Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Vật lý 12

Phản ứng hạt nhân là chuyên đề quan trọng trong chương trình Vật lý 12 và thường xuất hiện trong đề thi THPT Quốc gia. Để giải tốt dạng bài này, học sinh cần hiểu rõ các định luật bảo toàn và biết cách vận dụng linh hoạt vào bài tập trắc nghiệm.

Tóm tắt nội dung:

Chuyên đề “Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân” giúp học sinh Vật lý 12 nắm vững các định luật bảo toàn điện tích, số khối, động lượng và năng lượng trong phản ứng hạt nhân. Nội dung đi kèm bài tập vận dụng, công thức quan trọng và phương pháp giải nhanh phục vụ ôn thi THPT Quốc gia.

A. Phản ứng hạt nhân là gì?

Người ta gọi quá trình biến đổi hạt nhân này thành hạt nhân khác là phản ứng hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân thường được chia làm hai loại:

- Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với các hạt khác (ví dụ: hạt nhân, neutron, ... ) tạo ra các hạt nhân mới. Ví dụ: phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp hạt nhân.

- Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân mới. Ví dụ: hiện tượng phân rã hạt nhân ₉₂U²³⁸.

B. Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

* Phản ứng hạt nhân tuân theo 4 định luật bảo toàn sau đây:

- Bảo toàn số nuclon (số khối A).

- Bảo toàn điện tích.

- Bảo toàn động lượng.

- Bảo toàn năng lượng toàn phần.

* Giả sử có phản ứng

Biểu thức mô tả bốn định luật bảo toàn trên là:

A₁ + A₂ = A'₁ + A'₂Z₁ + Z₂ = Z'₁ + Z'₂E_Xtp + E_Ytp = E_X’tp + E_Y’tp

* Chú ý:

- Không có định luật bảo toàn khối lượng.

- Nuclon bảo toàn, điện tích bảo toàn, nhưng không bảo toàn số p, số n.

- Năng lượng toàn phần của một hạt bằng tổng năng lượng nghỉ và động năng của hạt.

Định luật bảo toàn năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng:

ΣE toàn phần trước phản ứng = ΣE toàn phần sau phản ứng

Hay: ΣW_t + ΣK_t = ΣW_s + ΣK_s

trong đó:

ΣW: Tổng nội năng (năng lượng nghỉ) của hạt; W = m₀c²

ΣK: Tổng động năng của hạt.

- Năng lượng của phản ứng: Q = ΣW_T - ΣW_s = ΣK_s - ΣK_T

- Nếu Q tính qua nội năng: Q = [(m_a + m_x) - (m_b + m_Y)]c²

hay: Q(MeV) = 931,4 (Δm_t - Δm_s) (m tính qua đơn vị KLNT u)

+ Nếu Q > 0: phản ứng tỏa nhiệt

+ Nếu Q < 0: phản ứng thu nhiệt

+ Nếu Q = 0: phản ứng được coi như va chạm với đàn hồi.

- Trường hợp tự phân rã của một hạt đứng yên: ΣK_t = 0 → Q > 0 → Σm_t > Σm_s

Chú ý: Σ…: là dấu lấy tổng theo các hạt tham gia.

Ngoài ra còn có các định luật bảo toàn khác như: bảo toàn spin, bảo toàn các tích (lepton, barion...) bảo toàn số lạ, chẵn lẻ v.v..., tùy thuộc vào tính chất phức tạp của phản ứng.

C. Năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân

Đối với phản ứng hạt nhân thu năng lượng thì ngoài việc phải thắng lực đẩy Coulomb giữa các hạt nhân thì năng lượng của hạt tới phải có một giá trị tối thiểu nào đó gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng. Để tìm mối liên hệ giữa năng lượng ngưỡng K_ng của hạt tới với năng lượng thu vào ∆E của phản ứng ta tiến hành như sau.

Trước hết ta tính toán trong hệ quy chiếu khối tâm vì hệ này có thuận lợi là xung lượng tổng cộng triệt tiêu. Sau đó sẽ biến đổi kết quả thu được sang hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Ta quy ước các kí hiệu như sau:

+ m, M là khối lượng của hạt tới và hạt bia.

+ v’, V’ là vận tốc trong hệ khối tâm của hạt tới và hạt bia

+ v là vận tốc trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm của hạt tới (hạt bia có V = 0)

Liên hệ giữa v’, V’ và v là:

(1)

Động năng của hệ trước phản ứng trong hệ quy chiếu khối tâm là:

Thay theo v ta được:

Trong đó K_iTN là động năng của hệ trước phản ứng trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm. Suy ra

(2)

Do năng lượng thu vào của phản ứng chỉ phụ thuộc năng lượng nghỉ của các hạt nên không phụ thuộc vào hệ quy chiếu, tức là ta có:

∆E = K_fkt - K_ikt = K_fTN - K_iTN

K_fkt và K_fTN là động năng các hạt sau phản ứng trong hệ quy chiếu khối tâm và hệ quy chiếu phòng thí nghiệm.

Năng lượng ngưỡng K_ngkt trong hệ khối tâm chính là động năng của hệ trước phản ứng sao cho sau phản ứng các hạt ở trạng thái nghỉ, tức là động năng K_fkt = 0. Do đó ta có :

K_ng.kt = K_ikt = - ∆E

Dựa vào mối liên hệ giữa K_iTN và K_ikt ở trên ta được:

Suy ra năng lượng ngưỡng trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm là:

(3)

--------------------------------------------------

FAQ

1. Có những định luật bảo toàn nào trong phản ứng hạt nhân?

Các định luật thường dùng gồm: bảo toàn điện tích, bảo toàn số khối, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng lượng.

2. Định luật bảo toàn số khối là gì?

Tổng số khối của các hạt trước phản ứng bằng tổng số khối của các hạt sau phản ứng.

3. Phản ứng hạt nhân có xuất hiện trong đề thi THPT Quốc gia không?

Đây là chuyên đề quan trọng thường xuất hiện trong đề thi tốt nghiệp THPT môn Vật lý.

4. Làm sao để giải nhanh bài tập phản ứng hạt nhân?

Cần xác định đúng định luật bảo toàn và áp dụng công thức phù hợp với từng dạng bài.

---------------------------------------------------

Việc nắm chắc các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân sẽ giúp học sinh giải nhanh các bài toán hạt nhân từ cơ bản đến vận dụng cao. Đây là chuyên đề trọng tâm cần ôn luyện kỹ trong quá trình học Vật lý 12 và chuẩn bị cho kỳ thi THPT Quốc gia.