Phản ứng hạt nhân và sự phóng xạ
Các proton trong hạt nhân mang điện tích dương nên đẩy nhau bằng lực đẩy Coulomb nhưng hạt nhân vẫn bền là nhờ lực hạt nhân mạnh. Đây là lực mạnh nhất trong 4 lực cơ bản của tự nhiên được biết đến nay, có bán kính tác dụng dưới 10-15 m. Lực này liên kết các nucleon (proton và neutron) với nhau tạo thành hạt nhân. Người ta phân biệt một hạt nhân bằng số hiệu nguyên tử $Z$ (số proton) và số khối $A$ hay số nucleon (tổng số proton và neutron) và kí hiệu hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố ${}_Z^A{\text{X}}$.
Tuy nhiên, một số hạt nhân tự nó mất ổn định hoặc do tác động từ bên ngoài chẳng hạn tương tác với một hạt nhân khác, biến đổi thành hạt nhân của nguyên tố khác. Quá trình này gọi là phản ứng hạt nhân. Chẳng hạn phản ứng sau biến hai hạt nhân X và Y thành C và D \[{}_{{Z_1}}^{{A_1}}X + {}_{{Z_2}}^{{A_2}}Y \to {}_{{Z_3}}^{{A_3}}C + {}_{{Z_4}}^{{A_4}}D.\]
Hệ thức Einstein cho năng lượng và khối lượng
Hệ thức Einstein giữa khối lượng và năng lượng \[E = m{c^2}.\] Mỗi hạt nhân ${}_Z^A{\text{X}}$ có cấu tạo từ $Z$ proton và $(A – Z)$ neutron nhưng khối lượng $m$ của hạt nhân lại khác với tổng khối lượng của các nucleon. Ta gọi độ hụt khối của hạt nhân là \[\Delta m = \left[ {Z{m_{\text{p}}} + (A - Z){m_{\text{n}}}} \right] - m\] trong đó $m$ là khối lượng hạt nhân X, ${m_{\text{p}}}$ là khối lượng proton và ${m_{\text{n}}}$ là khối lượng neutron. Năng lượng tương ứng với độ hụt khối là năng lượng liên kết hạt nhân hay năng lượng giải phóng khi tổng hợp hạt nhân \[\Delta E = \Delta m{c^2}.\] Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân là năng lượng kiên kết tính trung bình cho mỗi nucleon \[\Delta {E_{\text{r}}} = \frac{{\Delta E}}{A}.\] Hạt nhân có năng lượng kiên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
Phản ứng tỏa hay thu năng lượng
Muốn biết một phản ứng hạt nhân tỏa hay thu năng lượng ta có các cách sau
1. So sánh năng lượng (khối lượng) nghỉ, nếu \[{m_{{\text{VT}}}} = {m_1} + {m_2} > {m_{{\text{VP}}}} = {m_3} + {m_4}\] thì phản ứng tỏa năng lượng và ngược lại (VT: vế trái, VP: vế phải).
2. So sánh năng lượng (khối lượng) liên kết, nếu \[\Delta {m_{{\text{VT}}}} > \Delta {m_{{\text{VP}}}}\] thì phản ứng thu năng lượng và ngược lại.
Nhiệt tỏa ra/thu vào trong phản ứng \[Q = ({m_{{\text{VT}}}} - {m_{{\text{VP}}}}){c^2}.\] Nếu $Q > 0$ thì phản ứng tỏa nhiệt, các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạt ban đầu nghĩa là bền vững hơn. Nếu $Q < 0$ thì phản ứng thu nhiệt, các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn các hạt ban đầu nghĩa là kém bền hơn.
Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
Cho phản ứng hạt nhân ${}_{{Z_1}}^{{A_1}}X + {}_{{Z_2}}^{{A_2}}Y \to {}_{{Z_3}}^{{A_3}}C + {}_{{Z_4}}^{{A_4}}D$, phản ứng này tuân thủ các định luật sau1. Định luật bảo toàn số khối hay số nucleon: tổng số khối vế trái bằng tổng số khối vế phải \[{A_{{\text{VT}}}} = {A_{{\text{VP}}}} \Leftrightarrow {A_1} + {A_2} = {A_3} + {A_4}.\] 2. Định luật bảo toàn điện tích: tổng đại số các điện tích hay số Z ở hai vế phải bằng nhau \[{Z_{{\text{VT}}}} = {Z_{{\text{VP}}}} \Leftrightarrow {Z_1} + {Z_2} = {Z_3} + {Z_4}.\] 3. Định luật bảo toàn động lượng của hệ các hạt tham gia phản ứng (không có định luật bảo toàn khối lượng) \[{\vec p_{{\text{VT}}}} = {\vec p_{{\text{VP}}}} \Leftrightarrow {\vec p_1} + {\vec p_2} = {\vec p_3} + {\vec p_4}.\] 4. Định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng tỏa ra/thu vào trong phản ứng bằng biến thiên động năng của hệ \[\Delta K = {K_{{\text{VP}}}} - {K_{{\text{VT}}}} = Q.\] $K$ là động năng (trong VLHN, ta kí hiệu động năng là $K$), $Q$ là nhiệt lượng tỏa ra/thu vào trong phản ứng.
