hcv2020>Vật lí 12: Trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng các hạt nhân tham gia phản ứng là bao nhiêu?

Trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng các hạt nhân tham gia phản ứng:

A. được bảo toàn.

B. tăng.

C. giảm.

D. tăng hoặc giảm tuỳ theo phản ứng.

Đáp án đúng là: D. tăng hoặc giảm tuỳ theo phản ứng.

---

Giải thích từ hcv2020:

Trong phản ứng hạt nhân, khối lượng không được bảo toàn tuyệt đối như trong các phản ứng hóa học thông thường. Thay vào đó, tổng năng lượng mới là đại lượng luôn được bảo toàn theo định luật bảo toàn năng lượng của Einstein:

E = mc² (khối lượng có thể chuyển hóa thành năng lượng và ngược lại).

• Nếu tổng khối lượng sau phản ứng < khối lượng ban đầu ⇒ phản ứng tỏa năng lượng (Q > 0).

• Nếu tổng khối lượng sau phản ứng > khối lượng ban đầu ⇒ phản ứng thu năng lượng (Q < 0).

Do đó, tổng khối lượng có thể tăng, giảm hoặc bằng nhau, tùy vào bản chất của từng phản ứng.

---

👉 Vì vậy, lựa chọn đúng là:
D. tăng hoặc giảm tuỳ theo phản ứng.

SƠ LƯỢC VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

I. Cấu trúc hạt nhân nguyên tử – Những kiến thức nền tảng không thể bỏ qua

Hạt nhân nguyên tử là phần trung tâm cực kỳ nhỏ bé nhưng chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử. Thành phần chính của nó gồm proton (mang điện dương) và nơtron (không mang điện), gọi chung là nuclon. Các nuclon này liên kết với nhau nhờ một loại lực đặc biệt gọi là lực hạt nhân – một lực tương tác mạnh nhưng chỉ phát huy tác dụng ở khoảng cách rất ngắn, khoảng vài femtomet (1 fm = 10^-15 m).

Mỗi nguyên tử có một số proton nhất định, gọi là số hiệu nguyên tử Z. Tổng số proton và nơtron trong hạt nhân được gọi là số khối A. Như vậy, số nơtron là N = A - Z. Mỗi nguyên tử được ký hiệu dưới dạng ^A_ZX, với X là ký hiệu hóa học.

Khối lượng hạt nhân và khái niệm độ hụt khối

Thật bất ngờ khi tổng khối lượng của các nuclon tự do (m₀) bao giờ cũng lớn hơn khối lượng của chính hạt nhân đó (m). Phần khối lượng "thiếu hụt" này được gọi là độ hụt khối Δm = m₀ - m. Theo thuyết tương đối hẹp của Einstein, khối lượng có thể chuyển hóa thành năng lượng theo công thức nổi tiếng E = mc². Vì vậy, độ hụt khối tương ứng với năng lượng liên kết hạt nhân – năng lượng cần thiết để "bẻ gãy" hạt nhân thành các nuclon riêng biệt.

Đơn vị khối lượng phổ biến trong vật lý hạt nhân là đơn vị Cacbon (u), tương đương 1/12 khối lượng hạt nhân nguyên tử C¹². Đơn vị này quy đổi được sang năng lượng: 1 u ≈ 931 MeV/c².

---

II. Phóng xạ – Khi hạt nhân biến đổi tự nhiên

Phóng xạ là hiện tượng tự nhiên hoặc nhân tạo, trong đó một hạt nhân không bền vững sẽ tự động phát ra các tia năng lượng cao như tia alpha (α), beta (β) và gamma (γ) để biến đổi thành một hạt nhân khác ổn định hơn.

Các dạng phóng xạ phổ biến

• Phóng xạ α: Hạt nhân phát ra một hạt α (tức một hạt nhân heli gồm 2 proton và 2 nơtron).
• Phóng xạ β^-: Một nơtron biến thành proton và phát ra một electron: n → p + e^-.
• Phóng xạ β⁺: Một proton biến thành nơtron và phát ra một positron: p → n + e⁺.
• Phóng xạ γ: Hạt nhân phát ra photon năng lượng cao (sóng điện từ) mà không thay đổi thành phần hạt.

