Phản ứng hạt nhân và sự phóng xạ, phân rã hạt nhân

Vì khối lượng có liên hệ với năng lượng theo công thức: ∆E=∆m.c2 nên đôi khi người ta biểu diễn đơn vị của khối lượng là đơn vị của năng lượng là eV.

Ví dụ: khối lượng của electron là:

Khối lượng của một đơn vị khối lượng nguyên tử:

Mol (số Avogadro) là tổng số nguyên tử trong 12g Cacbon 6C12 có giá trị không đổi là NA = 6,022.1023.

Ta có thể dùng số mol để tính đơn vị khối lượng nguyên tử cho một chất:

Khối lượng và năng lượng tương ứng của vài hạt nhân:

Khi tạo thành hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của một hạt nhân được hình thành thì luôn luôn nhỏ hơn khối lượng của tổng các nuclon riêng lẻ tạo nên hạt nhân đó. Sự sai lệch về khối lượng đó gọi là độ hụt khối lượng Δm:

Trong đó M là khối lượng của hạt nhân mới hình thành. Ðiều này được giải thích như sau. Khi các nuclon kết hợp lại thành một hạt nhân, nó cần có một năng lượng để kết dính các nuclon. Năng lượng này gọi là năng lượng liên kết. Ðể tạo ra năng lượng liên kết một phần khối lượng của các nuclon thành phần tham gia kết dính sẽ phải mất đi dưới dạng năng lượng.

Năng lượng liên kết có thể tính như sau :

Ví dụ năng lượng liên kết của 8016 là:

ΔE = [ 8Mp + 8Mn – M(8016)].c2

Ngược lại, từ một hạt nhân muốn phân nó ra thành các nuclon thành phần, ta phải cung cấp một năng lượng E đúng bằng năng lượng liên kết.

Ðể so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính năng lượng liên kết riêng đối với một nuclon và ta gọi nó là năng lượng liên kết riêng:

ε = ΔE/A

Năng lượng liên kết riêng với mỗi nuclon:

• Với những hạt nhân nhẹ (A = 110) năng lượng liên kết riêng  tăng nhanh từ 1,1 MeV(1H2)7 MeV (2He4).
• Với hạt nhân nặng (A = 140-240) năng lượng liên kết riêng giảm dần, nhưng giảm rất chậm từ 87 MeV.
• Hạt nhân trung bình (A = 40-120) năng lượng liên kết có giá trị trung bình vào khoảng từ 78,6 MeV giá trị này tương đối lớn cho nên hạt nhân trung bình lại là hạt nhân bền vững.

Giá trị từ 78 MeV được xem là giá trị bão hoà, khi đó mỗi nuclon chỉ tương tác với một nuclon lân cận.

Trong các hạt nhân nặng thì năng lượng liên kết lại giảm bởi vì lúc này số proton trong hạt nhân tăng lên nên lực đẩy Culong giữa các proton mang điện cũng tăng lên làm cho năng lượng liên kết bị giảm xuống.

Năng lượng liên kết là một khái niệm hữu ích giúp ta hiểu được các quá trình phóng xạ (sự vỡ tự phát của các hạt nhân) cũng như các quá trình phản ứng hạt nhân. Năng lượng và khối lượng bảo toàn nên khi một hạt nhân trải qua một biến đổi giảm khối lượng thì năng lượng được giải phóng.

Có hai cách để khối lượng có thể giảm.

• Một là, các thành phần của hạt nhân tự thay đổi khối lượng của nó, như đã xảy ra trong hiện tượng phóng xạ khi một nơtron trong hạt nhân biến đổi thành một proton trong hạt nhân.
• Hai là thành phần bản thân của hạt nhân tự sắp xếp lại thành một cấu hình chặt hơn và khối lượng giảm.

Một ví dụ đơn giản về loại biến đổi hạt nhân này là sự tạo thành đơteri (1H2 hoặc 1D2), khi đó một nơtron tự do và một proton tự do kết hợp với nhau, và phát ra một lượng tử có năng lượng 2,23MeV. Năng lượng toả ra này là do có sự tăng năng lượng liên kết của hệ notron và proton.

