Số hạt nhân phóng xạ - vật lý 12

Phát biểu: Số hạt nhân phân rã của một nguồn giảm theo quy luật hàm số mũ.

Chú thích: 

$N,m:$ số hạt nhân và khối lượng còn lại vào thời điểm t.

$N_0,m_0:$ số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại $t=0.$

$t$: thời gian phân rã $(s, h, ngày,...)$

$T$: chu kì bán rã của nguyên tử, cứ sau mỗi chu kì này thì 1/2 số nguyên tử của chất ấy đã biến đổi thành một chất khác. $(s, h, ngày,...)$

$\lambda :$ hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

Chú thích: 

$∆N,∆m:$ số hạt nhân và khối lượng bị phân rã sau thời gian t

$N_0,m_0:$ số hạt nhân và khối lượng ban đầu tại $t=0$

$t$: thời gian phân rã $(s, h, ngày,...)$

$T$: chu kì bán rã của hạt $(s, h, ngày,...)$

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

Chú thích:

$N$: số hạt nhân ứng với khối lượng chất $m$

$m$: khối lượng chất $\left(g\right)$

$A$: số khối của nguyên tử

$N_A=6,023.{10}^{23} \left(nguyên tử/mol\right)$

Lịch sử ra đời của hằng số Avogadro

Hằng số Avogadro cho chúng ta biết số nguyên tử hay phân tử có trong 1 mol. Chẳng hạn như có 7 ngày trong tuần thì 1 mole chất bất kì sẽ có $6,023.{10}^{23}$ nguyên tử/phân tử cấu tạo nên chất đó. 

Người đầu tiên tìm và ước lượng con số này phải kể đến đó là Josef Loschmidt, một giáo viên trung học người Áo, sau này trở thành giáo sư tại Đại học Vienna. Năm 1865, Loschmidt sử dụng lý thuyết động học phân tử để ước tính số lượng của các hạt trong một centimet khối khí ở điều kiện tiêu chuẩn. Con số lúc bấy giờ được gọi là hằng số Loschmidt và có giá trị là $2.6867773.{10}^{25}$.

Avogadro sinh năm 1776 tại Ý, là con trai của một quan tòa. Sau khi tốt nghiệp cử nhân luật, ông làm thư ký cho tòa án tỉnh. Thật may mắn, Avogadro được sinh ra và lớn lên trong giai đoạn phát triển của Hóa học. Bằng tình yêu với Vật lý và Toán học, ông đã phát hiện ra định luật Avogadro "Ở cùng nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của mọi chất khí cùng chứa một số phân tử như nhau." 

Định luật Avogadro ban đầu vấp phải sự phản đối quyết liệt của John Dalton và những nhà khoa học khác lúc bấy giờ. Mãi về sau, nhà bác học người Ý là Stanislao Cannizzaro mới quan tâm đến ý tưởng của Avogadro một cách xứng đáng, nhưng đáng buồn là lúc ấy Avogadro đã qua đời.

Định luật Avogadro đã đóng góp một lý thuyết quan trọng trong sự tiến bộ của Hóa học hiện đại, định luật đã dấn đến sự phát biểu rõ ràng về các khái niệm quan trọng bậc nhất của Hóa học hiện đại: nguyên tử, phân tử, khối lương mole.

Mãi đến năm 1909, nhà Hóa học người Pháp Jean Baptiste Perrin công bố giá trị của hằng số Avogadro dựa vào nghiên cứu của mình về chuyển động Brown là $6,0221415.{10}^{23}$. Perrin đã đặt tên là hằng số Avogadro để vinh danh ông vì những đóng góp to lớn mặc dù chính Avogadro cũng không biết đến sự tồn tại của giá trị này. Càng về sau, nhiều nhà bác học khác đã dùng một loại các kỹ thuật để ước tính độ lớn của hằng số cơ bản này. 

Số Avogadro là một trong những con số có ý nghĩa quan trọng với sự sống và vũ trụ.