Chu kỳ bán rã và định luật phóng xạ

Phóng xạ xảy ra một cách hoàn toàn tự phát và không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh như nhiệt độ, áp suất hay ánh sáng. Sau mỗi khoảng thời gian T gọi là chu kỳ bán rã, số hạt nhân phóng xạ giảm còn một nửa. Sự suy giảm này tuân theo định luật mũ:

N(t) = N0 · e-λt       với λ = ln(2)/T

Trong đó, N(t) là số hạt nhân còn lại sau thời gian t, N₀ là số ban đầu, và λ là hằng số phóng xạ. Đơn vị đo độ phóng xạ là Becquerel (Bq): 1 Bq = 1 phân rã/giây. Ngoài ra, 1 Curi (Ci) = 3,7 × 10¹⁰ Bq.

---

III. Phản ứng hạt nhân – Sự tái tổ chức trong thế giới vi mô

Phản ứng hạt nhân là quá trình trong đó các hạt nhân tương tác và biến đổi, tạo thành các hạt nhân mới. Có hai loại chính:

1. Phản ứng phân hạch

Phản ứng này xảy ra khi một hạt nhân nặng (như U-235) hấp thụ một nơtron và vỡ ra thành hai hạt nhân nhẹ hơn, đồng thời giải phóng năng lượng và nhiều nơtron khác. Đây là nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân và bom nguyên tử.

2. Phản ứng nhiệt hạch

Là quá trình kết hợp hai hạt nhân nhẹ (thường là đồng vị của hydro như deuterium và tritium) thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng cực lớn. Nhiệt hạch là nguồn năng lượng chính của Mặt Trời và là "giấc mơ sạch" cho tương lai năng lượng Trái Đất.

Tuy nhiên, để phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần đạt đến nhiệt độ hàng triệu độ C, thường phải nhờ đến phản ứng phân hạch để khởi phát quá trình.

---

IV. Các công thức cần nhớ trong vật lý hạt nhân

1. Cấu trúc hạt nhân

• Δm = Z·m_p + (A − Z)·m_n − m_{hạt nhân}
• E_lk = Δm · c² (tính bằng MeV nếu Δm tính theo u)

2. Phóng xạ

• N(t) = N₀ · e^-λt
• H = λN: Hoạt độ phóng xạ tại thời điểm t

3. Phản ứng hạt nhân

• Q_tỏa = (m_trước − m_sau) · c²
• Bảo toàn: Số khối, điện tích, năng lượng, động lượng

---

V. Bài tập minh họa – Hạt nhân Natri

Đề bài:

Cho biết khối lượng hạt nhân Natri là m = 22,9837 u. Biết m_p = 1,0073 u, m_n = 1,0087 u. Tính:

1. Số nơtron trong hạt nhân Na
2. Số nuclon trong 11,5 g Na
3. Độ hụt khối, năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng

Lời giải:

• Số notron: N = 23 - 11 = 12
• Số mol Na = 11,5 / 23 = 0,5 mol → N = 0,5 × 6,022 × 10²³ = 3,011 × 10²³
• Số nuclon: 3,011 × 10²³ × 23 = 6,925 × 10²⁴ nuclon
• Độ hụt khối Δm = 11 × 1,0073 + 12 × 1,0087 − 22,9837 = 0,201 u
• Năng lượng liên kết: E_lk = 0,201 × 931 ≈ 187 MeV
• Năng lượng liên kết riêng ≈ 187 / 23 ≈ 8,13 MeV/nuclon

---

VI. Kết luận

Kiến thức về cấu trúc hạt nhân, phóng xạ và các phản ứng hạt nhân không chỉ là phần cốt lõi của chương trình vật lý phổ thông mà còn là nền tảng cho các ứng dụng hiện đại như năng lượng nguyên tử, y học hạt nhân và khám phá vũ trụ. Việc nắm vững bản chất các quá trình này giúp học sinh học tốt hơn và có cái nhìn sâu sắc hơn về thế giới vi mô đầy thú vị.