Chương IV. Vật lí hạt nhân

Công thức trọng tâm

1. Cấu trúc hạt nhân

\({}_{Z}^{A}X\)
\(A=Z+N\)
\(N=A-Z\)
\(q_{hn}=+Ze\)
Trong đó:
  • \(A\): số khối, bằng tổng số nucleon.
  • \(Z\): số proton, còn gọi là số hiệu nguyên tử.
  • \(N\): số neutron.
  • \(X\): kí hiệu hóa học của nguyên tố.
Ghi chú: Số proton \(Z\) quyết định nguyên tố hóa học; các đồng vị có cùng \(Z\) nhưng khác \(A\).

2. Kích thước hạt nhân – Đơn vị khối lượng

\(R=1,2\times10^{-15}A^{1/3}\,m\)
\(1u=1,6605\times10^{-27}\,kg\)
\(1uc^2\approx931,5\,MeV\)
Trong đó:
  • \(R\): bán kính hạt nhân, đơn vị m.
  • \(A\): số khối của hạt nhân.
  • \(u\): đơn vị khối lượng nguyên tử.
Ghi chú: Kích thước hạt nhân cỡ \(10^{-15}m\), nhỏ hơn kích thước nguyên tử rất nhiều.

3. Phản ứng hạt nhân – Các định luật bảo toàn

\(\sum A_{trước}=\sum A_{sau}\)
\(\sum Z_{trước}=\sum Z_{sau}\)
\(\vec p_{trước}=\vec p_{sau}\)
\(E_{trước}=E_{sau}\)
Ngoài ra:
  • Bảo toàn số khối dùng để xác định \(A\) của hạt còn thiếu.
  • Bảo toàn điện tích dùng để xác định \(Z\) của hạt còn thiếu.
  • Bảo toàn động lượng thường dùng trong bài toán hạt nhân có vận tốc.
  • Bảo toàn năng lượng dùng khi xét năng lượng tỏa ra hoặc thu vào.
Ghi chú: Khi viết phương trình phản ứng hạt nhân, trước hết phải kiểm tra đồng thời bảo toàn \(A\) và \(Z\).

4. Độ hụt khối – Năng lượng liên kết

\(\Delta m=[Zm_p+(A-Z)m_n]-m_X\)
\(E_{lk}=\Delta mc^2\)
\(E_{lk}= \Delta m\cdot931,5\,MeV\)
\(E_{lkr}=\dfrac{E_{lk}}{A}\)
Trong đó:
  • \(\Delta m\): độ hụt khối.
  • \(m_p\): khối lượng proton.
  • \(m_n\): khối lượng neutron.
  • \(m_X\): khối lượng hạt nhân.
  • \(E_{lk}\): năng lượng liên kết.
  • \(E_{lkr}\): năng lượng liên kết riêng.
Ghi chú: Hạt nhân càng bền vững khi năng lượng liên kết riêng \(E_{lkr}\) càng lớn.

5. Hệ thức Einstein – Năng lượng phản ứng

\(E=mc^2\)
\(Q=(m_{trước}-m_{sau})c^2\)
\(Q=\Delta m\cdot931,5\,MeV\)
Quy ước:
  • \(Q>0\): phản ứng tỏa năng lượng.
  • \(Q<0\): phản ứng thu năng lượng.
  • \(c=3\times10^8\,m/s\): tốc độ ánh sáng trong chân không.
Ghi chú: Khi khối lượng tính theo \(u\), có thể dùng nhanh \(1uc^2\approx931,5\,MeV\).

6. Các dạng phóng xạ

\(\alpha:\ A\rightarrow A-4;\ Z\rightarrow Z-2\)
\(\beta^-:\ A\ \text{không đổi};\ Z\rightarrow Z+1\)
\(\beta^+:\ A\ \text{không đổi};\ Z\rightarrow Z-1\)
\(\gamma:\ A,Z\ \text{không đổi}\)
Ghi nhớ:
  • Phóng xạ \(\alpha\): phát ra hạt nhân heli \({}_{2}^{4}He\).
  • Phóng xạ \(\beta^-\): phát ra electron \({}_{-1}^{0}e\).
  • Phóng xạ \(\beta^+\): phát ra positron \({}_{+1}^{0}e\).
  • Phóng xạ \(\gamma\): là bức xạ điện từ năng lượng cao.
Ghi chú: Phóng xạ \(\gamma\) không làm thay đổi cấu tạo hạt nhân.

