Hạt nhân hoạt động
Một số hạt nhân không bền: chúng phát ra bức xạ ngẫu nhiên, phân rã theo chu kỳ bán rã, và — trong lò phản ứng và các ngôi sao — giải phóng năng lượng bằng cách phân hạch hoặc tổng hợp. Phần này bao gồm ký hiệu nguyên tử, ba loại bức xạ ion hóa cùng khả năng đâm xuyên, tính toán chu kỳ bán rã, phản ứng dây chuyền phân hạch, và tại sao tổng hợp hạt nhân làm sáng các ngôi sao nhưng không phải các nhà máy điện của chúng ta.
Vật lý Quốc tế Edexcel IGCSE 4PH1, Mục 7 (các tuyên bố 7.1–7.26). Đơn vị: becquerel (Bq), với thời gian tính bằng s, min hoặc h.
Tính phóng xạ
Một nguyên tử chứa proton và neutron trong hạt nhân; ký hiệu $^{A}_{Z}X$ cho số khối (số nucleon) A và số hiệu nguyên tử (số proton) Z. Đồng vị có cùng Z nhưng khác số neutron.
Hạt nhân không bền phát ra — một cách ngẫu nhiên — alpha α (hạt nhân heli, $^4_2$He), beta-minus β⁻ (một electron, được tạo ra khi một neutron biến thành proton) và gamma γ (sóng điện từ năng lượng cao, không có hạt). Cân bằng phương trình: cả số khối và điện tích đều được bảo toàn.
Kiểm tra có hướng dẫn. Carbon-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — A vẫn giữ nguyên 14; điện tích 6 = 7 + (−1) ✓. Radon: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$.
Ví dụ mẫu (điền vào chỗ trống). Strontium-90 phân rã bằng phát xạ beta: $^{90}_{38}\text{Sr} \rightarrow {}^{90}_{39}\text{Y} + {}^{0}_{-1}e$. Số khối giữ nguyên 90 và số hiệu nguyên tử tăng lên 1, vì một neutron đã biến thành proton. Uranium-238 phân rã bằng phát xạ alpha: $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}$; số khối giảm đi 4 và số hiệu nguyên tử giảm đi 2. Phát xạ gamma không thay đổi cả hai số.
| Bức xạ | Bản chất | Ion hóa | Phạm vi trong không khí |
|---|---|---|---|
| alpha | 2p + 2n | mạnh nhất | vài cm |
| beta | electron tốc độ cao | trung bình | vài chục cm |
| gamma | sóng điện từ | yếu nhất | mét |
Phát hiện: phim ảnh (huy hiệu) hoặc ống Geiger–Müller. Bức xạ nền đến từ đá, tia vũ trụ (không gian), thực phẩm, ứng dụng y tế và tro phóng xạ.
Hoạt độ (đơn vị becquerel; 1 Bq = 1 phân rã/giây) giảm dần: bán衰期 là thời gian để một nửa số hạt nhân chưa phân rã bị phân rã. Ví dụ tính toán. 800 Bq với bán衰期 6 h: sau 24 h (4 lần bán衰期) hoạt độ $= 800/2^4 = 50$ Bq.
Ví dụ minh họa (bán衰期 từ số đếm, có nền). Ống Geiger–Müller ghi nhận 680 số đếm mỗi phút từ mẫu; số đếm nền là 40 số đếm mỗi phút. Mười hai ngày sau nó ghi nhận 120 số đếm mỗi phút.
- Số đếm đã trừ nền: $680 - 40 = 640$ ở ban đầu và $120 - 40 = 80$ ở cuối.
- $640 \to 320 \to 160 \to 80$ tương đương ba bán衰期 trong 12 ngày, nên bán衰期 là $12 \div 3 = 4.0$ ngày.
Chia đôi 680 ba lần cho ra 85, không phải 120: quên bỏ nền tảng sẽ dẫn đến kết quả sai.
Ứng dụng: chất đánh dấu y tế (bán衰期 ngắn, gamma), điều trị ung thư, khử trùng, kiểm soát độ dày (beta xuyên qua giấy). Nhiễm phóng xạ (chất phóng xạ trên cơ thể — cần loại bỏ) khác với chiếu phóng xạ (tiếp xúc với bức xạ — dừng khi nguồn rời đi). Nguy hiểm: đột biến DNA, tổn thương tế bào và mô; chất thải phóng xạ phải được lưu trữ an toàn trong thời gian dài theo bán衰期 của chúng.
Phân hạch và tổng hợp hạt nhân
Chia nhỏ hạt nhân lớn hoặc ghép hai hạt nhân nhỏ lại — cả hai đều giải phóng năng lượng và mỗi quá trình vận hành một loại máy khác nhau.
