CHƯƠNG IV: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ
I. MẠCH DAO ĐỘNG:
1. Mạch dao động là một mạch kín gồm một tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với một cuộn cảm có độ tự cảm L.
2. Mạch dao động lí tưởng là mạch dao động có điện trở của mạch bằng không và mạch không bức xạ sóng điện từ.
3. Định luật biến thiên điện tích, cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong mạch dao động lí tưởng.
- Sự biến thiên điện tích của một bản tụ điện: q = q0cos(ωt + φ).
- Sự biến thiên cường độ dòng điện trong mạch: i = -I0sin(ωt + φ) = I0cos(ωt + φ + ).
(Với I0 = ωq0)
- Sự biến thiên hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện: u = U0cos(ωt + φ). (Với )
q0 : điện tích cực đại trên một bản tụ điện (đơn vị C).
I0 : cường độ dòng điện cực đại trong mạch (đơn vị A).
U0 : hiệu điện thế cực đại giữa hai bản tụ điện (đơn vị V)
\(\omega = \dfrac{1}{{\sqrt {LC} }}\): tần số góc riêng của mạch dao động LC (đơn vị rad/s).
\(T = 2\pi \sqrt {LC} \): chu kì riêng của mạch dao động LC (đơn vị s).
\(f = \dfrac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}\): tần số riêng của mạch dao động LC (đơn vị Hz).
Độ tự cảm của cuộn cảm: \(L = 4\pi {.10^{ - 7}}\mu \dfrac{{{N^2}}}{l}S\) (đơn vị H)
(trong đó, N là số vòng dây quấn của ống dây điện chiều dài l, có tiết diện ống dây S)
Nhận xét: i nhanh pha \(\dfrac{\pi }{2}\) so với q, và so với u. Và q cùng pha với u.
Chú ý:
\({C_1}//{C_2} \Rightarrow C = {C_1} + {C_2}\)
\({C_1}nt{C_2} \Rightarrow \dfrac{1}{C} = \dfrac{1}{{{C_1}}} + \dfrac{1}{{{C_2}}}\)
\({L_1}//{L_2} \Rightarrow \dfrac{1}{L} = \dfrac{1}{{{L_1}}} + \dfrac{1}{{{L_2}}}\)
\({L_1}nt{L_2} \Rightarrow L = {L_1} + {L_2}\)
4. Biểu thức độc lập với thời gian.
\({i^2} = {\omega ^2}\left( {q_0^2 - {u^2}{C^2}} \right) = \frac{C}{L}\left( {U_0^2 - {u^2}} \right).\)
5. Định nghĩa dao động điện từ tự do: là sự biến thiên điều hòa theo thời gian của điện tích q của một bản tụ điện và cường độ dòng điện i (hoặc của cường độ điện trường \(\vec E\) và cảm ứng từ \(\vec B\)) trong mạch dao động.
6. Năng lượng điện từ trong mạch dao động lí tưởng.
- Năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện.
\({W_d} = \dfrac{1}{2}\dfrac{{{q^2}}}{C} = \dfrac{{q_0^2}}{{2C}}{\cos ^2}\left( {\omega t + \varphi } \right)\)
- Năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm.
\({W_t} = \dfrac{1}{2}L{i^2} = \dfrac{1}{2}L{\omega ^2}q_0^2{\sin ^2}\left( {\omega t + \phi } \right)\)
\(= \dfrac{{q_0^2}}{{2C}}{\sin ^2}\left( {\omega t + \phi } \right).\)
- Năng lượng điện từ trong mạch dao động là tổng năng lượng điện trường và năng lượng từ trường của mạch.
\(W = {W_d} + {W_t} = \dfrac{{q_0^2}}{{2C}} = \dfrac{1}{2}LI_0^2 \)
\(= {\mathop{\rm const}\nolimits} \)
Nhận xét:
Năng lượng trong mạch dao động gồm năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện và năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm.
