BÀI 35. TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN
I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử
+ Kích thước: nhỏ hơn nguyên tử 104 - 105 lần.
+ Cấu tạo: gồm các hạt prôtôn và nơtron, gọi chung là nuclôn.
- nơtrôn (n) không mang điện.
- prôtôn (p) mang điện tích dương. Điện tích mỗi prôtôn là + e = + 1,6.10- 19 C. Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tố tương ứng trong bảng tuần hoàn.
+ Kí hiệu hạt nhân
\[{}_{Z}^{A}X\] | Z: Nguyên tử số (số prôtôn trong hạt nhân). |
A: Số khối (Số nuclôn trong hạt nhân) | |
N: Số nơtron (N = A – Z) |
+ Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số hạt prôtôn nhưng khác số hạt nơtron (số khối A khác nhau).
Các đồng vị của hiđrô:
- Hiđrô thường có ký hiệu là \(_{1}^{1}H\) gồm có 1 prôtôn, không có nơtrôn.
- Hiđrô năng có ký hiệu là \(_{1}^{2}\text{H}\) hoặc \(_{1}^{2}\text{D}\) còn gọi là đơteri, gồm 1 prôtôn và 1 nơtrôn.
- Hiđrô siêu nặng có ký hiệu là \(_{1}^{3}\text{H}\) hoặc \(_{1}^{3}\text{T}\) còn gọi là triti, gồm 1 prôtôn và 2 nơtrôn.
+ Đơn vị khối lượng hạt nhân (đơn vị khối lượng nguyên tử) kí hiệu là u
\(1u=\frac{1}{12}\)khối lượng của nguyên tử \({}_{6}^{12}C=1,{{66055.10}^{-27}}\,kg=931,5\,MeV/{{c}^{2}}.\)
Hạt | Điện tích | Khối lượng (kg) | Khối lượng (u) | MeV/c2 |
Prôtôn (p) | + e | 1,67262.10-27 | 1,00728 | 938 |
Nơtron (n) | 0 | 1,67493.10-27 | 1,00866 | 939 |
Êlectron | − e | 9,10938. 10-31 | 5,486.10-4 | 0,51 |
2. Công thức Anh-xtanh giữa năng lượng và khối lượng
Theo Anh-xtanh, năng lượng E và khối lượng m tương ứng của cùng một vật luôn luôn tồn tại đồng thời và tỉ lệ với nhau, hệ số tỉ lệ là c2 (c = 3.108 m/s). Ta có hệ thức Anh-xtanh: E = mc2.
+ Khi vật ở trạng thái nghỉ (đứng yên) thì vật có khối lượng nghỉ m0 ⇒ tương ứng vật có năng lượng nghỉ E0 = m0c2.
+ Khi vật chuyển động với tốc độ v thì khối lượng vật tăng lên thành \(m=\frac{{{m}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}},\) gọi là khối lượng tương đối tính
⇒ tương ứng vật có năng lượng toàn phần là \(E=m{{c}^{2}}=\frac{{{m}_{o}}{{c}^{2}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}=\frac{{{E}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}},\) lúc này vật động năng của vật chính là hiệu giữa năng lượng toàn phần khi vật có tốc độ và năng lượng nghỉ khi vật đứng yên:
Wđ = E – E0 = \(\frac{{{E}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}-{{E}_{0}}\)
(Lưu ý: động năng không còn được tính theo công thức trong cơ học học cổ điển \({{\rm{W}}_{\rm{đ}}} = \frac{1}{2}m{v^2}\))
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1: Xác định cấu tạo hạt nhân
+ Căn cứ vào kí hiệu hạt nhân để xác định số lượng hạt prôtôn, nơtron và nuclôn trong mỗi hạt nhân
\({}_{Z}^{A}X\) | Z: Nguyên tử số (số prôtôn trong hạt nhân). |
A: Số khối (Số nuclôn trong hạt nhân) | |
N: Số nơtron (N = A – Z) |
+ Để xác định trong m (g) chất \({}_{Z}^{A}X\) có bao nhiêu prôtôn, nơtron, số nuclôn ta làm như sau :
- 1 mol hạt \({}_{Z}^{A}X\) nặng A (g) ⇒ Số mol chất \({}_{Z}^{A}X\) có trong m (g) là n=\frac{m}{A}
- 1 mol hạt \({}_{Z}^{A}X\) có NA = 6,02.1023 hạt \({}_{Z}^{A}X\) ⇒ Số hạt nhân \({}_{Z}^{A}X\) trong khối chất là \(n.NA = \frac{m}{A}.6,{{02.10}^{23}}\)hạt.
- 1 hạt nhân \({}_{Z}^{A}X\) có Z prôtôn ⇒ số prôtôn có trong m (g) chất \({}_{Z}^{A}X\) là \(\frac{mZ}{A}.6,{{02.10}^{23}}\)
- 1 hạt nhân \({}_{Z}^{A}X\) có (A − Z) nơtron ⇒ số nơtron có trong m (g) chất \({}_{Z}^{A}X\) là \(\frac{m\left( A-Z \right)}{A}.6,{{02.10}^{23}}\)
- 1 hạt nhân \({}_{Z}^{A}X\) có A nuclôn ⇒ số nuclôn có trong m (g) chất \({}_{Z}^{A}X\) là m.6,02.1023
Dạng 2: Xác định khối lượng và năng lượng tương đối tính của vật.
+ Khi vật ở trạng thái nghỉ:
- Khối lượng nghỉ m0;
- Năng lượng nghỉ E0 = m0c2.
