Nội dung chính Vật lí 12 cánh diều Bài 2: Năng lượng hạt nhân

CHỦ ĐỀ 4: VẬT LÍ HẠT NHÂN

BÀI 2: NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

I. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Các nucleon trong hạt nhân hút nhau bằng các lực rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Các lực này chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (10-14 m). Ở ngoài phạm vi này, lực hạt nhân giảm nhanh xuống không.

Muốn tách nucleon ra khỏi hạt nhân, cần cung cấp năng lượng để thắng lực hạt nhân.

1. Độ hụt khối

độ hụt khối = tổng khối lượng các nucleon - khối lượng hạt nhân 

Trong đó: mp là khối lượng hạt proton; 

là khối lượng hạt neutron; 

là khối lượng hạt nhân ZAX.

- Trong thuyết tương đối:

(2.2)

Với c=3.m/s 

Trong vật lí hạt nhân, năng lượng thường được đo bằng đơn vị MeV (mega electron vôn), khối lượng có thể đo bằng đơn vị MeV/c². Ta có: 1 amu = 931,5 MeV/c².

2. Năng lượng liên kết hạt nhân

- Năng lượng 

∆mc² để liên kết các nuclon riêng lẻ thành hạt nhân được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân: 

(2.3)

- Muốn tách hạt nhân 

ZAX thành các nucleon riêng Z lẻ, ta phải cung cấp cho hệ một năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết hạt nhân.

3. Năng lượng liên kết riêng

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

Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

II. SỰ PHÂN HẠCH VÀ SỰ TỔNG HỢP HẠT NHÂN

1. Sự phân hạch

- Phân hạch là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành hai hay nhiều hạt nhẹ hơn. Các hạt này được gọi là sản phẩm phân hạch. Sự phân hạch còn được gọi là phản ứng phân hạch. Phản ứng phân hạch tự phát có thể xảy ra nhưng với xác suất rất nhỏ. 

Ví dụ: (Hình 2.4) Phản ứng phân hạch của 92235U.

Phản ứng phân hạch của hạt nhân 92235U (Hình 2.4) toả ra năng lượng xấp xỉ bằng 173 MeV. Năng lượng này được gọi là năng lượng phân hạch.

2. Sự tổng hợp hạt nhân

- Tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ kết hợp lại thành hạt nhân nặng hơn. Quá trình này còn được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân.

- Muốn cho hai hạt nhân nhẹ có thể kết hợp lại thành hạt nhân nặng hơn, phải cung cấp cho chúng một động năng đủ lớn để tiến lại gần nhau đến mức mà lực hạt nhân phát huy tác dụng, thắng lực điện và làm chúng kết hợp với nhau. 

→ Cần tạo ra hỗn hợp chất có mật độ hạt nhân đủ lớn, ở nhiệt độ rất cao (cỡ đến K) và duy trì trạng thái này đủ dài. 

Phản ứng này còn gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Ví dụ: (Hình 2.6)

Một phản ứng nhiệt hạch mô tả trong Hình 2.6 toả ra năng lượng xấp xỉ khoảng 17,6 MeV. Năng lượng này được gọi là năng lượng nhiệt hạch.

II. CÔNG NGHIỆP HẠT NHÂN

- Các ngành công nghiệp hạt nhân như công nghiệp năng lượng hạt nhân, sản xuất vật liệu phóng xạ có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, y học, sản xuất và đời sống.

- Ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân khai thác và sử dụng năng lượng hạt nhân giải phóng thông qua các phản ứng phân hạch với nhiều mục đích khác nhau như sản xuất điện, tạo lực đẩy cho các phương tiện có công suất lớn (tên lửa, tàu ngầm, tàu phá băng,...) di chuyển.

- Ưu điểm khi sử dụng nhà máy điện hạt nhân

+ Tiết kiệm, hiệu quả hơn năng lượng hóa thạch.

+ Trong quá trình vận hành, nhà máy điện hạt nhân không phát thải carbon và các khí nhà kính khác.

+ Trữ lượng uranium và plutonium lớn, đảm bảo an ninh năng lượng.

- Nhược điểm khi sử dụng nhà máy điện hạt nhân

+ Nguy cơ mất an toàn: Chất thải của lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi phải có công nghệ xử lí tốt.