Mạch dao động có tần số góc w, tần số f và chu kỳ T thì năng lượng điện trường và năng lượng từ trường cùng biến thiên tuần hoàn với tần số góc 2w, tần số 2f và chu kỳ \(\frac{T}{2}\).
Tại mọi thời điểm, tổng năng lượng điện trường và năng lượng từ trường luôn luôn không đổi. Nói cách khác, năng lượng điện từ trường của mạch dao động luôn bảo toàn.
Năng lượng điện trường cực đại = năng lượng từ trường cực đại = năng lượng điện từ trường.\({W_{{d_{\max }}}} = {W_{{t_{\max }}}} = W = \dfrac{{q_0^2}}{{2C}} = \dfrac{1}{2}LI_0^2\)
(Lưu ý thêm rằng \(C = \dfrac{{{q_0}}}{{{U_0}}}\))
II. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG (TRƯỜNG ĐIỆN TỪ):
1. Giả thuyết của Mắc-xoen về mối quan hệ giữa điện trường và từ trường.
- Khi một từ trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một điện trường xoáy, là điện trường có các đường sức điện là đường cong kín, bao quanh các đường sức từ.
- Khi một điện trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một từ trường, có các đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức điện.
2. Điện từ trường là trường có hai thành phần biến thiên theo thời gian, liên quan mật thiết với nhau là điện trường biến thiên và từ trường biến thiên.
III. SÓNG ĐIỆN TỪ:
1. Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian.
2. Những tính chất (đặc điểm) của sóng điện từ.
- Sóng điện từ truyền được trong tất cả các môi trường vật chất, kể cả chân không. Vận tốc lan truyền sóng điện từ trong chân không bằng vận tốc ánh sáng trong chân không : c = 3.108 m/s. Trong chân không, sóng điện từ tần số f thì có bước sóng là \(\lambda = \frac{c}{f} = c.2\pi \sqrt {LC} .\)
- Sóng điện từ là sóng ngang. Trong quá trình truyền sóng, tại một điểm bất kì trên phương truyền, vecto \(\vec E\) và vecto \(\vec B\) luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng \(\vec v\). Ba vecto \(\vec E\), \(\vec B\), \(\vec v\) tạo thành một tam diện thuận.
- Trong sóng điện từ, điện trường và từ trường luôn biến thiên tuần hoàn theo không gian và thời gian, và luôn cùng pha với nhau.
- Sóng điện từ cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ; cũng có thể giao thoa, nhiễu xạ ... như ánh sáng.
- Sóng điện từ mang năng lượng. Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa bậc bốn của tần số.
- Sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài kilômét được dùng trong thông tin liên lạc vô tuyến và được gọi là sóng vô tuyến.
3. Ứng dụng của sóng điện từ.
- Sóng điện từ dùng làm sóng mang để chuyển tải các dao động âm thanh, hình ảnh… đi xa bằng phương pháp biến điệu.
4. Sơ đồ khối của máy phát thanh vô tuyến điện đơn giản:
5. Nguyên tắc thu sóng điện từ: Dựa vào cộng hượng điện từ trong mạch LC (f = f0)
- Tần số thu khi có cộng hưởng điện từ: f = \({f_0} = \dfrac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}\)(Hz)
- Bước sóng điện từ thu được là: l= cT= c2p\(\sqrt {LC} \)(m).
- Chu kì sóng điện từ thu được:
\(T \)= \({T_0} = 2\pi \sqrt {LC} \)
CHƯƠNG V. SÓNG ÁNH SÁNG .
I. Tán sắc ánh sáng.
* Tán sắc ánh sáng là hiện tượng lăng kính phân tích một chùm sáng phức tạp thành những chùm sáng có màu sắc khác nhau.
* Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc khi qua lăng kính.
* Ánh sáng trắng là sự tổng hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có màu từ đỏ đến tím.
