Giáo án lớp 12 môn Vật lý - Chương IV: Dao động điện từ

CHƯƠNG IV : DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ A. KIẾN THỨC CƠ BẢN: 1. Dao động điện từ. - Sự biến thiên điện tích và dòng điện trong mạch dao động + Mạch dao động là một mạch điện khép kín gồm một tụ điện có điện dung C và một cuộn dây có độ tự cảm L, điện trở thuần không đáng kể nối với nhau. + Điện tích trên tụ điện trong mạch dao động: q = q0 cos(wt + j). + Cường độ dòng điện trên cuộn dây: i = q' = - wq0sin(wt + j) = I0cos(wt + j + ); Với w = ; I0 = q0w. + Chu kì và tần số riêng của mạch dao động: T = 2p; f = . - Năng lượng điện từ trong mạch dao động + Năng lượng điện trường tập trung trong tụ điện: WC = = cos2(wt + j). + Năng lượng từ trường tập trung trong cuộn cảm: WL = Li2 = Lw2 q sin2(wt + j) = sin2(wt + j). Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường biến thiên tuần hoàn với tần số góc w’ = 2w và chu kì T’ = . + Năng lượng điện từ trong mạch:W = WC + WL =cos2(wt + j) + sin2(wt + j) = = LI = CU = hằng số. + Liên hệ giữa q0, I0 và U0 trong mạch dao động: q0 = CU0 = = I0. 2. Điện từ trường. - Liên hệ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên + Nếu tại một nơi có một từ trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một điện trường xoáy. Điện trường xoáy là điện trường có các đường sức là đường cong kín. + Nếu tại một nơi có điện trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một từ trường. Đường sức của từ trường luôn khép kín. - Điện từ trường Mỗi biến thiên theo thời gian của từ trường sinh ra trong không gian xung quanh một điện trường xoáy biến thiên theo thời gian, ngược lại mỗi biến thiên theo thời gian của điện trường cũng sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh. Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên cùng tồn tại trong không gian. Chúng có thể chuyển hóa lẫn nhau trong một trường thống nhất được gọi là điện từ trường. 3. Sóng điện từ - Thông tin liên lạc bằng vô tuyến. Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian. - Đặc điểm của sóng điện từ + Sóng điện từ lan truyền được trong chân không. Vận tốc lan truyền của sóng điện từ trong chân không bằng vận tốc ánh sáng (c » 3.108m/s). Sóng điện từ lan truyền được trong các điện môi. Tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong các điện môi nhỏ hơn trong chân không và phụ thuộc vào hằng số điện môi. + Sóng điện từ là sóng ngang. Trong quá trình lan truyền và luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Tại mỗi điểm dao động của điện trường và từ trường trong sóng điện từ luôn cùng pha với nhau. + Khi sóng điện từ gặp mặt phân cách giữa hai môi trường thì nó cũng bị phản xạ và khúc xạ như ánh sáng. Ngoài ra cũng có hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ... sóng điện từ. + Sóng điện từ mang năng lượng. Nhờ có năng lượng mà khi sóng điện từ truyền đến một anten, nó sẽ làm cho các electron tự do trong anten dao động. Nguồn phát sóng điện từ rất đa dạng, có thể là bất cứ vật thể nào có thể tạo ra một điện trường hoặc một từ trường biến thiên, như tia lửa điện, dây dẫn dòng điện xoay chiều, cầu dao đóng, ngắt mạch điện ... . - Thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến + Sóng vô tuyến là các sóng điện từ dùng trong vô tuyến. Chúng có bước sóng từ vài m đến vài km. Theo bước sóng, người ta chia sóng vô tuyến thành các loại: sóng cực ngắn, sóng ngắn, sóng trung và sóng dài. + Tầng điện li là lớp khí quyển bị ion hóa mạnh bởi ánh sáng Mặt Trời và nằm trong khoảng