Các thí nghiệm đo năng lượng cần để phá vỡ đơtêri (thành notron và proton) cho thấy nó có năng lượng liên kết đúng bằng 2,23 MeV. Vậy ta có thể tổng quát hoá kết quả này như sau: “Trong mọi biến đổi tự phát của hạt nhân mà trong đó cả số nơtron lẫn số proton đều không thay đổi thì năng lượng được giải phóng bằng độ tăng của năng lượng liên kết”.

Dựa trên các số liệu thực nghiệm đo được và xem các hạt nhân như là được cấu tạo từ vật chất không nén được, liên kết với nhau bằng một lực cố kết mạnh, ta sẽ đi đến công thức bán kinh nghiệm sau đây đối với năng lượng liên kết và khối lượng nguyên tử của chất đồng vị có Z proton và A nuclon:

Trong đó av, as, ac, aa đều là các hằng số được xác định từ thực nghiệm.

Xem bài viết liên quan: Hạt nhân nguyên tử – Cấu trúc, tương tác, đồng vị, spin

Năng lượng liên kết đối với mỗi nuclon trong một hạt nhân với A = 240 chẳng hạn, có thể tăng gần 1 MeV nếu nó được tách thành hai mảnh có A = 120. Cho nên, nếu ta làm cho hạt nhân nặng này vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn ta sẽ thu được một năng lượng tổng cộng cỡ 240 MeV.

Phản ứng hạt nhân thứ hai gọi là tổng hợp nhiệt hạch vì nó chỉ xảy ra ở các nhiệt độ rất cao (hàng chục triệu độ:. Ví dụ:

H2 + H2 → H3 + p + 4,0 MeV

H2 + H2 → H3 + n + 3,3 MeV

H2 + H3 → He4 + p + 18,3 MeV

H2 + H3 → He4 + n + 17,6 MeV

Trong các phản ứng hạt nhân tổng hợp nhiệt hạch nêu trên, phản ứng H2 + H3  He4 + n được coi là nguồn năng lượng khả dĩ nhất vì khả năng xảy ra của nó lớn hơn nhiều so với các phản ứng khác cho nên có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn (vào cỡ 107K).

Như ta đã nói ở trên đây các nuclon trong hạt nhân bị bám chặt với nhau nhưng không ngừng tương tác với nhau. Do vậy một số hạt nhân có khả năng tự phóng ra một nhóm nuclon hay một vài hạt cơ bản khác. Đó là hiện tượng phân rã hạt nhân. Hiện tượng này hoàn toàn không phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài (nhiệt độ, áp suất…) mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân đó.

Trong hạt nhân chúng ta thường gặp các loại phân rã sau đây:

Phân rã alpha: đó là hiện tượng hạt nhân tự tách ra một hạt alpha. Đó là hạt nhân hêli gồm 2 nơtron và hai proton. Một số hạt nhân nặng (thuộc nhóm siêu urani) có tính phóng xạ alpha.

Phân rã beta: phân rã beta có hai loại beta- và beta+.

• Phân rã beta- là hiện tượng hạt nhân tự phóng ra một hạt (còn gọi là 1 tia) electron e- có điện tích âm. Đó là một biến đổi hạt nhân trong lòng hạt nhân nguyên tử ở đó 1 notron biến thành 1 proton theo phản ứng:

0n1 → +1p1 + -1e0 + oνo

• Phân rã beta+ là hiện tượng hạt nhân tự phóng ra một hạt (1 tia) positron e+ có điện tích dương. Đó là một biến đổi hạt nhân trong lòng hạt nhân nguyên tử ở đó 1 proton biến thành một nơtron theo phản ứng.

+1p1 → 0n1 + -1eo + oνo

Dĩ nhiên sau hai loại phân rã này hạt nhân biến thành hạt nhân khác.

Phân rã gamma: đó là hiện tượng hạt nhân tự phát ra 1 tia gama (một chùm photon) có năng lượng xác định (tần số xác định) do hạt nhân chuyển mức năng lượng khi chịu một tác nhân ngoài nào đó.

Các sự phân rã hạt nhân kể trên chính là sự phóng xạ tự nhiên.