* Chiết suất của môi trường trong suốt phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng đơn sắc, lớn nhất đối với tia tím và nhỏ nhất đối với tia đỏ. * Chiết suất: \(n = \dfrac{c}{v}\) => vtím < vđỏ
II. Nhiễu xạ ánh sáng, giao thoa ánh sáng.
1. Nhiễu xạ ánh sáng: là hiện tượng ánh sáng không tuân theo định luật truyền thẳng, khi ánh sáng truyền qua một lỗ nhỏ, hoặc gần mép những vật trong suốt hoặc không trong suốt
2. Kết quả thí nghiệm Young về giao thoa ánh sáng:
- Đối với ánh sáng đơn sắc: là một vùng sáng hẹp trong đó có những vân sáng , vân tối xen kẽ, song song và cách đều nhau.
- Đối với ánh sáng trắng: tại điểm giữa O có một vân sáng trắng, hai bên là những vân sáng, vân tối chồng chất hỗn độn có dạng các dải sáng cầu vồng tím ở trong đỏ ở ngoài.
3. Công thức giao thoa ánh sáng:
a) Khoảng vân: là khoảng cách giữa hai vân sáng (hoặc tối) cạnh nhau: \(i = \frac{{\lambda D}}{a}\)
a = S1S2: khoảng cách giữa hai khe sáng, l: bước sóng của ánh sáng
D: khoảng cách từ hai khe sáng tới màn hứng vân (E)
b) Vị trí vân sáng:
xk = \(k\dfrac{{\lambda D}}{a}\) = ki ( k = 0, ± 1, ± 2, …gọi là bậc giao thoa)
c) Vị trí vân tối:
xt = \((k + \dfrac{1}{2})\dfrac{{\lambda D}}{a}\) = (k + \(\frac{1}{2}\))i
vân tối thứ n ứng với: k = (n – 1)
4. Mỗi ánh sáng đơn sắc có một màu xác định, ứng với một bước sóng (tần số) xác định.
Trong chân không \(\lambda = \dfrac{c}{f}\), c = 3.10 8 (m/s), trong môi trường chiết suất n: \({\lambda ^/} = \dfrac{\lambda }{n}\)
5. Ánh sáng trắng có mọi bước sóng trong khoảng từ 0,38mm (tím) đến 0,76mm (đỏ).
+ Độ rộng quang phổ bậc k:\(\Delta {x_k} = k({\lambda _d} - {\lambda _t})\dfrac{D}{a}\)
6. Khi chiếu vào khe S đồng thời hai ánh sáng đơn sắc có bước sóng l1 , l2: thì trên màn có hai hệ vân của hai ánh sáng đơn sắc đó, đồng thời xuất hiện một số vân trùng (đổi màu)
Tại vị trí vân trùng (hai vân sáng trùng nhau): \({x_{k1}} = {x_{k2}} \Leftrightarrow {k_1}{\lambda _1} = {k_2}{\lambda _2}\)
III. Máy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng phức thành những thành phần đơn sắc khác nhau.
- Cấu tạo và hoạt động: có ba bộ phận chính:
+ Ống chuẩn trực là bộ phận tạo ra chùm sáng song song.
+ Lăng kính có tác dụng phân tích chùm sáng song song chiếu tới, thành những chùm sáng đơn sắc song song.
+ Buồng ảnh là bộ phận dùng để thu (chụp) ảnh quang phổ.
- Mỗi chùm sáng đơn sắc tao ra trên kính ảnh một vạch màu đơn sắc. Tập hợp các vạch màu đơn sắc đó tạo thành quang phổ của nguồn S.
IV. Phân tích quang phổ
- Phân tích quang phổ là phương pháp vật lí dùng để xác định thành phần hóa học của một chất hay hợp chất , dựa vào việc nghiên cứu quang phổ của ánh sáng do chất ấy phát ra
- Ưu điểm: Nhanh, chính xác, chỉ cần lượng nhỏ mẫu vật, Có thể phân tích được các vật ở xa.