độ cao từ 80 km đếm 800 km, có ảnh hưởng rất lớn đến sự truyền sóng vô tuyến điện. + Các phân tử không khí trong khí quyển hấp thụ rất mạnh các sóng dài, sóng trung và sóng cực ngắn nhưng ít hấp thụ các vùng sóng ngắn. Các sóng ngắn phản xạ tốt trên tầng điện li và mặt đất. + Nguyên tắc chung của thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến điện: - Biến âm thanh (hoặc hình ảnh) muốn truyền đi thành các dao động điện từ có tần số thấp gọi là các tín hiệu âm tần (hoặc tính hiệu thị tần). - Dùng sóng điện từ tần số cao (cao tần) để mang các tín hiệu âm tần hoặc thị tần đi xa, sóng này gọi là sóng mang. Muốn vậy phải trộn sóng điện từ âm tần hoặc thị tần với sóng điện từ cao tần (biến điệu chúng). Qua anten phát, sóng điện từ cao tần đã biến điệu được truyền đi trong không gian. - Dùng máy thu với anten thu để chọn và thu lấy sóng điện từ cao tần muốn thu. - Tách tín hiệu ra khỏi sóng cao tần (tách sóng) rồi dùng loa để nghe âm thanh truyền tới hoặc dùng màn hình để xem hình ảnh. Để tăng cường độ của sóng truyền đi và tăng cường độ của tín hiệu thu được người ta dùng các mạch khuếch đại. + Sơ đồ khối của mạch phát thanh vô tuyến đơn giản gồm: micrô, bộ phát sóng cao tần, mạch biến điệu, mạch khuếch đại và anten. + Sơ đồ khối của một máy thu thanh đơn giản gồm: anten, mạch khuếch đại dao động điện từ cao tần, mạch tách sóng, mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần và loa. B. BÀI TẬP * Dạng 1: Xác định các đại lượng đặc trưng của mạch dao động. Viết biểu thức của q, i, u . Chu kì, tần số, tần số góc của mạch dao động: T = ; f = ; w = . Bước sóng điện từ: trong chân không: l =; trong môi trường: l = = . Mạch chọn sóng của máy thu vô tuyến thu được sóng điện từ có bước sóng: l = = 2pc. Nếu mạch chọn sóng có cả L và C biến đổi thì bước sóng mà máy thu vô tuyến thu được sẽ thay đổi trong giới hạn từ: lmin = 2pc đến lmax = 2pc. Biểu thức điện tích q trên tụ: q = q0cos(wt + jq). Khi t = 0 nếu q đang tăng (tụ điện đang tích điện) thì jq 0. Biểu thức của i trên mạch dao động: i = I0cos(wt + ji) = Iocos(wt + jq + ). Khi t = 0 nếu i đang tăng thì ji 0. Biểu thức điện áp u trên tụ điện: u = = cos(wt + jq) = U0cos(wt + ju). Ta thấy jq = ju. Khi t = 0 nếu u đang tăng thì ju 0. I- Phương pháp giải : + Để tìm các đại lượng đặc trưng trên mạch dao động điện từ LC ta viết biểu thức liên quan đến các đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm từ đó suy ra và tính đại lượng cần tìm. + Để viết biểu thức của q, i hoặc u ta tìm tần số góc w, giá trị cực đại và pha ban đầu của đại lượng cần viết biểu thức rồi thay vào biểu thức tương ứng của chúng. I- Bài tập minh họa: 1. Một mạch dao động điện từ LC gồm cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L = 2 mH và tụ điện có điện dung C = 0,2 mF. Biết dây dẫn có điện trở thuần không đáng kể và trong mạch có dao động điện từ riêng. Xác định chu kì, tần số riêng của mạch. 2. Mạch dao động của một máy thu thanh với cuộn dây có độ tự cảm L = 5.10-6 H, tụ điện có điện dung 2.10-8 F; điện trở thuần R = 0. Hãy cho biết máy đó thu được sóng điện từ có bước sóng bằng bao nhiêu? 