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

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Phản ứng hạt nhân

• Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân này thành hạt nhân khác.

Phân loại

• Phản ứng hạt nhân tự phát: hạt nhân tự biến đổi thành hạt nhân khác.

• Phản ứng hạt nhân kích thích: hạt nhân chỉ biến đổi khi tương tác với hạt khác.

1.2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Bảo toàn số khối: $\sum A_{\mathrm{tr}\mathrm{ướ}c}\mathrm{=\sum }{A}_{\mathrm{sau}}$

Bảo toàn điện tích: $\sum Z_{\mathrm{tr}\mathrm{ướ}c}\mathrm{=\sum }{Z}_{\mathrm{sau}}$

• Dùng để xác định hạt còn thiếu trong phương trình phản ứng hạt nhân.

1.3. Lực hạt nhân

• Là lực hút giữa các nucleon trong hạt nhân.

• Có cường độ rất lớn nhưng chỉ tác dụng trong phạm vi rất nhỏ.

• Là lực giữ các nucleon liên kết với nhau tạo thành hạt nhân.

1.4. Năng lượng liên kết

• Năng lượng liên kết $E_{\mathrm{lk}}$ là năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân thành các nucleon riêng rẽ.

• Đồng thời cũng là năng lượng tỏa ra khi các nucleon liên kết tạo thành hạt nhân.

Năng lượng liên kết riêng

$$E_{\mathrm{lkr}}=\frac{E_{\mathrm{lk}}}{A}$$

Trong đó:

• $A$ là số khối.

• $E_{\mathrm{lkr}}$ đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân.

• Hạt nhân càng bền vững thì $E_{\mathrm{lkr}}$ càng lớn.

1.5. Độ hụt khối

• Khối lượng hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon tạo nên hạt nhân.

Công thức

$$\Delta \mathrm{m=}\left[Z{m}_p\text{+(A-Z)}{m}_n\right]-m_X$$

Trong đó:

• $\Delta m$: độ hụt khối.

• $m_X$: khối lượng hạt nhân.

• Độ hụt khối là phần khối lượng đã chuyển hóa thành năng lượng liên kết.

1.6. Hệ thức Einstein

$$\mathrm{E=m}{c}^2$$

với: $\text{c=3×}{10}^{8}m/s$

Năng lượng liên kết: $E_{\mathrm{lk}}=\Delta m{c}^2$

• Đây là hệ thức liên hệ giữa độ hụt khối và năng lượng liên kết hạt nhân.

1.7. Phản ứng phân hạch

• Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn.

Đặc điểm

• Tỏa năng lượng lớn.

• Giải phóng neutron.

• Có thể tạo phản ứng dây chuyền.

1.8. Phản ứng nhiệt hạch

• Nhiệt hạch là phản ứng trong đó các hạt nhân nhẹ kết hợp thành hạt nhân nặng hơn.

Điều kiện

• Nhiệt độ rất cao (khoảng ${10}^7-{10}^{8}K$).

Đặc điểm

• Tỏa năng lượng rất lớn.

• Là nguồn năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao.

2. Hiểu sâu bản chất

💡 Độ hụt khối là phần khối lượng đã chuyển thành năng lượng liên kết.

💡 Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân.

💡 Hạt nhân có số khối trung bình là các hạt nhân bền vững nhất.

💡 Hạt nhân nhẹ có xu hướng tổng hợp; hạt nhân nặng có xu hướng phân hạch.

💡 Cả phân hạch và nhiệt hạch đều tỏa năng lượng vì tạo thành các hạt nhân bền vững hơn.

3. Ghi nhớ nhanh

• Bảo toàn số khối: $\sum A_{\mathrm{tr}\mathrm{ướ}c}\mathrm{=\sum }{A}_{\mathrm{sau}}$

• Bảo toàn điện tích: $\sum Z_{\mathrm{tr}\mathrm{ướ}c}\mathrm{=\sum }{Z}_{\mathrm{sau}}$

• Năng lượng liên kết riêng: $E_{\mathrm{lkr}}=\frac{E_{\mathrm{lk}}}{A}$

• Độ hụt khối: $\Delta \mathrm{m=}\left[Z{m}_p\text{+(A-Z)}{m}_n\right]-m_X$

• Hệ thức Einstein: $\mathrm{E=m}{c}^2$

• Năng lượng liên kết: $E_{\mathrm{lk}}=\Delta m{c}^2$

• Hạt nhân bền vững ⇔ $E_{\mathrm{lkr}}$ lớn.

• Phân hạch: hạt nhân nặng → các hạt nhân nhẹ.

• Nhiệt hạch: các hạt nhân nhẹ → hạt nhân nặng hơn.

4. Lưu ý cho học sinh

• Không nhầm năng lượng liên kết $E_{\mathrm{lk}}$ với năng lượng liên kết riêng $E_{\mathrm{lkr}}$.

• Hạt nhân bền vững hơn khi $E_{\mathrm{lkr}}$ lớn hơn, không phải khi $E_{\mathrm{lk}}$ lớn hơn.

• Khi xác định hạt còn thiếu trong phản ứng hạt nhân phải đồng thời bảo toàn $A$ và $Z$.

• Độ hụt khối luôn dương: $\Delta \mathrm{m>0}$

• Không nhầm độ hụt khối với khối lượng hạt nhân.

• Không sử dụng lẫn lộn khối lượng nguyên tử và khối lượng hạt nhân khi tính độ hụt khối.

• Phân hạch và nhiệt hạch đều tỏa năng lượng nhưng cơ chế hoàn toàn khác nhau.

• Phân hạch: hạt nhân nặng bị tách ra; nhiệt hạch: các hạt nhân nhẹ kết hợp lại.