3.7 · Nuclear physics

Vật lý hạt nhân

Hạt nhân chỉ rộng bằng một phần trăm nghìn so với đường kính nguyên tử nhưng chứa gần như toàn bộ khối lượng của nó — và các hạt nhân không bền sẽ phóng ra năng lượng dưới dạng bức xạ, mảnh phân hạch, hoặc phản ứng tổng hợp đã thắp sáng các ngôi sao. Chủ đề thứ bảy của OxfordAQA bao gồm mô hình hạt nhân, ba loại bức xạ, chu kỳ bán rã, sự nhiễm phóng xạ so với chiếu phóng xạ, lò phản ứng và (P) phản ứng tổng hợp.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, chủ đề 3.7 (Phiên bản 5.1). Các mệnh đề đánh dấu (P) chỉ xuất hiện trong Paper-2.

Cấu trúc nguyên tử

Một nguyên tử có đường kính khoảng 10⁻¹⁰ m: một hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé (chứa proton và neutron, gần như toàn bộ khối lượng) với các electron quay quanh — bằng chứng về sự phân tán alpha của Rutherford cho thấy hạt nhân tập trung. Khối lượng proton 1 điện tích +1; khối lượng neutron 1 điện tích 0; điện tích electron −1, khối lượng không đáng kể. Nguyên tử trung hòa có số lượng proton bằng số lượng electron; nguyên tử mất hoặc nhận thêm electron để trở thành ion.

${}^{A}_{Z}X$: A = số khối (số proton + số neutron), Z = số hiệu nguyên tử; các đồng vị có cùng Z và khác nhau về số neutron.

Bức xạ ion hóa từ hạt nhân

Các hạt nhân không bền phân rã ngẫu nhiên, không bị ảnh hưởng bởi hóa học hay vật lý, phát ra:

Phương trình hạt nhân bảo toàn số khối và điện tích: ${}^{238}_{92}U \rightarrow\, {}^{234}_{90}Th +\, {}^{4}_{2}He$ (alpha); ${}^{14}_{6}C \rightarrow\, {}^{14}_{7}N +\, {}^{0}_{-1}e$ (beta). Bức xạ nền đến từ đá, vũ trụ, thực phẩm và thiết bị y tế. (P) Chu kỳ bán rã là thời gian để số lượng hạt chưa phân rã dự kiến hoặc hoạt độ nguồn phát giảm đi một nửa. Với cấu hình máy đếm và hiệu suất cố định, tốc độ đếm đã trừ nền trung bình giảm một nửa trong cùng khoảng thời gian; chu kỳ bán rã trải qua một dải giá trị rất rộng. Nhiễm phóng xạ là sự hiện diện không mong muốn của vật liệu phóng xạ trên hoặc bên trong vật thể hay con người; mối nguy hiểm có thể tồn tại cho đến khi được loại bỏ, giải phóng hoặc phân rã hết. Chiếu phóng xạ là việc tiếp xúc với bức xạ mà không truyền vật liệu phóng xạ vào trong; trong các ví dụ về nguồn phát - tiếp xúc này. Các mối nguy: đột biến, tổn thương tế bào và mô.

Ví dụ minh họa (điền chỗ trống). Poloni-210 phát ra hạt alpha: $^{210}_{84}\text{Po} \rightarrow {}^{A}_{Z}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. Số ở trên: $210 = A + 4$, nên $A = 206$. Số ở dưới: $84 = Z + 2$, nên $Z = 82$. Sản phẩm tạo thành là $^{206}_{82}$Pb.

Ví dụ minh họa (P) (chu kỳ bán rã). Tốc độ đếm của mẫu giảm từ 1200 xuống 150 lần/phút trong 15 giờ (đã trừ nền). $1200 \to 600 \to 300 \to 150$ tương ứng với ba chu kỳ bán rã, do đó chu kỳ bán rã là $15 \div 3 = 5.0$ giờ. Sau thêm một chu kỳ bán rã nữa, còn lại 75 lần/phút; sau tổng cộng bốn chu kỳ bán rã, còn lại $\tfrac{1}{16}$ hoạt độ ban đầu.

*Đọc chu kỳ bán rã nhiều lần trên đường cong: mỗi lần giảm một nửa đều mất cùng một 5.0 giờ

Phân hạch hạt nhân và (P) tổng hợp hạt nhân

Phân hạch tách vỡ một hạt nhân lớn không bền: U-235 hoặc Pu-239 hấp thụ một neutron, phân tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn kèm theo 2–3 neutron và giải phóng năng lượng lớn hơn nhiều so với bất kỳ phản ứng hóa học nào. Những neutron va chạm vào các hạt nhân khác gây ra phản ứng dây chuyền; trong lò phản ứng, thanh điều khiển hấp thụ neutron để đảm bảo rằng, trung bình, chỉ có một neutron từ mỗi phản ứng phân hạch tiếp tục gây ra một phản ứng phân hạch khác.