3. Mạch chọn sóng của một máy thu vô tuyến điện gồm một cuộn dây có độ tự cảm L = 4 mH và một tụ điện C = 40 nF. a) Tính bước sóng điện từ mà mạch thu được. b) Để mạch bắt được sóng có bước sóng trong khoảng từ 60 m đến 600 m thì cần phải thay tụ điện C bằng tụ xoay CV có điện dung biến thiên trong khoảng nào? Lấy p2 = 10; c = 3.108 m/s. 4. Một mạch dao động gồm tụ điện có điện dung C = 25 pF và cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L = 10-4 H. Giả sử ở thời điểm ban đầu cường độ dòng điện đạt giá trị cực đại và bằng 40 mA. Tìm biểu thức cường độ dòng điện, biểu thức điện tích trên các bản tụ điện và biểu thức điện áp giữa hai bản tụ. 5. Cho mạch dao động lí tưởng với C = 1 nF, L = 1 mH, điện áp hiệu dụng của tụ điện là UC = 4 V. Lúc t = 0, uC = 2 V và tụ điện đang được nạp điện. Viết biểu thức điện áp trên tụ điện và cường độ dòng điện chạy trong mạch dao động. Hướng dẫn giải và đáp số: 1. Ta có: T = 2p= 4p.10-5 = 12,57.10-5 s; f = = 8.103 Hz. 2. Ta có: l = 2pc= 600 m. 3. a) Ta có: l = 2pc= 754 m. b) Ta có: C1 = = 0,25.10-9 F; C2 = = 25.10-9 F; vậy phải sử dụng tụ xoay CV có điện dung biến thiên từ 0,25 pF đến 25 pF. 4. Ta có: w = = 105 rad/s; i = I0cos(wt + j); khi t = 0 thì i = I0 ð cosj = 1 ð j = 0. Vậy i = 4.10-2cos105t (A). q0 = = 4.10-7 C; q = 4.10-7cos(105t - )(C). u = = 16.103cos(105t - )(V). 5. Ta có: w = = 106 rad/s; U0 = U= 4V; cosj = = = cos(±); vì tụ đang nạp điện nên j = -rad. Vậy: u = 4cos(106t - )(V). I0 = U0 = 4.10-3 A; i = I0cos(106t - + ) = 4.10-3 cos(106t + )(A). * Dạng 2: Năng lượng điện từ trong mạch dao động LC. Năng lượng điện trường: WC = Cu2 = . Năng lượng từ trường: Wt =Li2 . Năng lượng điện từ: W = WC + Wt == CU = LI Năng lượng điện trường và năng lượng từ trường biến thiên tuần hoàn với tần số góc w’ = 2w = , với chu kì T’ = = . Nếu mạch có điện trở thuần R ¹ 0 thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động cần cung cấp cho mạch một năng lượng có công suất: P = I2R = . Liên hệ giữa q0, U0, I0: q0 = CU0 = = I0. I- Phương pháp giải : Để tìm các đại lượng liên quan đến năng lượng điện từ trên mạch dao động điện từ LC ta viết biểu thức liên quan đến các đại lượng đã biết và đại lượng cần tìm từ đó suy ra và tính đại lượng cần tìm. II- Bài tập minh họa: 1. Cho một mạch dao động điện từ gồm một tụ điện có điện dung C = 5 mF và một cuộn thuần cảm có độ tự cảm L = 50 mH. Biết điện áp cực đại trên tụ là 6 V. Tìm năng lượng điện trường và năng lượng từ trường trong mạch khi điện áp trên tụ điện là 4 V và cường độ dòng điện i khi đó. 2. Trong một mạch LC, L = 25 mH và C = 1,6 mF ở thời điểm t = 0, cường độ dòng điện trong mạch bằng 6,93 mA, điện tích ở trên tụ điện bằng 0,8 mC. Tính năng lượng của mạch dao động. 3. Một mạch dao động điện từ gồm một tụ điện có điện dung 0,125 mF và một cuộn cảm có độ tự cảm 50 mH. Điện trở thuần của mạch không đáng kể. Điện áp cực đại giữa hai bản tụ điện là 3 V. Tính cường độ dòng điện cực đại, cường độ dòng điện, năng lượng điện trường, năng lượng từ trường trong mạch lúc điện áp giữa hai bản tụ là 2 V. 4. Một mạch dao động gồm cuộn cảm có độ tự cảm 27 mH, và tụ điện có điện dung 3000 pF; điện trở thuần của cuộn dây và dây nối là 1 Ω; điện áp cực đại giữa hai bản tụ điện là 5 V. Tính công suất cần cung cấp để duy trì dao động của mạch trong một thời gian dài. 5. Một mạch dao động điện từ LC lí tưởng gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm 5 mH và tụ điện có điện dung 5 mF. Trong mạch có dao động điện từ tự do. Tính khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà điện tích trên một bản tụ điện có độ lớn cực đại và khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường. Hướng dẫn giải và đáp số: 1. Ta có: W = CU= 9.10-5 J; WC = Cu2 = 4.10-5 J; Wt = W – WC = 5.10-5 J; i = ± = ± 0,045 A. 2. Ta có: W = + Li2 = 0,8.10-6J. 3. Ta có: I0 = U0 = 0,15 A; W = CU= 0,5625.10-6 J; WC = Cu2 = 0,25.10-6 J; Wt = W – WC = 0,3125.10-6 J; i = ± = ± 0,11 A. 4. Ta có: I0 = wq0 = wCU0 = U0= 57,7.10-3 A ; P = = 1,39.10-6 W. 5. Chu kỳ dao động: T = 2p= 10p.10-6 = 31,4.10-6 s. Trong một chu kì có 2 lần điện tích trên bản tụ đạt giá trị cực đại nên khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà điện tích trên bản tụ đạt cực đại là Dt == 5p.10-6 = 15,7.10-6s. Trong một chu kì có 4 lần năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường nên khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà năng lượng điện trường bằng năng lượng từ trường là Dt’ = = 2,5p.10-6 = 7,85.10-6 s. *Dạng 3: Sóng điện từ - Liên lạc bằng thông tin vô tuyến – Mạch chọn sóng với bộ tụ điện có các tụ điện ghép. I- Phương pháp giải : Cần nắm : Sóng điện từ là quá trình lan truyền trong không gian của điện từ trường biến thiên theo thời gian. Sóng điện từ là sóng ngang, lan truyền trong chân không với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s). Các loại sóng vô tuyến: Tên sóng Bước sóng l Tần số f Sóng dài Trên 3000 m Dưới 0,1 MHz Sóng trung 3000 m ¸ 200 m 0,1 MHz ¸ 1,5 MHz Sóng ngắn 200 m ¸ 10 m 1,5 MHz ¸ 30 MHz Sóng cực ngắn 10 m ¸ 0,01 m 30 MHz ¸ 30000 MHz Trong thông tin liên lạc bằng vô tuyến để phát sóng điện từ đi xa người ta phải “trộn” sóng âm tần hoặc thị tần với sóng cao tần (gọi là biến điệu sóng điện từ). Có thể biến điệu biên độ, tần số hoặc pha của dao động cao tần: làm cho biên độ, tần số hoặc pha của dao động cao tần biến thiên theo tần số của dao động âm tần hoặc thị tần. Bộ tụ mắc nối tiếp : + . Bộ tụ mắc song song: C = C1 + C2 + + Cn. II- Bài tập minh họa: 1. Trong thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến, người ta sử dụng cách biến điệu biên độ, tức là làm cho biên độ của sóng điện từ cao tần (sóng mang) biến thiên theo thời gian với tần số bằng tần số của dao động âm tần. Cho tần số sóng mang là 800 kHz, tần số của dao động âm tần là 1000 Hz. Xác định số dao động toàn phần của dao động cao tần khi dao động âm tần thực hiên được một dao động toàn phần. 2. Một mạch thu sóng điện từ gồm cuộn dây thuần cảm có hệ số tự cảm không đổi và tụ điện có điện dung biến đổi. Để thu được sóng có bước sóng 90 m, người ta phải điều chỉnh điện dung của tụ là 300 pF. Để thu được sóng 91 m thì phải điều chỉnh điện dung của tụ điện đến giá trị nào? 3. Mạch chọn sóng của một máy thu vô tuyến điện gồm tụ điện có điện dung C0 và cuộn cảm thuần có độ tự cảm L, thu được sóng điện từ có bước sóng 20 m. Để thu được sóng điện từ có bước sóng 60 m thì phải mắc với C0 một tụ điện có điện dung CX. Hỏi phải mắc CX thế nào với C0? Tính CX theo C0. 4. Mạch chọn sóng của một máy thu vô tuyến là một mạch dao động có một cuộn thuần cảm mà độ tự cảm có thể thay đổi trong khoảng từ 10 mH đến 160 mH và một tụ điện mà điện dung có thể thay đổi 40 pF đến 250 pF. Tính băng sóng vô tuyến (theo bước sóng) mà máy này bắt được. 5. Mạch chọn sóng của một máy thu vô tuyến là một mạch dao động có một cuộn thuần cảm có độ tự cảm 10 mH và một tụ điện có điện dung biến thiên trong một giới hạn nhất định. Máy này thu được băng sóng vô tuyến có bước sóng nằm trong khoảng từ 10 m đến 50 m. Hỏi khi thay cuộn thuần cảm trên bằng cuộn thuần cảm khác có độ tự cảm 90 mH thì máy này thu được băng sóng vô tuyến có bước sóng nằm trong khoảng nào? Hướng dẫn giải và đáp số: 1. Thời gian để dao động âm tần thực hiện được một dao động toàn phần: TA = = 10-3 s. Thời gian để dao động cao tần thực hiện được một dao động toàn phần TC = = 0,125.10-5 s. Số dao động toàn phần của dao động cao tần khi dao động âm tần thực hiên được một dao động toàn phần: N = = 800. 