V. Các loại quang phổ
VI. Các loại Tia (bức xạ) không nhìn thấy
VII. Thuyết điện từ về ánh sáng.
- Bản chất của ánh sáng là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn lan truyền trong không gian.
- Mối liên hệ giữa tính chất điện từ và tính chất quang của môi trường: \(\dfrac{c}{v}\)= n
VIII . Thang sóng điện từ
Các sóng vô tuyến điện, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, và tia gamma đều có cùng một bản chất là sóng điện từ, chúng chỉ khác nhau về bước sóng ( tần số).
+ Các tia có bước sóng càng ngắn thể hiện tính chất hạt có tính đâm xuyên càng mạnh, dễ tác dụng lên kính ảnh, dễ làm phát quang các chất và ion hóa không khí.
+ Các tia có bước sóng dài thể hiện tính chất sóng, ta dễ quan sát hiện tượng giao thoa.
Nếu sắp xếp theo thứ tự bước sóng giảm dần ( tần số tăng dần) ta được một thang sóng điện từ như sau: Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia X, tia gamma.
CHƯƠNG VI. LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
I. Hiện tượng quang điện
1. Thí nghiệm của Héc về hiện tượng quang điện
- Chiếu ánh sáng hồ quang giàu tử ngoại vào tấm kẽm tích điện âm làm bật êlectron khỏi mặt tấm kẽm.
2. Định nghĩa: Hiện tượng ánh sáng làm bật các êlectron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài)
Nếu chắn chùm sáng hồ quang bằng một tấm thuỷ tinh dày thì hiện tượng trên không xảy ra => bức xạ tử ngoại có khả năng gây ra hiện tượng quang điện ở kẽm.
3. Định luật về giới hạn quang điện
- Định luật: Đối với mỗi kim loại, ánh sáng kích thích phải có bước sóng \(\lambda\) ngắn hơn hay bằng giới hạn quang điện \({\lambda _0}\) của kim loại đó, mới gây ra được hiện tượng quang điện.\(\lambda \le {\lambda _0}\)
- Giới hạn quang điện của mỗi kim loại là đặc trưng riêng cho kim loại đó.
- Thuyết sóng điện từ về ánh sáng không giải thích được mà chỉ có thể giải thích được bằng thuyết lượng tử.
II. Thuyết lượng tử ánh sáng
1. Giả thuyết Plăng
- Lượng năng lượng mà mỗi lần một nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định và hằng hf; trong đó f là tần số của ánh sáng bị hấp thụ hay phát ra; còn h là một hằng số.
2. Lượng tử năng lượng
\(\varepsilon = \)hf = \(\dfrac{{hc}}{\lambda }\), h gọi là hằng số Plăng
h = 6,625.10-34J.s
3. Thuyết lượng tử ánh sáng
a. Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là phôtôn.
b. Với mỗi ánh sáng đơn sắc có tần số f, các phôtôn đều giống nhau, mỗi phôtôn mang năng lượng bằng \(\varepsilon = \)hf.
c. Phôtôn bay với tốc độ c = 3.108m/s dọc theo các tia sáng
d. Mỗi lần một nguyên tử hay phân tử phát xạ hay hấp thụ ánh sáng thì chúng phát ra hay hấp thụ một phôtôn. Phôton luôn chuyển động. Không có phôton đứng yên.
4. Giải thích định luật về giới hạn quang điện bằng thuyết lượng tử ánh sáng
- Mỗi phôtôn khi bị hấp thụ sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho 1 êlectron.
- Công để “thắng” lực liên kết gọi là công thoát (A).
- Để hiện tượng quang điện xảy ra: \(hf \le A\) hay \(h\dfrac{c}{\lambda } \ge A\) => \(\lambda \le \dfrac{{hc}}{A}\)
Đặt \({\lambda _0} = \dfrac{{hc}}{A}\) => \(\lambda \le {\lambda _0}\)
Chú ý để tính nhanh ta dùng: \({\lambda _0} = \dfrac{{19,{{875.10}^{ - 26}}}}{A}\)
5. Lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng:
Ánh sáng có lưỡng tính sóng - hạt.
III. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN TRONG
1. Chất quang dẫn - Là chất bán dẫn có tính chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành dẫn điện khi bị chiếu sáng.
2. Hiện tượng quang điện trong
Hiện tượng ánh sáng giải phóng các êlectron liên kết để chúng trở thành các êlectron dẫn đồng thời giải phóng các lỗ trống tự do gọi là hiện tượng quang điện trong.à Ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện
3. Quang điện trở :
- Là một điện trở làm bằng chất quang dẫn.
- Cấu tạo: 1 sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên một đế cách điện.
- Điện trở có thể thay đổi từ vài \(M\Omega \to \) vài chục \(\Omega \).
4. Pin quang điện
1. Là pin chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.
2. Hiệu suất trên dưới 10%.
III. HIỆN TƯỢNG QUANG – PHÁT QUANG
1. Khái niệm về sự phát quang
- Sự phát quang là sự hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác.
- Đặc điểm: sự phát quang còn kéo dài một thời gian sau khi tắt ánh sáng kích thích.
2. Huỳnh quang và lân quang
- Sự phát quang của các chất lỏng và khí có đặc điểm là ánh sáng phát quang bị tắt rất nhanh sau khi tắt ánh sáng kích thích gọi là sự huỳnh quang.
- Sự phát quang của các chất rắn có đặc điểm là ánh sáng phát quang có thể kéo dài một thời gian sau khi tắt ánh sáng kích thích gọi là sự lân quang. Các chất rắn phát quang loại này gọi là các chất lân quang.
3. Định luật Xtốc (Stokes) về sự huỳnh quang
Ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích:\({\lambda _{hq}} > {\lambda _{kt}}\)
IV. CÁC TIÊN ĐỀ BOHR VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ:
1. Tiên đề về các trạng thái dừng
- Nguyên tử chỉ tồn tại trong 1 số trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ.
- Trong các trạng thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng.
- Đối với nguyên tử hiđrô rn = n2r0 ,r0 = 5,3.10-11m gọi là bán kính Bo.
Các mức K L M N O P ứng với n =1,2,3,4,5,6...
2. Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử
- Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (En) sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn (Em) thì nó phát ra 1 phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En - Em: \(\varepsilon = h{f_{nm}} = {E_n} - {E_m}\). Tính \(\lambda = \frac{{hc}}{{\left( {{E_m} - {E_n}} \right)}}\) chú ý nhớ đổi 1eV =1,6.10-19 J
- Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trạng thái dừng có năng lượng Em thấp hơn mà hấp thụ được 1 phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En - Em thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao hơn En.
Ghi nhớ khi từ thấp lên cao hấp thụ và từ cao trở về thấp bức xạ
V. SƠ LƯỢC VỀ LAZE:
1. Cấu tạo và hoạt động của Laze
- Laze là một nguồn phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng của hiện tượng phát xạ cảm ứng.
- Đặc điểm:
+ Tính đơn sắc.
+ Tính định hướng.
+ Tính kết hợp rất cao.
+ Cường độ lớn.
2. Một vài ứng dụng của laze
- Y học: dao mổ, chữa bệnh ngoài da…
- Thông tin liên lạc: sử dụng trong vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, truyền tin bằng cáp quang…
- Công nghiệp: khoan, cắt..
- Trắc địa: đo khoảng cách, ngắm đường thẳng…
- Trong các đầu đọc CD, bút chỉ bảng
CHƯƠNG VII. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ .
I. Tính chất, cấu tạo, năng lượng liên kết hạt nhân:
1. Cấu tạo hạt nhân , khối lượng hạt nhân:
a. Cấu tạo hạt nhân:
* Hạt nhân: có kích thước rất nhỏ (khoảng 10-14 m đến 10-15 m) được cấu tạo từ các hạt nhỏ hơn gọi là nuclon.
Có 2 loại nuclon:
- proton: ký hiệu p mang điện tích nguyên tố +e;
- nơtron: ký hiệu n, không mang điện tích.
Hạt nhân có điện tích +Ze
* Số nuclon trong một hạt nhân là: A = Z + N .A: gọi là khối lượng số hoặc số khối lượng nguyên tử
b. Khối lượng hạt nhân. Đơn vị khối lượng hạt nhân
1u = khối lượng nguyên tử cacbon C,
1u = 1,66055.10-27kg
mp = 1,007276u; mn= 1,008665u
2. Lực hạt nhân:là lực liên kết các nuclôn với nhau
Đặc điểm của lực hạt nhân:
+ Lực hạt nhân là loại lực tương tác mạnh nhất
+ Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân 10-15m
+ Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích các nuclôn.
3.Năng lượng liên kết của hạt nhân:
a, Độ hụt khối: \(\Delta m\)
- Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó.
- Độ chênh lệch khối lượng đó gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu Dm
\(\Delta m\) = (Zmp + (A – Z)mn – mX) với mX : khối lượng của hạt nhân
b, Năng lượng liên kết
- Năng lượng liên kết của hạt nhân là năng lượng liên kết các nuclôn riêng lẻ thành 1 hạt nhân
Wlk = \(\Delta m\).c2 = (Zmp + (A – Z)mn – mX) .c2
- Muốn phá vở hạt nhân cần cung cấp năng lượng W \( \ge \)Wlk
c. Năng lượng liên kết riêng
- Năng lượng liên kết riêng của mỗi hạt nhân là năng lượng liên kết tính cho mỗi nuclôn của hạt nhân đó: \(\frac{{{W_{lk}}}}{A}\)
- Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân.
- Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững
II. Phản ứng hạt nhân
1. Định nghĩa phản ứng hạt nhân
* Phản ứng hạt nhân là tương tác giữa hai hạt nhân dẫn đến sự biến đổi của chúng thành các hạt khác theo sơ đồ: A + B → C + D
Trong đó: A và B là hai hạt nhân tương tác với nhau. C và D là hai hạt nhân mới được tạo thành.
Lưu ý: Sự phóng xạ là trường hợp riêng của phản ứng hạt nhân đó là quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử này thành hạt nhân nguyên tử khác.
+ Phản ứng hạt nhân tự phát: Là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác.
+ Phản ứng hạt nhân kích thích: Quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác.
- Đặc tính của phản ứng hạt nhân:
+ Biến đổi các hạt nhân.
+ Biến đổi các nguyên tố.
+ Không bảo toàn khối lượng nghỉ.
2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
Xét phản ứng hạt nhân: \({}_{{Z_1}}^{{A_1}}A + {}_{{Z_2}}^{{A_2}}B \to {}_{{Z_3}}^{A{}_3}C + {}_{{Z_4}}^{{A_4}}D\)
+ Định luật bảo toàn số Nuclon (số khối A):
Tổng số nuclon của các hạt nhân trước phản ứng và sau phản ứng bao giờ cũng bằng nhau: A1 + A2 = A3 + A4
+. Định luật bảo toàn điện tích nguyên tử số Z)
Tổng điện tích của các hạt trước và sau phản ứng bao giờ cũng bằng nhau: Z1 + Z2 = Z3 + Z4
+. Định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn động lượng:
* Hai định luật này vẫn đúng cho hệ các hạt tham gia và phản ứng hạt nhân. Trong phản ứng hạt nhân, năng lượng toàn phầnvà động lượng được bảo toàn
* Lưu ý: Không có định luật bảo toàn khối lượng của hệ.
c. Năng lượng phản ứng hạt nhân
m0 = mA+mB khối lượng các hạt tương tác
m = mC+mD khối lượng các hạt sản phẩm
- Phản ứng hạt nhân có thể toả năng lượng hoặc thu năng lượng.
