)$

$W_{lk}$: năng lượng liên kết của hạt nhân $\left(MeV\right)$

$A$: số khối

Lưu ý:

- Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

- Các hạt nhân có $50<A<80$ gọi là các hạt nhân trung bình $\Rightarrow$rất bền vững.

Phát biểu: Có 2 loại phản ứng hạt nhân:

- Phản ứng hạt nhân tự phát (quá trình phóng xạ).

- Phản ứng hạt nhân kích thích (quá trình phân hạch,...)

Tương tự như các quá trình tương tác cơ học của các hạt, các phản ứng hạt nhân cũng tuân theo các định luật bảo toàn.

1. Bảo toàn điện tích:

$Z_1+Z_2=Z_3+Z_4$ (các số $Z$ có thể âm)

2. Bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối $A$)

$A_1+A_2=A_3+A_4$ (các số $A$ luôn không âm)

Chú ý: Số hạt neutron $(A-Z)$ không bảo toàn.

3. Bảo toàn năng lượng toàn phần.

4.  Bảo toàn động lượng.

$∆m=Z{m}_p+ (A-Z)m_n-m_X$

Phát biểu: Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân đó. Độ chênh giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân.

Chú thích:

$∆m$: độ hụt khối của hạt nhân $\left(u\right)$

$Z$: số proton

$A-Z$: số neutron

$m_p, m_n$: khối lượng của proton và neutron $\left(u\right)$

$m_X$: khối lượng của hạt nhân $\left(u\right)$

Trong đó:

$m_n\approx 1,0087u$

$m_p\approx 1,0072u$

$m_1\overrightarrow{v_1}+m_2\overrightarrow{v_2}=m_3\overrightarrow{v_3}+m_4\overrightarrow{v_4}$

Chú thích:

$m_1, m_2$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần trước khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_1,} \overrightarrow{v_2.}$

$m_3, m_4$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần sau khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_3,} \overrightarrow{v_4.}$

Đơn vị tính: $kg.m/s$.

Lưu ý:

Với $\overrightarrow{p}=\overrightarrow{p_1}+\overrightarrow{p_2} biết \phi =(\overrightarrow{p_1};\overrightarrow{p_2})$

$\Rightarrow p^2={p_1}^2+{p_2}^2+2p_1{p}_2\cos \phi$

Với $p=m.v$

Trường hợp đặc biệt:

$\overrightarrow{p_1}\perp \overrightarrow{p_2} \Rightarrow p^2={p_1}^2+{p_2}^2$

$(m_A+m_B)c^2+K_A+K_B=(m_C+m_D)c^2+K_C+K_D$

Với $K_i=\frac{1}{2}{m}_i{v_i}^2$

Chú thích:

$m_1, m_2$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần trước khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_1,} \overrightarrow{v_2.}$ và động năng $K_1, K_2.$

$m_3, m_4$ $(kg hoặc u)$: khối lượng của các hạt thành phần sau khi xảy ra phản ứng hạt nhân, lần lượt ứng với $\overrightarrow{v_3,} \overrightarrow{v_4.}$ và động năng $K_3, K_4.$

Đơn vị tính của $K: Joule \left(J\right).$

$p^2=2mK$

Chứng minh: $\left\{\begin{array}{l}p=mv\\ K=\frac{1}{2}m{v}^2\end{array}\right.$

$\Rightarrow p^2=2mK$

Chú thích:

$p$: động lượng ứng với hạt có vận tốc $v$ và khối lượng $m$ $(kg.m/s)$

$K$: động năng ứng với hạt có vận tốc $v$ và khối lượng $m \left(J\right)$

$A+B\Rightarrow D+C+∆E$

$K_C=\frac{m_D}{m_D+m_C}.∆E$

$K_D=\frac{m_C}{m_C+m_D}.∆E$

Chú thích:

$A, B$ là các hạt thành phần trước phản ứng hạt nhân.

$C, D$ là các hạt thành phần sau phản ứng hạt nhân.

$∆E$ là năng lượng của phản ứng hạt nhân $\left(J\right)$

$m, K$ lần lượt là khối lượng và động năng tương ứng.

$A+B\to C+D+∆E$

$\%K_C=\frac{K_C}{∆E}.100\%=\frac{m_D}{m_D+m_C}.100\%$

$\%K_D=100\%-\%K_C$

Chú thích:

$A, B$ là các hạt thành phần trước phản ứng hạt nhân.

$C, D$ là các hạt thành phần sau phản ứng hạt nhân.

$∆E$ là năng lượng của phản ứng hạt nhân $\left(J\right)$

$m, K$ lần lượt là khối lượng và động năng tương ứng.

Quy ước:

$∆E>0$ thì phản ứng tỏa năng lượng.

$∆E<0$ thì phản ứng thu năng lượng.