2. Ta có: ð C2 = = 306,7 pF. 3. Ta có: l0 = 2pc ; lX = = 2pc ð = 3 ð Cb = 9C0. Vì Cb > C0 nên phải mắc CX song song với C0 và CX = Cb – C0 = 8C0. 4. Ta có: lmin = 2pc = 37,7 m; lmax = 2pc = 377 m. 5. Ta có: lmin = 2pc ; l = 2pc ð l = .lmin = 30 m; l = .lmax = 150 m. C. BÀI TẬP ÁP DỤNG : 1. Một mạch dao động điện từ LC lí tưởng gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm 5 mH và tụ điện có điện dung 5 mF. Trong mạch có dao động điện từ tự do. Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà điện tích trên một bản tụ điện có độ lớn cực đại là A. 5p.10-6 s. B. 2,5p.10-6 s. C.10p.10-6 s. D. 10-6 s. 2. Trong mạch dao động LC lí tưởng đang có dao động điện từ tự do, điện tích của một bản tụ điện và cường độ dòng điện qua cuộn cảm biến thiên điều hòa theo thời gian A. luôn ngược pha nhau. B. với cùng biên độ. C. luôn cùng pha nhau. D. với cùng tần số. 3. Khi nói về dao động điện từ trong mạch dao động LC lí tưởng, phát biểu nào sau đây sai? A. Cường độ dòng điện qua cuộn cảm và hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện biến thiên điều hòa theo thời gian với cùng tần số. B. Năng lượng điện từ của mạch gồm năng lượng từ trường và năng lượng điện trường. C. Điện tích của một bản tụ điện và cường độ dòng điện trong mạch biến thiên điều hòa theo thời gian lệch pha nhau . D. Năng lượng từ trường và năng lượng điện trường của mạch luôn cùng tăng hoặc luôn cùng giảm. 4. Một mạch dao động LC lí tưởng gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm không đổi, tụ điện có điện dung C thay đổi. Khi C = C1 thì tần số dao động riêng của mạch là 7,5 MHz và khi C = C2 thì tần số dao động riêng của mạch là 10 MHz. Nếu C = C1 + C2 thì tần số dao động riêng của mạch là A. 12,5 MHz. B. 2,5 MHz. C. 17,5 MHz. D. 6,0 MHz. 5. Một sóng điện từ có tần số 100 MHz truyền với tốc độ 3.108 m/s có bước sóng là A. 300 m. B. 0,3 m. C. 30 m. D. 3 m. 6. Một mạch dao động điện từ LC lí tưởng gồm cuộn cảm thuần độ tự cảm L và tụ điện có điện dung thay đổi được từ C1 đến C2. Mạch dao động này có chu kì dao động riêng thay đổi được. A. từ đến . B. từ đến . C. từ đến . D. từ đến . 7. Mạch thu sóng điện từ gồm cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm không đổi và tụ điện có điện dung biến đổi. Để thu được sóng có bước sóng 90 m, người ta phải điều chỉnh điện dung của tụ là 300 pF. Để thu được sóng 91 m thì phải A. tăng điện dung của tụ thêm 303,3 pF. B. tăng điện dung của tụ thêm 306,7 pF. C. tăng điện dung của tụ thêm 3,3 pF. D. tăng điện dung của tụ thêm 6,7 pF. 8. Một mạch chọn sóng để thu được sóng có bước sóng 20 m thì cần chỉnh điện dung của tụ là 200 pF. Để thu được bước sóng 21 m thì chỉnh điện dung của tụ là A. 220,5 pF. B. 190,47 pF. C. 210 pF. D. 181,4 mF. 9. Trong mạch dao động LC lí tưởng có dao động điện từ tự do thì A. năng lượng điện trường tập trung ở cuộn cảm. B. năng lượng điện trường và năng lượng từ trường luôn không đổi. C. năng lượng từ trường tập trung ở tụ điện. D. năng lượng điện từ của mạch được bảo toàn. 10. Một mạch dao động LC lí tưởng đang có dao động điện từ tự do. Biết điện tích cực đại của một bản tụ điện có độ lớn là 10-8 C và cường độ dòng điện cực đại qua cuộn cảm thuần là 62,8 mA. Tần số dao động điện từ tự do của mạch là A. 2,5.103 kHz. B. 3.103 kHz. C. 2.103 kHz. D. 103 kHz. 11. Mạch dao động LC lí tưởng gồm tụ điện có điện dung C, cuộn cảm thuần có độ tự cảm L. Trong mạch có dao động điện từ tự do. Biết hiệu điện thế cực đại giữa hai bản tụ điện là U0. Năng lượng điện từ của mạch bằng A. . B. . C. . D. . 