Định nghĩa : Độ phóng xạ đặt trưng cho độ mạnh yếu của nguồn phóng xạ

Chú thích:

$H$: độ phóng xạ của một lượng chất hạt nhân sau thời gian t $(Bq, Ci)$

$H_0$: độ phóng xạ ban đầu của một lượng chất hạt nhân tại t=0 $(Bq, Ci)$

$N$: số hạt nhân tại thời điểm t

$T$: chu kì bán rã của hạt nhân $(s, h, ngày,...)$

$\lambda$: hằng số phóng xạ $\left(s^{-1}\right)$

Đổi đơn vị: $1Ci=3,7.{10}^{10}\left(Bq\right)$

Gỉa sử ban đầu nguồn phóng xạ trong 100 ${\left(cm\right)}^3$  có hoạt độ phóng xạ $H_1$ có chu kì phóng xạ $T$ vào cơ thể sau thời gian t đủ lâu người ta lấy ra $100 {\left(cm\right)}^3$ đo lại thì hoạt độ phóng xạ còn $H_2$

Hoạt độ phóng xạ sau thời gian t trong $100 {\left(cm\right)}^3$

Ta có : $H_{02}=H_1.\left(e^{-\lambda t}\right)\Rightarrow N_{02}=N_1\left(e^{-\lambda t}\right)$

Thực tế khi lấy $100 {\left(cm\right)}^3$ ra thì hoạt độ phóng xạ đo được $H_2$

Kết luận: Chất phóng xạ đã được phân bố đều trong máu

$$\begin{gathered} \frac{H_{02}}{V}=\frac{H_2}{100} \\ \Rightarrow V=\frac{H_{02}}{H_2}.100=\frac{H_1}{H_2}{e}^{-\lambda t}.100 \end{gathered}$$

Tổng quát : $V=\frac{H_1}{H_2}{e}^{-\lambda t}.V_0=\frac{N_1}{N_2}{e}^{-\lambda t}.V_0$

Với $V_0$ là lượng máu lấy ra để xét: khi hai lần lấy mẫu khác nhau

Ban đầu $N_1$ hạt trong $V_{01}$ có nồng độ $C_1$

Lúc sau $N_2$ hạt trong $V_{02}$ có nồng độ $C_2$

Sau thời gian t : trong $V_{01}$ còn lại $N_{02}=N_1{e}^{-\lambda t}$

Thực tế khi đó trong $V_{02}$ còn lại $N_2$

$\frac{V_{01}}{V_{02}}=\frac{N_{01}}{N_{02}}.\frac{C_2}{C_1}=\frac{N_1.C_2}{N_{2}V.C_1}$

Số hạt phóng xạ sau thời gian t :

$∆N=N_1\left(1-e^{-\lambda t}\right)$

Số hạt phát ra trên mỗi diện tích :

$\frac{∆N}{4\pi d^2}$

Với $d$ là khoảng cách từ nguồn đến màn

$s$ diện tích vùng quan sát

Giả sử bội số phân hạch là $k$

Phản ứng 1 : $∆N=N_1+N_2$ tổng số hạt con không tính số neutron

Phản ứng 2: $∆N_2=k.∆N$

.....

Phản ứng n : $∆N_n=k^n∆N$

Tổng số hạt : $N=∆N+∆N_1+...+∆N_n=\frac{k^n-1}{k-1}.∆N$

$P$ Công suất nhà máy $\left(W\right)$

$Q$ năng lượng của một phản ứng sinh ra $\left(MeV\right)$

$N$ số hạt

$m$ khối lượng nhiên liệu $\left(g\right)$

$M$ khối lượng mol 

$t$ thời gian

$X_1;X_2$ hai đồng vị có $A_1;A_2$

$$\begin{gathered} \overline{A}=\frac{N_{X_1}.A_1+N_{X_2}{A}_2+N_{X_3}{A}_3}{N} \\ \%X_1=\frac{N_{X_1}}{N}.100 ;\%X_2=\frac{N_{X_2}}{N}.100 \end{gathered}$$

$\overline{A}$ là số khối trung bình của hỗn hợp đồng vị

$N=N_{X_1}+N_{X_2}$ tổng số hạt của các đồng vị