+ Nếu m0 > m: phản ứng hạt nhân toả năng lượng:
Năng lượng tỏa ra:
W = (mtrước - msau)c2
+ Nếu m0 < m: Phản ứng hạt nhân thu năng lượng, phản ứng không tự xảy ra .Muốn phản ứng xảy ra phải cung cho nó một năng lượng dưới dạng động năng của các hạt tương tác:
W = (msau - mtrước)c2+ Wđ
III. Hiện tượng phóng xạ:
1. Hiện tượng phóng xạ
- Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự động phóng ra những bức xạ và biến đổi thành hạt nhân khác
- Những bức xạ đó gọi là tia phóng xạ, tia phóng xạ không nhìn thấy được nhưng có thể phát hiện ra chúng do có khả năng làm đen kính ảnh, ion hóa các chất, bị lệch trong điện trường và từ trường…
Đặc điểm của hiện tượng phóng xạ:
- Hiện tượng phóng xạ hoàn toàn do các nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra, hoàn toàn không phụ thuộc vào tác động bên ngoài.
- Dù nguyên tử phóng xạ có nằm trong các hợp chất khác nhau, dù chất phóng xạ chịu áp suất hay nhiệt độ khác nhau… thì mọi tác động đó đều không gây ảnh hưởng đến quá trình phóng xạ của hạt nhân nguyên tử.
2. Các dạng phóng xạ:
a.Phóng xạ \(\alpha \):
Hạt nhân mẹ X phân rã tạo thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ \(\alpha \): \({}_Z^AX\, \to \,{}_{Z - 2}^{A - 4}Y\, + \,{}_2^4He\)
+ Tia \(\alpha \) là chùm hạt nhân hêli \(_2^4\)He chuyển động với tốc độ vào cỡ 2.107 m/s, bị lệch về bản âm của tụ điện . Có khả năng ion hóa môi trường rất mạnh năng lượng giảm nhanh chỉ đi được tối đa 8 cm trong không khí, có khả năng đâm xuyên nhưng yếu.không xuyên qua được tờ bìa dày.
b. Phóng xạ \(\beta \)
* Phóng xạ \({\beta ^ - }\)
- Phóng xạ \({\beta ^ - }\) là quá trình phát ra tia \({\beta ^ - }\). Tia \({\beta ^ - }\) là dòng các êlectron.
- Dạng tổng quát của quá trình phóng xạ \({\beta ^ - }\): \(_Z^AX \to _{Z + 1}^AY + _0^0\overrightarrow v \)
- Tia \({\beta ^ - }\) chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng
- Có khả năng làm iôn hóa chất khí yếu hơn tia \(\alpha \), nên có khả năng đâm xuyên mạnh hơn, đi được khoảng vài mét và có thể xuyên qua tấm nhôm vài mm
* Phóng xạ \({\beta ^ +}\)
- Phóng xạ \({\beta ^ +}\) là quá trình phát ra tia \({\beta ^ +}\). Tia \({\beta ^ +}\) là dòng các pôzitron (\({}_1^0e\)).
- Dạng tổng quát của quá trình phóng xạ \({\beta ^ +}\): \(_Z^AX \to _{Z + 1}^AY + _0^0\overrightarrow v \)
- Tia \({\beta ^ +}\) chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng
- Hạt \({\beta ^ + }\) mang điện tích +1e, lùi về sau 1 so với hạt nhân mẹ
c.Phóng xạ \(\gamma \)
- Các hạt nhân con được tạo thành trong quá trình phóng xạ ở trạng thái kích thích nhưng không làm thay đổi cấu tạo hạt nhân
- Tia gamma \(\gamma \): có bản chất là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (dưới 10-11m) không nhìn thấy được. Đây là chùm phôtôn năng lượng cao, có khả năng làm đen kính ảnh, làm iôn hóa chất khí,có khả năng đâm xuyên rất mạnh, và rất nguy hiểm cho con người.