12. Một mạch dao động LC lí tưởng, gồm cuộn cảm thuần có độ tự cảm L và tụ điện có điện dung C. Trong mạch có dao động điện từ tự do. Gọi U0, I0 lần lượt là hiệu điện thế cực đại giữa hai đầu tụ điện và cường độ dòng điện cực đại trong mạch thì A.. B.. C.. D.. Đáp án: 1 A. 2 D. 3 D. 4 D. 5 D. 6 B. 7 D. 8 A. 9 D. 10 D. 11 C. 12 B. Chương VII VẬT LÝ HẠT NHÂN Biên soạn : Tô Vũ Chí A. KIẾN THỨC CƠ BẢN: 1. Tính chất và cấu tạo hạt nhân. - Cấu tạo hạt nhân + Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn gọi là các nuclôn. Có hai loại nuclôn: prôtôn, kí hiệu p, khối lượng mp = 1,67262.10-27 kg, mang điện tích nguyên tố dương +e, và nơtron kí hiệu n, khối lượng mn = 1,67493.10-27 kg, không mang điện. Prôtôn chính là hạt nhân nguyên tử hiđrô. + Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử; Z được gọi là nguyên tử số. Tổng số các nuclôn trong hạt nhân gọi là số khối, kí hiệu A. Số nơtron trong hạt nhân là: N = A – Z. + Kí hiệu hạt nhân: . Nhiều khi, để cho gọn, ta chỉ cần ghi số khối, vì khi có kí hiệu hóa học thì đã xác định được Z. - Đồng vị Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số prôtôn Z (có cùng vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn), nhưng có số nơtron N khác nhau. Các đồng vị được chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ. Trong thiên nhiên có khoảng gần 300 đồng vị bền; ngoài ra người ta còn tìm thấy vài nghìn đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo. - Đơn vị khối lượng nguyên tử Trong vật lí hạt nhân, khối lượng thường được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u. Một đơn vị u có giá trị bằng khối lượng của đồng vị cacbon C; 1 u = 1,66055.10-27 kg. Khối lượng của một nuclôn xấp xĩ bằng u. Nói chung một nguyên tử có số khối A thì có khối lượng xấp xĩ bằng A.u. - Khối lượng và năng lượng Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng: E = mc2. Từ hệ thức Anhxtanh suy ra m = chứng tỏ khối lượng có thể đo bằng đơn vị của năng lượng chia cho c2, cụ thể là eV/c2 hay MeV/c2. Ta có: 1 u = 1,66055.10-27 kg = 931,5 MeV/c2. Theo lí thuyết của Anhxtanh, một vật có khối lượng m0 khi ở trạng thái nghỉ thì khi chuyển động với tốc độ v, khối lượng sẽ tăng lên thành m với: m = trong đó m0 gọi là khối lượng nghỉ và m gọi là khối lượng động. - Lực hạt nhân Lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là lực hút, gọi là lực hạt nhân, có tác dụng liên kết các nuclôn lại với nhau. Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện, nó không phụ thuộc vào điện tích của nuclôn. So với lực điện từ và lực hấp dẫn, lực hạt nhân có cường độ rất lớn (gọi là lực tương tác mạnh) và chỉ tác dụng khi 2 nuclôn cách nhau một khoảng bằng hoặc nhỏ hơn kích thước hạt nhân (khoảng 10-15 m). - Độ hụt khối và năng lượng liên kết + Độ hụt khối của một hạt nhân là hiệu số giữa tổng khối lượng của các nuclôn cấu tạo nên hạt nhân và khối lượng hạt nhân đó: Dm = Zmp + (A – Z)mn – mhn + Năng lượng liên kết của hạt nhân là năng lượng toả ra khi các nuclôn riêng rẽ liên kết thành hạt nhân và đó cũng là năng lượng cần cung cấp để phá vở hạt nhân thành các nuclôn riêng rẽ: Wlk = Dm.c2. + Năng lượng liên kết tính cho một nuclôn gọi là năng lượng liên kết riêng của hạt nhân, đặc trưng cho sự bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. 