Số khối - Vật lý 12

Phát biểu: Hạt nhân được tạo thành bởi hai loại hạt là proton và neutron; hai loại hạt này có tên chung là nucleon. 

Chú thích: $X$: kí hiệu hóa học $X$ của nguyên tố

$Z$: số thứ tự của nguyên tử trong bảng tuần hoàn (nguyên tử số)

$A$: tổng số nucleon trong một hạt nhân (số khối)

$\Rightarrow$Số neutron trong hạt nhân là $A-Z$.

Ví dụ: ${}_1{}^{1}H; {}_6{}^{12}C; {}_8{}^{16}O; {}_{92}{}^{238}U$

Một số hạt sơ cấp: ${}_1{}^{1}p, {}_0{}^{1}n, {}_{-1}{}^{0}e$

Phát biểu: Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số Z, khác số A, nghĩa là cùng số proton và khác số neutron.

Ví dụ: ${}_1{}^{1}H; {}_1{}^{2}H; {}_1{}^{3}H$

Hidro có ba đồng vị là:

- Hidro thường ${}_1{}^{1}H$ chiếm 99,99% hidro thiên nhiên.

- Hidro nặng ${}_1{}^{2}H$, còn gọi là Deuteri ${}_1{}^{2}D$, chiếm 0,015% hidro thiên nhiên.

- Hidro siêu nặng ${}_1{}^{3}H$, còn gọi là Triti ${}_1{}^{3}T$; hạt nhân này không bền, thời gian sống của nó khoảng 10 năm.

Phát biểu: Để tính toán được khối lượng hạt nhân, người ta đã định nghĩa một đơn vị đo mới. Đơn vị này gọi là đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là $u$.

Quy ước: Đơn vị $u$ có giá trị bằng $\frac{1}{12}$ khối lượng nguyên tử của đồng vị ${}_6{}^{12}C$.

$1\left(u\right)=1,66.{10}^{-27}\left(kg\right)$

Lưu ý: Các hạt nhân có khối lượng rất lớn so với khối lượng của electron; vì vậy khối lượng nguyên tử tập trung gần như toàn bộ ở hạt nhân.

Khái niệm: Lực hút giữa các nucleon trong hạt nhân để hạt nhân bền vững được gọi là lực hạt nhân.

Lực hạt nhân không có cùng bản chất với lực tĩnh điện hay lực hấp dẫn. Lực này cũng được gọi là lực tương tác mạnh. 

Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân $R$ $(\approx {10}^{-15}m)$.

Phát biểu: Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân đó. Độ chênh giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân.

Chú thích:

$∆m$: độ hụt khối của hạt nhân $\left(u\right)$

$Z$: số proton

$A-Z$: số neutron

$m_p, m_n$: khối lượng của proton và neutron $\left(u\right)$

$m_X$: khối lượng của hạt nhân $\left(u\right)$

Trong đó:

$m_n\approx 1,0087u$

$m_p\approx 1,0072u$

$m_n>m_p>1 u>m_e$

Phát biểu: Năng lượng liên kết riêng là thương số giữa năng lượng liên kết $W_{lk}$và số nucleon $A$ (số khối). Đại lượng này đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân.

Chú thích:

$W_{lkr}$: năng lượng liên kết riêng ($MeV/nuclôn$)

$W_{lk}$: năng lượng liên kết của hạt nhân $\left(MeV\right)$

$A$: số khối

Lưu ý:

- Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

- Các hạt nhân có $50<A<70$ gọi là các hạt nhân trung bình $\Rightarrow$rất bền vững.

- Năng lượng cần để tách một hạt khỏi hạt nhân,

Phát biểu: Có 2 loại phản ứng hạt nhân:

- Phản ứng hạt nhân tự phát (quá trình phóng xạ).

- Phản ứng hạt nhân kích thích (quá trình phân hạch,...)

Tương tự như các quá trình tương tác cơ học của các hạt, các phản ứng hạt nhân cũng tuân theo các định luật bảo toàn.

1. Bảo toàn điện tích:

$Z_1+Z_2=Z_3+Z_4$ (các số $Z$ có thể âm)

2. Bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối $A$)

$A_1+A_2=A_3+A_4$ (các số $A$ luôn không âm)

Chú ý: Số hạt neutron $(A-Z)$ không bảo toàn.

3. Bảo toàn năng lượng toàn phần.

4.  Bảo toàn động lượng.

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.

Khái niệm: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tỏa năng lượng, là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các vì sao. Thường chỉ diễn ra với các hạt nhân có số khối $A\le 10.$

VD: 

${}_1{}^{1}H + {}_1{}^{2}H \to {}_2{}^{3}He$

${}_1{}^{2}H + {}_1{}^{2}H \to {}_2{}^{4}He$

${}_1{}^{2}H + {}_1{}^{3}H \to {}_2{}^{4}He + {}_0{}^{1}n$

Điều kiện để có phản ứng nhiệt hạch xảy ra:

- Nhiệt độ cao (khoảng 50-100 triệu độ).

- Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.

- Thời gian duy trì trạng thái plasma phải đủ lớn.

Đặc điểm:

- Tính theo mỗi một phản ứng thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng ít hơn phản ứng phân hạch, tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng nhiều hơn.

- Sản phẩm của phản ứng nhiệt hạch sạch hơn (không có tính phóng xạ), không gây ô nhiễm môi trường.

Theo định luật bảo toàn động lượng $A\to B+C$

$$\begin{gathered} \stackrel{\rightharpoonup }{0}=m_B{\overrightarrow{v}}_B+m_C{\overrightarrow{v}}_C \\ \to \left\{\begin{array}{l}{v}_B⇅ v_c\\ \frac{v_B}{v_C}=\frac{m_C}{m_B}\end{array}\right. \end{gathered}$$

$K_B$ động năng của hạt con B

$K_C$ động năng của hạt con C

$Q$ tỏa ra của phản ứng 

$$\begin{gathered} N_{con}=∆N_{me} \\ \Rightarrow \frac{m_{con}}{A_{con}}=\left(1-2^{\frac{-t}{T}}\right)\frac{m_{me}}{A_{me}} \end{gathered}$$

$D=\frac{m}{V}\approx \frac{A}{{\displaystyle \frac{4}{3}}\pi {\left(R_0{A}^{-{\displaystyle \frac{1}{3}}}\right)}^3}=\frac{3}{4\pi {\left(R_0\right)}^3}$

Khối lượng riêng của các hạt nhân khác nhau là như nhau

$P$ 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

${}_{Z_1}{}^{A_1}X_1+{}_{Z_2}{}^{A_2}X_2\to {}_{Z_3}{}^{A_3}X_3+{}_{Z_4}{}^{A_4}X_4$

Bảo toàn động lượng :

$\overrightarrow{p_{X_1}}=\overrightarrow{p_{X_3}}+\overrightarrow{p_{X_4}}$

$A$ số khối của hạt nhân

$Z$ số proton

$1 u=1,66.{10}^{-27} \left(kg\right)$

Khối lượng của hạt nhân gần bằng tổng khối lượng các hạt proton và neutron trong hạt nhân.