Phân hạch: một neutron va chạm vào U-235, tách nó thành hai hạt nhân con phóng xạ, 2–3 neutron và động năng — và nếu những neutron này va chạm vào thêm U-235, một phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra. Bộ làm chậm làm giảm tốc độ neutron để chúng phân hạch hạt nhân hiệu quả; thanh điều khiển hấp thụ neutron để giữ tốc độ ổn định; vách chắn bảo vệ người lao động. Tổng hợp hạt nhân ghép các hạt nhân nhỏ thành hạt nhân lớn hơn, chuyển đổi khối lượng thành năng lượng — nguồn năng lượng của Mặt Trời. Tổng hợp hạt nhân cần nhiệt độ và áp suất cực lớn vì các proton mang điện tích dương đẩy nhau tĩnh điện — các hạt nhân phải va chạm đủ nhanh để vượt qua lực đẩy đó.
Lỗi thường gặp
- Nói rằng hạt beta đến từ các lớp vỏ electron. Thực tế, nó được tạo ra trong hạt nhân khi một neutron chuyển hóa thành proton.
- Giảm số hiệu nguyên tử trong phân rã beta. Phân rã beta-trầm tăng nó lên 1; phân rã alpha giảm nó đi 2 và giảm số khối đi 4.
- Nghĩ rằng hai chu kỳ bán rã loại bỏ hoàn toàn mẫu vật. Sau hai chu kỳ bán rã, chỉ còn lại một phần tư; sau ba chu kỳ, còn lại một phần tám.
- Quên trừ lượng nền trước khi thực hiện phép chia đôi.
- Gọi tia gamma là nguy hiểm nhất vì khả năng xuyên thấu mạnh. Tuy nhiên, bên trong cơ thể, hạt alpha gây thiệt hại lớn nhất do có độ ion hóa cao nhất.
- Nhầm lẫn giữa nhiễm phóng xạ và chiếu xạ. Một vật bị chiếu xạ không trở nên phóng xạ.
- (P) Nói rằng thanh điều khiển làm chậm neutron. Chất làm chậm mới là thứ làm giảm tốc độ neutron; thanh điều khiển có tác dụng hấp thụ chúng.
Tự kiểm tra
- Trong $^{19}_{9}F$, nêu số lượng proton, neutron và electron trong nguyên tử trung hòa.
- Tên ba loại bức xạ ion hóa và bản chất của chúng.
- Viết phương trình đầy đủ cho sự phân rã alpha của $^{226}_{88}Ra$.
- Bức xạ nào bị giấy chặn lại, và bức xạ nào xuyên qua nhôm?
- Nêu hai nguồn gốc của bức xạ nền.
- Định nghĩa bán衰期.
- Một nguồn có hoạt độ 3200 Bq với bán衰期 8 ngày. Tìm hoạt độ sau 32 ngày.
- Nêu sự khác biệt giữa nhiễm phóng xạ và chiếu phóng xạ.
- Nêu vai trò của chất điều hòa, thanh kiểm soát và lớp chắn trong lò phản ứng.
- Tại sao phản ứng tổng hợp lại cần nhiệt độ cao như vậy?
Đáp án: 1 9 proton, 10 neutron, 9 electron; 2 alpha — hạt nhân heli (2p+2n); beta-minus — electron vận tốc cao; gamma — sóng điện từ năng lượng cao; 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$; 4 alpha bị ngăn chặn bởi giấy; gamma xuyên qua nhôm (cần chì dày để chặn); 5 bất kỳ hai nguồn nào: đá/vật liệu xây dựng, tia vũ trụ, thức ăn/đồ uống, y tế, khí radon, chất thải hạt nhân; 6 thời gian để dân số chưa phân rã hoặc hoạt tính nguồn dự kiến giảm đi một nửa; 7 32 ngày = 4 chu kỳ bán rã: $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq; 8 nhiễm phóng xạ — vật liệu phóng xạ bám trên người, mối nguy vẫn tồn tại cho đến khi được loại bỏ; chiếu xạ — tiếp xúc với bức xạ từ một nguồn, kết thúc khi nguồn bức xạ bị loại bỏ; 9 chất làm chậm giảm tốc độ neutron để tối ưu hóa quá trình phân hạch; thanh điều khiển hấp thụ neutron để kiểm soát tốc độ phản ứng; lá chắn hấp thụ bức xạ rò rỉ để bảo vệ công nhân; 10 các proton mang điện tích dương của hai hạt nhân đẩy nhau bằng lực tĩnh điện, do đó các hạt nhân phải va chạm ở vận tốc cực lớn — chỉ đạt được ở nhiệt độ và áp suất rất cao — để đủ gần nhau và hòa hợp.