Bài 22: Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

Rutherford đã cho chùm hạt alpha \(\left({ }_{2}^{4} \mathrm{He}\right)\), phóng ra từ nguồn phóng xạ \({ }_{84}^{210} \mathrm{Po}\) đặt tại P , bắn phá hạt nhân \({ }_{7}^{14} N\) có trong không khí được dẫn theo đường nạp và hút khí A (Hình 22.1). Kính hiển vi K dùng để quan sát vết sáng được tạo ra do hạt nhân đập vào màn phủ huỳnh quang \(S\). Từ kết quả thí nghiệm, ông cho rằng có hạt nhân \({ }_{1}^{1} H\) trong sản phẩm. Tuy nhiên, ông chưa đưa ra được kết luận về bản chất diễn biến của quá trình tương tác trên.

Tổng số điện tích (9), tổng số nucleon (18) của các hạt nhân trước và sau khi tương tác bằng nhau.

Bảo toàn số nucleon (số khối): \(\mathrm{A}_{1}+\mathrm{A}_{2}=\mathrm{A}_{3}+\mathrm{A}_{4}\)

Bảo toàn điện tích: \(Z_{1}+Z_{2}=Z_{3}+Z_{4}\)

a) Phương trình phản ứng hạt nhân:

\(\begin{array}{l}{ }_{92}^{235} U+{ }_{0}^{1} n \rightarrow{ }_{92}^{236} X \\ { }_{92}^{236} X \rightarrow{ }_{42}^{99} M o+3{ }_{0}^{1} n+{ }_{50}^{134} Y\end{array}\)

b) Dựa vào bảng hệ thống tuần hoàn thì X là Uranium (U) là một đồng vị của \({ }_{92}^{235} U\) và \(Y\) là thiếc \((S n)\).

Muốn phá vỡ một hạt nhân X ta phải cung cấp một năng lượng đúng bằng năng lượng mà hệ các hạt đã tỏa ra khi hạt nhân được tạo thành (năng lượng liên hết hạt nhân). Mà các nucleon liên kết với nhau bởi lực hạt nhân có cường độ rất lớn.

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

a) Dựa vào đồ thị thấy Fe và As là hạt nhân bền vững nhất. \(E_{l k r}\) của Fe khoảng 8,7 MeV, của As khoảng 8,6 MeV.

b) Năm hạt nhân nhẹ \((\mathrm{A} \leq 30)\) và có \(\mathrm{E}_{\mathrm{lkr}}\lt 8,2 \mathrm{MeV}\) là: Li, Be, \(\mathrm{B}, \mathrm{He}, \mathrm{N}\)

Bốn hạt nhân nặng \((A \geq 160)\) và có \(E_{l k r}\lt 8,2 \mathrm{MeV}\) là: \(\mathrm{Hf}, \mathrm{Au}, \mathrm{Bi}, \mathrm{U}\)

Độ hụt khối:

\(1 \mathrm{amu}=1,66054 \cdot 10^{-27} \mathrm{~kg}\)

a) Độ hụt khối:

Năng lượng liên kết:

Năng lượng liên kết riêng: \(E_{l k r}=\frac{E_{k k}}{A}=\frac{29,9}{4}=7,475 \mathrm{MeV} /\) nucleon

b) \(1 \mathrm{amu}=931,5 \mathrm{MeV} / \mathrm{c}^{2}\)

- 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.

- Đặc điểm của phản ứng phân hạch của Uranium: Sau mỗi phản ứng phân hạch có một số neutron được giải phóng, số neutron này lại tham gia và các phản ứng phân hạch tiếp theo.

- Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch của uranium (hoặc plutonium ...) lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân uranium (hoặc plutonium ...) khác ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân hạch tiếp diễn thành một dây chuyền. Số phân hạch tăng lên rất nhanh trong một thời gian rất ngắn, ta có phản ứng phân hạch dây chuyền.

- Gọi k là số neutron trung bình được giải phóng sau mỗi phân hạch đến kích thích các hạt nhân \({ }_{92}^{235} U\) khác để tạo nên những phản ứng phân hạch mới hình thành dây chuyền phản ứng. Khi \(\mathrm{k}\lt 1\) ứng với phản ứng phân hạch dây chuyền tắt dần, k >1 ứng với phân hạch dây chuyền tự duy trì.

Số hạt nhân \({ }_{92}^{235} \mathrm{U}\) có trong 1 kg là: \(\mathrm{N}=\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{A}} \cdot \mathrm{N}_{\mathrm{A}}=\frac{1000}{235} \cdot 6,02 \cdot 10^{23}=2,56 \cdot 10^{24}\)

Số phản ứng hạt nhân bằng với số hạt nhân \({ }_{92}^{235} \mathrm{U}\), nên năng lượng toả ra là: \(\mathrm{W}=2,56 \cdot 10^{24} \cdot 200=5,12 \cdot 10^{26} \mathrm{MeV}\).

- 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.

- Điều kiện xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân:

+ Nhiệt độ cần cho phản ứng khoảng \(10^{7}\) đến \(10^{8} \mathrm{~K}\).

+ Mật độ hạt nhân n phải đủ lớn, đồng thời thời gian \(\Delta t\) duy trì nhiệt độ cao cũng phải đủ dài. J. D. Lawson (Lau-sơn, nhà khoa học người Anh) đã chứng minh điều kiện: \(n \cdot \Delta t\gt 10^{14} \mathrm{~s} / \mathrm{cm}^{3}\).

- Nguyên tắc để biến một chất bất kì thành một chất mong muốn là xảy ra phản ứng hạt nhân.

- Tiềm năng khai thác sử dụng năng lượng hạt nhân: Năng lượng hạt nhân là năng lượng rất lớn thu được trong một phản ứng hạt nhân. Năng lượng hạt nhân khi hoạt động không phát thải khí độc hại như CO2 và metan, những chất nguy hiểm khác – nguyên nhân gây hiện tượng biến đổi khí hậu.

- Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn nên cần năng lượng lớn để phá vỡ lực liên hết hạt nhân vì vậy tỏa nhiệt lớn.

- 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 vì các hạt nhân đều mang điện tích dương nên muốn chúng hợp lại thì phải cung cấp cho chúng một động năng đủ lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện làm chúng kết hợp với nhau. Nên phản ứng này cũng tỏa năng lượng rất lớn.

- Nguồn gốc vạn vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc phân tử, tạo ra các nguyên tử, nguyên tố mới nhờ các phản ứng hạt nhân.