+ Khi vật chuyển động với vận tốc v:
- khối lượng tương đối tính \(m=\frac{{{m}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}\)
- Năng lượng toàn phần \(E=m{{c}^{2}}=\frac{{{m}_{0}}{{c}^{2}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}=\frac{{{E}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}\)
- Động năng của vật: Wđ = E – E0 = \(\frac{{{E}_{0}}}{\sqrt{1-\frac{{{v}^{2}}}{{{c}^{2}}}}}-{{E}_{0}}\)
III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 176 SGK Vật lí 12):
Nếu tưởng tượng kích thước nguyên tử to như một căn phòng kích thước (10 × 10 × 10) m thì hạt nhân có thể so sánh với vật nào?
Trả lời:
Nếu tưởng tượng kích thước nguyên tử to như một căn phòng kích thước 103 m3 thì hạt nhân có thể so sánh với hạt bụi, hạt vừng (đường kính từ 0,1 mm đến 1 mm).
Câu C1 (trang 179 SGK Vật lí 12):
Tính 1 MeV/c2 ra đơn vị kilôgam?
Trả lời:
\(1\,\frac{\text{MeV}}{{{\text{c}}^{2}}}=\frac{{{10}^{6}}\text{eV}}{{{\text{c}}^{2}}}=\frac{{{10}^{6}}.1,{{6.10}^{-19}}}{{{\left( {{3.10}^{8}} \right)}^{2}}}=1,{{78.10}^{-30}}~\text{kg}\text{.}\)
Bài 1 (trang 180 SGK Vật Lí 12):
Trong các câu sau, câu nào đúng? Câu nào sai?
1. Kích thước hạt nhân tỉ lệ với số nuclôn A.
2. Các hạt nhân đồng vị có cùng số prôtôn.
3. Các hạt nhân đồng vị có cùng số nuclôn.
4. Điện tích hạt nhân tỉ lệ với số prôtôn.
5. Một hạt nhân có khối lượng 1u thì sẽ có năng lượng tương ứng 931,5 MeV.
Lời giải:
1. Kích thước hạt nhân tỉ lệ với số nuclôn ⇒ A Sai
2. Các hạt nhân đồng vị có cùng số prôtôn ⇒ Đúng
3. Các hạt nhân đồng vị có cùng số nuclôn ⇒ Sai
4. Điện tích hạt nhân tỉ lệ với số prôtôn ⇒ Đúng
Vì hạt nhân có cùng Z prôtôn thì có điện tích dương bằng + Ze
5. Một hạt nhân có khối lượng 1u thì sẽ có năng lượng tương ứng 931,5 MeV ⇒ Đúng.
Bài 2 (trang 180 SGK Vật Lí 12):
Các hạt nhân có cùng số A và khác số Z được gọi là các hạt nhân đồng khối, ví dụ: \({}_{13}^{36}S\) và \({}_{18}^{36}\text{Ar}\). So sánh:
1. khối lượng
2. điện tích
của hai hạt nhân đồng khối.
Lời giải:
Hai hạt nhân này có cùng số khối nên có khối lượng gần bằng nhau nhưng khác số Z nên có số điện tích khác nhau.
Hạt nhân \({}_{13}^{36}S\) có điện tích bằng +13e
Hạt nhân \({}_{18}^{36}\text{Ar}\) có điện tích bằng +18e.
Bài 3 (trang 180 SGK Vật Lí 12):
Xác định khối lượng tính ra u của hạt nhân \({}_{6}^{12}C.\)
Lời giải:
Vì \(1u=\frac{1}{12}\) khối lượng của nguyên tử \({}_{6}^{12}C\) nên khối lượng của nguyên tử \({}_{6}^{12}C\) là 12u.
⇒ Khối lượng tính ra u của hạt nhân \({}_{6}^{12}C\) là: m = 12u – 6me = 12u – 6.5,486.10-4 u = 11,99670u.
Bài 4 (trang 180 SGK Vật Lí 12):
Chọn câu đúng.
Tính chất hóa học của một nguyên tử phụ thuộc
A. nguyên tử số. B. số khối. C. khối lượng nguyên tử. D. số các đồng vị
Lời giải: Chọn A.
Tính chất hóa học của một nguyên tử phụ thuộc nguyên tử số Z, là số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn.
Bài 5 (trang 180 SGK Vật Lí 12):
Chọn câu đúng.
Các đồng vị của cùng một nguyên tố có cùng
A. số prôtôn. B. số nơtrôn. C. số nuclôn. D. khối lượng nguyên tử.
Lời giải: Chọn A.
Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số hạt prôtôn nhưng khác số hạt nơtron.
Bài 6 (trang 180 SGK Vật Lí 12):
Số nuclôn trong \({}_{13}^{27}Al\) là bao nhiêu?
A. 13. B. 14. C. 27. D. 40.
Lời giải: Chọn C.Từ kí hiệu hạt nhân \({}_{Z}^{A}X={}_{13}^{27}Al\Rightarrow \left\{ \begin{align} & A=27 \\ & Z=13 \\ \end{align} \right.\)
⇒ Số nuclôn trong \({}_{13}^{27}Al\) là A = 27 hạt.
Bài 6 (trang 180 SGK Vật Lí 12):
Số nơtrôn trong \({}_{13}^{27}Al\) là bao nhiêu?
A. 13. B. 14. C. 27. D. 40.
Lời giải: Chọn B.
Từ kí hiệu hạt nhân \({}_{Z}^{A}X={}_{13}^{27}Al\Rightarrow \left\{ \begin{align} & A=27 \\ & Z=13 \\ \end{align} \right.\)
⇒ Số nơtrôn trong \({}_{13}^{27}Al\) là N = A – Z = 27 – 13 = 14 hạt.
Hy vọng bài giảng "Tính chất và cấu tạo hạt nhân" giúp các em vận dụng tốt kiến thức vào các bài tập Vật lí lớp 12.