Tia \(\gamma \) không bị lệch trong điện trường và từ trường.
3. Định luật phóng xạ
- Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một thời gian T gọi là chu kỳ bán rã. Cứ sau mỗi chu kì thì 1/2 số nguyên tử của chất ấy đã biến đổi thành chất khác.
- Gọi N0, m0 là số nguyên tử và khối lượng ban đầu của khối lượng phóng xạ.
Gọi N, m: là số nguyên tử và khối lượng ở thời điểm t.
Ta có: N = NO.\({e^{ - \lambda .t}} = {2^{ - \dfrac{t}{T}}}\) hoặc m = mo. \({e^{ - \lambda .t}} = {2^{ - \dfrac{t}{T}}}\)
T: là chu kỳ bán rã , \(\lambda \) là hằng số phóng xạ với \(\lambda \)= \(\frac{{\ln 2}}{T} = \dfrac{{0,693}}{T}\)
IV . Cơ chế của phản ứng phân hạch:
1. Phản ứng phân hạch: Là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành 2 hạt nhân trung bình (kèm theo một vài nơtrôn phát ra).
Phản ứng phân hạch kích thích:
\(n + X \to {X^*} \to Y + Z + kn\) (k = 1, 2, 3)
- Quá trình phân hạch của X là không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích X*.
2. Năng lượng phân hạch
- Xét các phản ứng phân hạch:
\(\begin{array}{l}{}_0^1n + {}_{92}^{235}U \to {}_{92}^{236}U* \to {}_{39}^{95}Y + {}_{53}^{138}I + 3{}_0^1n\\\quad \quad \quad \;\;\,\end{array}\)\(\begin{array}{l}{}_0^1n + {}_{92}^{235}U \to {}_{92}^{236}U*\, \to {}_{54}^{139}Xe + {}_{38}^{95}Sr + 2{}_0^1n\\\quad \quad \quad \;\;\end{array}\)
a. Phản ứng phân hạch toả năng lượng
- Phản ứng phân hạch \({}_{92}^{235}U\) là phản ứng phân hạch toả năng lượng, năng lượng đó gọi là năng lượng phân hạch.
- Mỗi phân hạch \({}_{92}^{235}U\) tỏa năng lượng 212MeV.
b. Phản ứng phân hạch dây chuyền
- Giả sử sau mỗi phân hạch có k nơtrôn được giải phóng đến kích thích các hạt nhân \({}_{92}^{235}U\) tạo nên những phân hạch mới.
- Sau n lần phân hạch, số nơtrôn giải phóng là kn và kích thích kn phân hạch mới.
+ Khi k < 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh
+ Khi k = 1: phản ứng PHDC tự duy trì, năng lượng phát ra không đổi à nhà máy điện hạt nhân.
+ Khi k > 1: phản ứng PHDC tự duy trì, năng lượng phát ra tăng nhanh, có thể gây bùng nổ à Bom nguyên tử.
3. Phản ứng phân hạch có điều khiển
- Được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng trường hợp k = 1.
- Năng lượng toả ra không đổi theo thời gian.
V. Phản ứng nhiệt hạch:
1. Phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?
- Là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
\({}_1^2H + {}_1^3H \to {}_2^4He + {}_0^1n\)
Phản ứng trên toả năng lượng: Qtoả = 17,6MeV
2. Điều kiện thực hiện: Nhiệt độ đến cỡ trăm triệu độ.
3. Năng lượng tổng hợp hạt nhân
- Năng lượng toả ra bởi các phản ứng tổng hợp hạt nhân được gọi là năng lượng tổng hợp hạt nhân.
- Thực tế chỉ quan tâm đến phản ứng tổng hợp nên hêli.
