Độ hụt khối và Năng lượng liên kết của hạt nhân là hai nội dung quan trọng ở phần Hạt nhân nguyên tử. Để giúp cho chúng ta nhận biết một cách tổng thể hơn về thế giới vật chất nói chung, ở bài học ngày hôm nay, các em học sinh sẽ cùng nhau tìm hiểu và nghiên cứu về các kiến thức liên quan đến Độ hụt khối, Lực hạt nhân và Năng lượng liên kết của hạt nhân.
Chào các em! Hôm nay mình qua Bài 2: Độ hụt khối năng lượng liên kết của chương hạt nhân. Ở bài đầu tiên mình đã xét tính chất và cấu tạo của hạt nhân, đơn vị như thế nào, năng lượng, khối lượng có liên hệ như thế nào, rồi nói về lực hạt nhân. Hôm nay mình xét độ hụt khối và năng lượng liên kết đây là vấn đề quan trọng của hạt nhân. I. Độ hụt khối: Xét hạt nhân: \(_{Z}^{A}\textrm{X}\) Gọi mp, mn lần lượt là khối lượng của 1 prôtôn và 1 nơtron. Khối lượng của các prôtôn và nơtron khi chưa liên kết thành hạt nhân X: m0 = Zmp + (A - Z).mn Khối lượng hạt nhân X: m = mx ⇒ Độ hụt khối: \(\Delta m=m_{0}-m_{X}\) ⇒ \(\Delta m=Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-m_{X}\) Ví dụ:  II. Năng lượng liên kết: Là năng lượng tỏa ra khi kết hợp các nuclôn thành hạt nhân \(W_{lk}=\Delta mc^2=[Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-m_{X}].c^2\) Năng lượng liên kết hạt nhân còn gọi là năng lượng tối thiểu để phá vỡ hạt nhân * Năng lượng liên kết riêng: Năng lượng liên kết riêng (Wlkr) là năng lượng kiên kết tính cho 1 nuclôn \(\Rightarrow W_{lkr}=\frac{W_{lk}}{A}=\frac{[Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-m_{X}]}{A}\) Để so sánh tính bền vững của hạt nhân ta dựa vào NL liên kết riêng ⇒ Hạt nhân có NL liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững (các hạt nhân có 50 < A < 80 gọi là các hạt nhân trung bình ⇒ rất bền vững) Ví dụ 1: Cho mHe = 40015u, mp = 1,0073u, mn = 1,0087u. Tìm năng lượng cần thiết để phá vỡ hạt nhân \(_{2}^{4}\textrm{He}\)? Lấy \(1u=931,5 \ \frac{MeV}{c^2}\) Giải: \(W_{lk}=[2.1,0073+2.1,0087-4,0015].uc^2\) \(= (2.1,0073+2.1,0087-4,0015). 931,5\) \(\Rightarrow W_{lk}=28,41 \ (MeV)\) Ví dụ 2: Cho năng lượng liên kết của \(_{2}^{4}\textrm{He}\) và \(_{26}^{56}\textrm{Fe}\) lần lượt là 28,41 MeV và 492 MeV. Hạt nhân nào bền hơn? Giải: \(W_{lkr \ (He)}= \frac{28,41}{4}=7,1\) Mev/Nuclôn \(W_{lkr \ (Fe)}= \frac{492}{56}= 8,8\) Mev/Nuclôn ⇒ Hạt nhân \(_{26}^{56}\textrm{Fe}\) bền hơn \(_{2}^{4}\textrm{He}\) §36. NĂNG LƯỠNG LIÊN KẾT CÙA HẠT NHÂN. PHÀN ƯNG HẠT NHÂN A. KIẾN THỨC Cơ BẢN Lực hạt nhân Lực tương tác giữa các nuclôn gọi là lực hạt nhân. Lực hạt nhân không có cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dần. Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân. Năng lượng liên kết của hạt nhân Độ hụt khôi Xét hạt nhân zX Khôi lượng các nuclon tạo thành hạt nhân X là: Zmp + (A - Z)mn Khôi lượng của hạt nhân là mx- Độ hụt khối: Am = Zmp + (A - Z)mn - nix Vậy khôi lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khôi lượng của các nuclôn rạo thành hạt nhân đó. Năng lượng liên kết Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khôi của hạt nhân với thừa sô' c2 Wilt = Am.c2 Năng lượng liên kết riêng —■ *-■ A Mức độ bền vững của hạt nhân tùy thuộc vào năng lượng liên kết riêng. Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững. Phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi của hạt nhân được chia làm hai loại: Phản ứng hạt nhân tự phát: quá trình phóng xạ. Phản ứng hạt nhân kích thích: phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân: Xét phản ứng hạt nhân: Ai A2 A* A4 "a +_b -»'x +_y z, z2 z, Z4 Bảo toàn điện tích: Zi + z2 = z3 + z4 Bảo toàn số nuclôn: Ai + A2 = A3 + A4 Bảo toàn năng lượng toàn phần Bảo toàn động lượng. Năng lượng của phản ứng hạt nhân w — (ưitrước msau)c 0 w > 0: Tỏa năng lượng (mtrước> msau) => wtỏa = w = (mtrước- msau) c2 w Wthu = |w| =- w B. CÂU HỎI TRONG BÀI HỌC 33 Giải thích rõ han Bảng 36.1. Phản ứng hoá học Phản ứng hạt nhân Biến đổi các phân tử Biến đổi các hạt nhân Bảo toàn các nguyên tử Biến đổi các nguyên tô Bảo toàn khối lượng nghỉ Không bảo toàn khôi lượng nghỉ Hướng dẫn trả lời So sánh phản ứng hạt nhân và phản ứng hóa học. Phản ứng hóa học: 2Na + 2HC1 -> 2NaCl + H2 Có sự biến đổi các phân tử như: HC1 đổi thành NaCl Có sự bảo toàn các nguyên tử: Sô’ các nguyên tử trước và sau phản ứng bằng nhau. Có sự bảo toàn khối lượng nghỉ: Tổng khôi lượng nghỉ trước và sau phản ứng bằng nhau. Phản ứng hạt nliân: gHe + “N +1,lMev —> Ịh + 17SO Có sự biến đổi các hạt nhân như: hạt nhân sinh ra khác với hạt nhân ban đầu. Có sự biến đổi các nguyên tố. Không bảo toàn khôi lượng nghỉ: Tổng khôi lượng nghỉ của các hạt sinh ra lớn hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt ban đầu. c. BÀI TẬP Hãy chọn câu đúng. Năng lượng liên kết riêng A. giống nhau với mọi hạt nhân. B. lớn nhất với các hạt nhân nhẹ. c. lớn nhất với các hạt nhân trung bình. D. lớn nhất với các hạt nhân nặng. Hãy chọn câu dũng. Bản chất lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là: A. lực tĩnh điện. B. lực hấp dẫn. c. lực điện từ. D. lực tương tác mạnh. Phạm vi tác dụng của lực tương tác mạnh trong hạt nhân là bao nhiêu'? A. 10~13cm. B. lO^cm. c. 10~10cm. D. Vô hạn. Hạt nhân nào có năng lượng liên kết riêng lớn nhất? A. Heli. B. Cacbon. c. sắt. D. Urani. Năng lượng liên kết của ^Ne là 160,64 MeV. Xác định khối lượng của nguyên tử „Ne. „ . W? Khối lượng nguyên tử của ^Fe là 55,934939u. Tinh Wch và -ỵ- 7. Hoàn chỉnh các phản ứng sau: ịLi + ? + '„n • fB + ? — 3^ + \He “CZ + ? -*%S+<2He 8. Phản ứng: ~h- >2(ịHe) Tỏa năng lượng 22,4 MeV. Tinh khối lượng nguyên tử của ịLi. (Khối lượng của3 H và 2 He coi như đã biết). 9. Chọn câu sai. Trong một phán ứng hạt nhân, có bảo toàn B. dộng lượng D. diện tích B. ỉ H + Ịh > ịHe D. 42He+ ị4N > |70+ [h A. năng lượng c. dộng năng Phản ứng nào sau đây thu năng lượng: A. 11H+ 2jH > 32He c. 2jH+ 3jH > ịỉle.+ Ặrt Hướng dẫn giải Chọn đáp án c. Năng lượng liên kết riêng lớn nhất với các hạt nhân trung bình là những hạt nhân nằm ở khoảng giữa của bảng tuần hoàn ứng với: 50 < A < 95. Chọn đáp án D. Bản châ't lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là lực tương tác mạnh. Chọn đáp án A. Phạm vi tác dụng của lực tương tác mạnh trong hạt nhân là 10“13cm. Chọn đáp án c. Vì hạt nhân Fe có số khôi trung bình 50 < A < 95 “Ne ■ wlk = (lOnip + 10mn - mNe)c2 = 160,64 Mev = 16„°’64uc2= 0,17245uc2 931,5 => 10.1,00728u+10.1,00866u - mNe = 0,17245u Khối lượng hạt nhân mne = 19,98695u Khối lượng nguyên tử “Ne là m = mNe + 10me => m = 19,98695u + 10.0,00055u m = 19,98695u Năng lượng liên kết của 2^Fe wik = (26mp + 30mn - mFe)c2 = (26.1,00728u + 30.1,0086u - 55,934939u).c2 = 0,514141uc2 = 0,514141.931,5Mev w,k = 478,9223415(Mev) Năng lượng liên kết riêng Wlk 478,9223415 _ «010,M , , , — = 