Chất thải phóng xạ vẫn nguy hiểm trong khoảng thời gian do thời gian bán rã quyết định — đây là chi phí quản lý chất thải của năng lượng hạt nhân. (P) Tổng hợp hạt nhân kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, chuyển đổi khối lượng thành năng lượng: nó cung cấp năng lượng cho các ngôi sao, nhưng các hạt nhân mang điện tích dương đẩy nhau, nên cần nhiệt độ và áp suất cực cao.

Lỗi thường gặp

• Cho rằng hạt beta đến từ vỏ electron. Thực tế nó được tạo ra trong hạt nhân khi một neutron chuyển hóa thành proton, do đó Z tăng thêm 1.
• Thay đổi số khối trong phân rã beta hoặc gamma. Chỉ có phân rã alpha mới làm thay đổi số khối (giảm đi 4).
• (P) Nghĩ rằng hai chu kỳ bán rã sẽ loại bỏ hoàn toàn mẫu. Sau hai chu kỳ bán rã, vẫn còn lại một phần tư mẫu.
• Quên trừ số đếm nền trước khi xác định chu kỳ bán rã.
• Cho rằng tia gamma nguy hiểm nhất khi ở bên trong cơ thể. Tia alpha có khả năng ion hóa mạnh nhất, nên gây tổn hại lớn nhất bên trong cơ thể; còn bên ngoài, nó không thể xuyên qua da.
• Nghĩ rằng vật thể bị chiếu phóng xạ sẽ trở nên phóng xạ. Chỉ có nhiễm phóng xạ mới để lại các nguyên tử phóng xạ.
• Cho rằng thanh điều khiển làm chậm các neutron. Thực tế chúng hấp thụ neutron để kiểm soát tốc độ phản ứng dây chuyền.

Tự kiểm tra

1. Nêu khối lượng tương đối và điện tích của proton, neutron và electron.
2. Trong ${}^{19}_{9}F$, có bao nhiêu proton và neutron?
3. Thí nghiệm tán xạ alpha đã tiết lộ điều gì về cấu trúc nguyên tử?
4. Hãy nêu tên ba loại bức xạ và bản chất của chúng.
5. Bức xạ nào bị giấy ngăn chặn, và bức xạ nào xuyên qua được nhôm?
6. Cân bằng phương trình phân rã alpha của ${}^{226}_{88}Ra$.
7. (P) Định nghĩa thời gian bán rã.
8. (P) Giải thích sự khác biệt giữa nhiễm phóng xạ và chiếu xạ.
9. Thanh điều khiển có tác dụng gì trong lò phản ứng?
10. (P) Tại sao tổng hợp hạt nhân lại cần nhiệt độ cực cao?

Đáp án: 1 proton 1, +1; neutron 1, 0; electron ~0, −1; 2 9 proton, 10 neutron; 3 khối lượng và điện tích tập trung trong hạt nhân rất nhỏ — phần lớn hạt alpha đi xuyên qua, một ít bị bật lại; 4 alpha = hạt nhân He; beta = electron vận tốc cao; gamma = sóng điện từ; 5 alpha; gamma (chì dày); 6 ${}^{226}_{88}Ra \rightarrow\, {}^{222}_{86}Rn +\, {}^{4}_{2}He$; 7 (P) thời gian để dân số không phân rã dự kiến hoặc hoạt độ nguồn giảm còn một nửa; máy dò cố định có cùng chu kỳ bán rã đối với tốc độ đếm đã trừ nền; 8 (P) nhiễm phóng xạ — vật liệu phóng xạ không mong muốn trên hoặc trong cơ thể bạn, có thể tồn tại cho đến khi được loại bỏ, thanh tẩy hoặc phân rã; chiếu xạ — sự tiếp xúc mà không có sựdi chuyển vật liệu trong các ví dụ này, kết thúc khi nguồn bị loại bỏ hoặc che chắn; 9 hấp thụ neutron, sao cho trung bình một neutron từ mỗi phản ứng phân hạch gây ra thêm một phản ứng phân hạch khác để duy trì phản ứng dây chuyền ổn định; 10 (P) các hạt nhân mang điện dương đẩy nhau, vì vậy chúng phải va chạm với vận tốc rất cao.