Sự phóng xạ
Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân tự biến đổi bằng cách phát ra các hạt có khối lượng bé. Người ta phân biệt các loại phóng xạ bằng các hạt nó phát ra hay loại tia phóng xạ. Có 3 loại tia phóng xạ
- 1. Tia alpha: là dòng tia của hạt nhân nguyên tử ${}_2^4He$ mang điện tích dương.
- 2. Tia beta: gồm 2 loại
- Tia ${\beta ^ - }$ là dòng hạt electron, bị hút về phía bản dương của tụ điện.
- Tia ${\beta ^ + }$ là dòng hạt positron, lệch về phía bản âm. Positron là phản hạt của electron, các phản hạt có cùng khối lượng, cùng độ lớn điện tích nguyên tố nhưng trái dấu nhau.
Phóng xạ ${\beta ^ - }$ và ${\beta ^ +}$ không bao giờ diễn ra đồng thời. - Tia gamma ($\gamma$): là sóng điện từ năng lượng cao
Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ không phụ thuộc vào các tác nhân ngoài nguyên tử mà chỉ phụ thuộc vào bản chất nguyên tử, do lực hạt nhân yếu dẫn dắt. Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một thời gian $T$ gọi là chu kì bán rã, cứ sau mỗi chu kì này thì một nửa số nguyên tử của chất phóng xạ đã biến đổi thành chất khác.
Phóng xạ cũng là một loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng. Các tia phóng xạ là sản phẩm của phản ứng hạt nhân. Các phương trình phản ứng tương ứng với mỗi loại phóng xạ là
1. Phóng xạ alpha $({}_2^4He)$
\[{}_Z^AX \to {}_2^4He + {}_{Z - 2}^{A - 2}Y.\] Hạt nhân sản phẩm/hạt nhân con lùi 2 ô trong hệ thống tuần hoàn và có số khối nhỏ hơn 4 đơn vị so với hạt nhân mẹ.
2. Phóng xạ beta $({}_{ \pm 1}^0e)$
\[{}_Z^AX \to {}_{ \pm 1}^0e + {}_{Z \pm 1}^AY.\] Hạt nhân con tiến hay lùi một ô và có cùng số khối so với hạt nhân mẹ.
Bản chất của phóng xạ ${\beta ^ - }$ là sự phân rã của một neutron trong hạt nhân \[n \to p + {e^ - } + \nu \] còn bản chất của phóng xạ ${\beta ^ + }$ là sự phân rã của một proton trong hạt nhân \[p \to n + {e^ + } + \nu.\] $\nu$ là hạt neutrino không mang điện, có khối lượng dự đoán cực kì nhỏ nên di chuyển với vận tốc ánh sáng và hầu như không tương tác với vật chất, do đó rất khó phát hiện.
3. Phóng xạ gamma $({}_0^0\gamma )$ \[{}_Z^A{X^ * } \to {}_Z^AX + \gamma.\] Đây là phóng xạ đi kèm với các phóng xạ alpha và beta, không gây sự biến đổi hạt nhân nào. Sau một phóng xạ alpha hoặc beta, hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích $({X^ * })$, nó sẽ tự chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp và bức xạ tia gamma.
Đổi đơn vị
\[1\,{\text{u}} = \frac{1}{{12}}{m_{{}_6^{12}C}} = \frac{1}{{{N_{\text{A}}}}}.\] 1 u = 1,66055.10-27 kg = 931 MeV/c2,1 kg = 9.1016 J/s2 = 5,6.1029 MeV/c2,
mp = 1,007665u; mn = 1,009865u; me = 1,00086u.
Số hạt trong một khối lượng (tính bằng gram) của chất có nguyên tử lượng $M$ (thường lấy bằng số khối $A$) \[N = \frac{m}{M}{N_{\text{A}}}.\]