8,55218(Mev / nuclon) A 56 Hoàn chỉnh các phản ứng |Li+ gX-> ỊBe+Jn Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số nuclôn 3 + Z = 4 + 0=>Z = l 6 + A=7 + l=>A = 2 Vậy aX=2H=2D |Lĩ+ 2D -> 7Be + gn “B+ ỊLi+ gHe Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số nuclôn 5 + Z = 3 + 2=>Z = 0 10 + A= 7 + 4=>A=l Vậy lx=ỉn ™B+ £n -> ỊLi+ ịĩĩe Tương tự: “C1 + ịx -> ®2S + 4Re => 35(31+iH—> igS+^He 2H+|Li->2(ịHe) Năng lượng tỏa ra w = (mH + mLi - 2mHe)c2 =-22’4-uc2 = 0,024uc2 931,5 => mLi = 0,024u + 2mHe - mH = 0,024u + 2.4,0015u - 2,0141u => mLi = 6,0129u Khôi lượng nguyên tử Li là m = mLi + 3.me = 6,0129u + 3.0,00055u m = 6,01455u. Chọn đáp án c. Trong phản ứng hạt nhân, không có bảo toàn động năng. Phản ứng thu nàng lượng là phản ứng D. 4He + ị4N + l,lMeV > ị7O+ |H Các phản ứng còn lại là phản ứng toả năng lượng: ỈH+ 2H > ®He + 23,8 MeV 2H+ 2H > 4He + 5,4 MeV c. 2H+ ?H > 4He + ồn + 17-6 MeV-
Với 20 Bài tập Cấu tạo hạt nhân, Năng lượng liên kết có lời giải Vật Lí lớp 12 tổng hợp 20 bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập Cấu tạo hạt nhân, Năng lượng liên kết từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí lớp 12. Câu 1:Phát biểu nào sau đây là đúng? A. Hạt nhân nguyên tử B. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo gồm Z prôton và A nơtron. C. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo gồm Z prôton và (A – Z) nơtron. D. Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo gồm Z nơtron và (A + Z) prôton. Lời giải: Hướng dẫn : Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo gồm Z prôton và (A – Z) nơtron Đáp án C Câu 2:Hạt nhân Lời giải: Hướng dẫn : Hạt nhân có 27 prôton và 33 nơtron Đáp án C Câu 3:Xác định số hạt proton và notron của hạt nhân A. 07 proton và 14 notron B. 07 proton và 07 notron C. 14 proton và 07 notron D. 21 proton và 07 notron Lời giải: Hướng dẫn : Hạt nhân có 7 proton và 7 nơtron Đáp án B Câu 4:Hạt nhân A. 8,5684 MeV/nuclon. B. 7,3680 MeV/nuclon. C. 8,2532 MeV/nuclon. D. 9,2782 MeV/nuclon. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án A Câu 5: Cho khối lượng của prôtôn; nơtron; A. lớn hơn một lượng là 5,20 MeV. B. lớn hơn một lượng là 3,42 MeV. C. nhỏ hơn một lượng là 3,42 MeV. D. nhỏ hơn một lượng là 5,20 MeV. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án B Câu 6:Cho khối lượng của hạt nhân 1T3; hạt prôtôn và hạt nơtron lần lượt là 3,0161 u; 1,0073 u và 1,0087 u. Cho biết 1u = 931,5 MeV/c2. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 1T3 là A. 8,01 eV/nuclôn. B. 2,67 MeV/nuclôn. C. 2,24 MeV/nuclôn. D. 6,71 eV/nuclôn. Lời giải: Hướng dẫn : Độ hụt khối của hạt T là: Δm = Z.mp + (A - Z).mn - mT = 1.1,0073 + 2.1,0087 - 3,0161 = 8,6.10-3 u Đáp án B Câu 7:Cho khối lượng của hạt proton, notron và hạt đơtêri A. 2,24 MeV. B. 3,06 MeV. C. 1,12 MeV. D. 4,48 MeV. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án A Câu 8:Một hạt nhân có khối lượng nghỉ m0 đang đứng yên thì vỡ thành 2 mảnh có khối lượng nghỉ m01 và m02 chuyển động với tốc độ tương ứng là 0,6c và 0,8c (với c là tốc độ ánh sáng trong chân không). Bỏ qua năng lượng liên kết giữa hai mảnh, tìm hệ thức đúng? A. m0 = 0,8m01 + 0,6m02. B. m0 = 0,8m01 + 0,6m02. C. m0 = m01/0,8 + m02/0,6. D. m0 = 0,6m01 + 0,8m02. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án C Câu 9:Biết khối lượng của proton, nơtron và hạt nhân A. 46,11 MeV. B. 7,68 MeV. C. 92,22 MeV. D. 94,87 MeV. Lời giải: Hướng dẫn : Wlk = Δmc2 =(Z.mp + N.mn - mc).c2 = (6.1,00728 + 6.1,00867 - 11,9967).931,5 = 92,22 MeV Đáp án C Câu 10:Biết khối lượng của prôtôn; nơtron; hạt nhân lần lượt là 1,0073 u; 1,0087 u; 15,9904 u và 1u = 931,5 MeV/c2. Năng lượng liên kết của hạt nhân xấp xỉ bằng A. 14,25 MeV B. 18,76 MeV C. 128,17 MeV D. 190,81 MeV Lời giải: Hướng dẫn : Năng lượng liên kết của hạt nhân Wlk = Δmc2 =(Z.mp + N.mn - mo).c2 = (8.1,0073 + 8.1,0087 - 15,9904).931,5 = 128,17 MeV. Đáp án C Câu 11:Giả sử ban đầu có Z prôtôn và N nơtron đứng yên, chưa liên kết với nhau, khối lượng tổng cộng là m0, khi chúng kết hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân thì có khối lượng m. Gọi E là năng lượng liên kết của hạt nhân đó và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Biểu thức nào sau đây luôn đúng? A. m = m0. B. E = 0,5(m0 - m).c2. C. m > m0. D. m < m0. Lời giải: Hướng dẫn : Khi chưa liên kết với nhau thì khối lượng hạt nhân m0 chính là khối lượng các nuclon. Khi các hạt liên kết lại với nhau thì khối lượng hạt nhân sẽ giảm một lượng bằng độ hụt khối của nó. → m < m0. Đáp án D Câu 12:Cho 1u = 1,66055.10-27 kg; c = 3.108 m/s; 1 eV = 1,6.10-19 J. Hạt prôtôn có khối lượng mp = 1,007276 u, thì có năng lượng nghỉ là A. 940,86 MeV. B. 980,48 MeV. C. 9,804 MeV. D. 94,08 MeV. Lời giải: Hướng dẫn : Ta có: E0 = m0c2 = 15,05369.10-11 J = 940,86 MeV. Đáp án A Câu 13:Một electron được gia tốc đến vận tốc v = 0,5c thì năng lượng sẽ tăng bao nhiêu % so với năng lượng nghỉ? A. 50%. B. 20%. C. 15,5%. D. 10%. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án C Câu 14:Một hạt sơ cấp có động năng lớn gấp 3 lần năng lượng nghỉ của nó. Tốc độ của hạt đó là Lời giải: Hướng dẫn : Ta có Đáp án A Câu 15:Biết NA = 6,02.1023mol-1. Trong 59,5 g A. 2,38.1023. B. 2,20.1025. C. 1,19.1025. D. 9,21.1024. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án B Câu 16:Câu 16: Biết số Avôgađrô là NA = 6,02.1023 hạt/mol và khối lượng của hạt nhân bằng số khối của nó. Số prôtôn trong 0,27 gam A. 9,826.1022. B. 8,826.1022. C. 7,826.1022. D. 6,826.1022. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án C Câu 17:Một hạt có khối lượng nghỉ m0. Theo thuyết tương đối, khối lượng động (khối lượng tương đối tính) của hạt này khi chuyển động với tốc độ 0,6c (c là tốc độ ánh sáng trong chân không) là A. 1,75 m0. B. 1,25 m0. C. 0,36 m0. D. 0,25 m0. Lời giải: Hướng dẫn : Đáp án B Câu 18:Các hạt nhân đồng vị là các hạt nhân có A. cùng số nuclôn nhưng khác số prôtôn. B. cùng số prôtôn nhưng khác số nơtron. C. cùng số nơtron nhưng khác số prôtôn. D. cùng số nuclôn nhưng khác số nơtron. Lời giải: Hướng dẫn : Các hạt nhân đồng vị có cùng số prôtôn (cùng Z) nhưng khác số nuclôn (khác A) tức là khác số nơtron (N = A – Z). Đáp án B Câu 19:So với hạt nhân A. 11 nơtrôn và 6 prôtôn. B. 5 nơtrôn và 6 prôtôn. C. 6 nơtrôn và 5 prôtôn. D. 5 nơtrôn và 12 prôtôn. Lời giải: Hướng dẫn : Ta có: ZCa – ZSi = 6; NCa – NSi = 5. Đáp án B Câu 20:Khi so sánh hạt nhân A. Số nuclôn của hạt nhân bằng số nuclôn của hạt nhân . B. Điện tích của hạt nhân nhỏ hơn điện tích của hạt nhân . C. Số prôtôn của hạt nhân lớn hơn số prôtôn của hạt nhân . D. Số nơtron của hạt nhân nhỏ hơn số nơtron của hạt nhân . Lời giải: Hướng dẫn : Số nơtron của là 6 nơtron ít hơn số nơtron của là 8 nơtron. Đáp án D |
