Lý thuyết Năng lượng liên kết hạt nhân - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 15: Năng lượng liên kết hạt nhân

1. Hệ thức Einstein về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng

Hệ thức mô tả mối liên hệ giữa khối lượng m và năng lượng E:

E = mc²

Trong hệ SI, E và m lần lượt được đo bằng đơn vị jun (J) và kilôgam (kg), hằng số c = 3.10⁸ m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.

2. Khối lượng hạt nhân

Đơn vị khối lượng nguyên tử được kí hiệu là amu (viết tắt là u).

1amu có giá trị bằng $\frac{1}{12}$ khối lượng của một nguyên tử của đồng vị ${}_6^{12}C$

$1\text{\hspace{0.17em}amu}=1,66054\cdot {10}^{-27} \text{kg}=931,5\text{MeV}/{\text{c}}^2$

3. Năng lượng liên kết hạt nhân

Lực hạt nhân

Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các nucleon và có tác dụng liên kết các nucleon với nhau để tạo thành hạt nhân.

Lực hạt nhân có bản chất liên quan tới tương tác mạnh, không phụ thuộc vào điện tích hay khối lượng của các nucleon. Lực hạt nhân có bán kính tác dụng (khoảng cách giữa hai nucleon) rất ngắn, bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của hạt nhân, khoảng 10^-15 m. Khi khoảng cách giữa các nucleon lớn hơn kích thước hạt nhân, độ lớn của lực hạt nhân giảm về không.

Độ hụt khối. Năng lượng liên kết hạt nhân

Độ chênh lệch giữa tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng m, của hạt nhân gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là Δm:

$\Delta m=\left[Z{m}_{\text{p}}+(A-Z)m_{\text{n}}\right]-m_X$

Năng lượng liên kết hạt nhân bằng năng lượng tối thiểu để tách một hạt nhân thành các nucleon riêng rẽ hoặc bằng năng lượng toả ra khi các nucleon riêng rẽ kết hợp thành hạt nhân.

$E_{\text{lk}}=\Delta m\cdot c^2=\left[Z{m}_{\text{p}}+(A-Z)m_{\text{n}}-m_{\text{x}}\right]c^2$

Năng lượng liên kết hạt nhân thường được đo bằng đơn vị MeV.

Năng lượng liên kết riêng hạt nhân

Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho một nucleon.

$E_{\text{lkr}}=\frac{E_{\text{lk}}}{A}$

Năng lượng liên kết riêng hạt nhân thường được đo bằng đơn vị MeV/nucleon.

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

Trắc nghiệm: Năng lượng liên kết hạt nhân

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Nếu 3,6 g một chất được chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng thì năng lượng đó có giá trị là bao nhiêu?

A. 9.10¹⁰ kWh.

B. 9.10⁷ kWh.

C. 3,24.10¹⁰ kWh.

D. 3,24.10⁷ kWh.

Câu 2: Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Hạt nhân có số khối càng lớn thì càng bền vững.

B. Hạt nhân nào có năng lượng liên kết lớn hơn thì bền vững hơn.

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

D. Trong các hạt nhân đồng vị, hạt nhân nào có số khối càng lớn càng kém bền vững.

Câu 3: Năng lượng liên kết riêng của một hạt nhân được tính bằng

A. tích giữa năng lượng liên kết của hạt nhân với số nucleon của hạt nhân ấy.

B. tích giữa độ hụt khối của hạt nhân với bình phương tốc độ ánh sáng trong chân không.

C. thương số giữa khối lượng hạt nhân với bình phương tốc độ ánh sáng trong chân không.

D. thương số giữa năng lượng liên kết của hạt nhân với số nucleon của hạt nhân ấy.

Câu 4: Hạt nhân có độ hụt khối càng lớn thì có

A. năng lượng liên kết riêng càng nhỏ.

B. năng lượng liên kết càng lớn.

C. năng lượng liên kết càng nhỏ.

D. năng lượng liên kết riêng càng lớn.

Câu 5: Phát biểu nào sau đây về phản ứng nhiệt hạch là sai?

A. Phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.

B. Một trong các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra là nhiệt độ của nhiên liệu phải rất cao.

C. Tên gọi phản ứng nhiệt hạch là do nó toả ra năng lượng nhiệt rất lớn, làm nóng môi trường xung quanh lên.

D. Năng lượng nhiệt hạch không phụ thuộc vào năng lượng cung cấp để phản ứng xảy ra.

Câu 6: Cho khối lượng của hạt nhân ${}_{47}^{107}\text{Ag}$ là 106,8783 amu; của neutron là 1,0087 amu; của proton là 1,0073 amu. Độ hụt khối của hạt nhân ${}_{47}^{107}\text{Ag}$ là

A. 0,9868 amu.

B. 0,6986 amu.

C. 0,6868 amu.

D. 0,9686 amu.

Câu 7: Khối lượng của hạt proton, neutron và hạt deuteri ${}_1^2\text{D}$ lần lượt là: 1,0073 amu; 1,0087 amu và 2,0136 amu. Năng lượng liên kết của hạt nhân ${}_1^2\text{D}$ là

A. 2,24 MeV.

B. 3,06 MeV.

C. 1,12 MeV.

D. 4,48 MeV.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Trong các phát biểu sau đây, phát biểu nào đúng, phát biểu nào sai?

a) Hạt nhân có năng lượng liên kết càng lớn thì càng bền vững.

b) Hai hạt nhân đồng vị có số neutron khác nhau nên có khối lượng khác nhau.

c) Trong phản ứng phân hạch, một hạt nhân có số khối trung bình hấp thụ một neutron chậm rồi vỡ ra thành các hạt nhân có số khối nhỏ.

d) Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành nó.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Biết hạt nhân ${}_{18}^{40}\text{Ar}$ có khối lượng 39,9525 u. Cho khối lượng của proton và neutron lần lượt là 1,0073 u và 1,0087 u. Tính năng lượng liên kết của hạt nhân ${}_{18}^{40}\text{Ar}$. (Kết quả lấy đến một chữ số sau dấu phẩy thập phân).