7. Định luật phóng xạ

\(N=N_0e^{-\lambda t}\)
\(N=N_0\left(\dfrac12\right)^{t/T}\)
\(n=\dfrac{t}{T}\)
\(N=\dfrac{N_0}{2^n}\)
Trong đó:
  • \(N_0\): số hạt nhân ban đầu.
  • \(N\): số hạt nhân còn lại sau thời gian \(t\).
  • \(\lambda\): hằng số phóng xạ.
  • \(T\): chu kì bán rã.
  • \(n\): số chu kì bán rã.
Ghi chú: Sau mỗi chu kì bán rã, số hạt nhân chưa phân rã giảm đi một nửa.

8. Chu kì bán rã – Hằng số phóng xạ

\(\lambda=\dfrac{\ln2}{T}\)
\(T=\dfrac{\ln2}{\lambda}\)
\(\Delta N=N_0-N\)
\(\Delta N=N_0\left(1-\dfrac1{2^n}\right)\)
Trong đó:
  • \(\Delta N\): số hạt nhân đã phân rã.
  • \(\lambda\): hằng số phóng xạ, đơn vị \(s^{-1}\).
  • \(T\): chu kì bán rã.
Ghi chú: Chu kì bán rã là đặc trưng riêng của mỗi chất phóng xạ.

9. Độ phóng xạ

\(H=\lambda N\)
\(H=H_0e^{-\lambda t}\)
\(H=H_0\left(\dfrac12\right)^{t/T}\)
\(H=\dfrac{H_0}{2^n}\)
Đơn vị:
  • \(1Bq=1\) phân rã/s.
  • \(1Ci=3,7\times10^{10}Bq\).
Ghi chú: Độ phóng xạ và số hạt nhân chưa phân rã giảm theo cùng quy luật thời gian.

10. Phân hạch – Nhiệt hạch

Phân hạch: hạt nhân nặng → hạt nhân nhẹ
Nhiệt hạch: hạt nhân nhẹ → hạt nhân nặng hơn
Ghi nhớ:
  • Phân hạch có thể tạo phản ứng dây chuyền.
  • Nhiệt hạch cần nhiệt độ rất cao.
  • Cả phân hạch và nhiệt hạch đều có thể tỏa năng lượng lớn.
Ghi chú: Hai quá trình đều tỏa năng lượng khi sản phẩm tạo thành bền vững hơn hạt ban đầu.
Nội dung Công thức cần nhớ Ghi chú
Cấu trúc hạt nhân \(A=Z+N;\ N=A-Z\) Dùng để xác định số proton, neutron, số khối.
Độ hụt khối \(\Delta m=[Zm_p+(A-Z)m_n]-m_X\) Khối lượng hạt nhân nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon.
Năng lượng liên kết \(E_{lk}=\Delta mc^2\) Nếu \(\Delta m\) tính bằng \(u\), dùng \(E=\Delta m\cdot931,5\,MeV\).
Định luật phóng xạ \(N=N_0\left(\dfrac12\right)^{t/T}\) Sau mỗi chu kì bán rã, \(N\) giảm một nửa.
Độ phóng xạ \(H=\lambda N\) \(H\) và \(N\) giảm theo cùng quy luật thời gian.

Cấu trúc hạt nhân

\(A=Z+N;\ N=A-Z\)

Dùng để xác định số proton, neutron, số khối.

Độ hụt khối

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

Khối lượng hạt nhân nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon.

Năng lượng liên kết

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

Nếu \(\Delta m\) tính bằng \(u\), dùng \(E=\Delta m\cdot931,5\,MeV\).

Định luật phóng xạ

\(N=N_0\left(\dfrac12\right)^{t/T}\)

Sau mỗi chu kì bán rã, \(N\) giảm một nửa.

Độ phóng xạ

\(H=\lambda N\)

\(H\) và \(N\) giảm theo cùng quy luật thời gian.

Chuyên đề Vật lí hạt nhân - Lớp 12

Bộ tài liệu được biên soạn theo chương trình GDPT 2018 (Kết nối tri thức), hệ thống các dạng bài tập về Chuyên đề Vật lí hạt nhân lớp 12. Trong mỗi dạng có phần lý thuyết, bài tập và hướng dẫn chi tiết.

📘 XEM CHUYÊN ĐỀ VẬT LÍ HẠT NHÂN