2. Phản ứng hạt nhân. - Phản ứng hạt nhân + Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân. + Phản ứng hạt nhân thường được chia thành hai loại: - Phản ứng tự phân rã một hạt nhân không bền vững thành các hạt khác. - Phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác với nhau, dẫn đến sự biến đổi chúng thành các hạt khác. Phản ứng hạt nhân dạng tổng quát: A + B ® C + D - Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân + Định luật bảo toàn số nuclôn (số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclôn của các hạt tương tác bằng tổng số nuclôn của các hạt sản phẩm. + Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm. + Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (bao gồm động năng và năng lượng nghỉ): Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm. + Định luật bảo toàn động lượng: Véc tơ tổng động lượng của các hạt tương tác bằng véc tơ tổng động lượng của các hạt sản phẩm. + Lưu ý: trong phản ứng hạt nhân không có sự bảo toàn khối lượng. - Năng lượng trong phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: A + B ® C + D. Gọi mo = mA + mB và m = mC + mD. Ta thấy m0 ¹ m. + Khi m0 > m: Phản ứng tỏa ra một năng lượng: W = (m0 – m)c2. Năng lượng tỏa ra này thường gọi là năng lượng hạt nhân. Các hạt nhân sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạt nhân ban đầu, nghĩa là các hạt nhân sinh ra bền vững hơn các hạt nhân ban đầu. + Khi m0 < m: Phản ứng không thể tự nó xảy ra. Muốn cho phản ứng xảy ra thì phải cung cấp cho các hạt A và B một năng lượng W dưới dạng động năng. Vì các hạt sinh ra có động năng Wđ nên năng lượng cần cung cấp phải thỏa mãn điều kiện: W = (m – m0)c2 + Wđ. Các hạt nhân sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn các hạt nhân ban đầu, nghĩa là kém bền vững hơn các hạt nhân ban đầu. - Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng + Hai hạt nhân rất nhẹ (A < 10) như hiđrô, hêli, kết hợp với nhau thành một hạt nhân nặng hơn. Vì sự tổng hợp hạt nhân chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cao nên phản ứng này gọi là phản ứng nhiệt hạch. + Một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn (có khối lượng cùng cỡ). Phản ứng này gọi là phản ứng phân hạch. 3. Phóng xạ. - Hiện tượng phóng xạ Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Quá trình phân rã phóng xạ chỉ do các nguyên nhân bên trong gây ra và hoàn toàn không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài. Người ta quy ước gọi hạt nhân phóng xạ là hạt nhân mẹ và các hạt nhân dược tạo thành là hạt nhân con. - Các tia phóng xạ + Tia a: là chùm hạt nhân hêli He, gọi là hạt a, được phóng ra từ hạt nhân với tốc độ khoảng 2.107 m/s. Tia a làm ion hóa mạnh các nguyên tử trên đường đi của nó và mất năng lượng rất nhanh. Vì vậy tia a chỉ đi được tối đa 8 cm trong không khí và không xuyên qua được tờ bìa dày 1 mm. + Tia b: là các hạt phóng xạ phóng ra với vận tốc rất lớn, có thể đạt xấp xĩ bằng vận tốc ánh sáng. Tia b cũng làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn so với tia a. Vì vậy tia b có thể đi được quãng đường dài hơn, tới hàng trăm mét trong không khí và có thể xuyên qua được lá nhôm dày cỡ vài mm. Có hai loại tia b: - Loại phổ biến là tia b-. Đó chính là các electron (kí hiệue). - Loại hiếm hơn là tia b+. Đó chính là pôzitron, kí hiệu làe, có cùng khối lượng như electron nhưng mang điện tích nguyên tố dương. + Tia g: là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (dưới 10-11 m), cũng là hạt phôtôn có năng lượng cao. Vì vậy tia g có khả năng xuyên thấu lớn hơn nhiều so với tia a và b. Trong phân rã a và b, hạt nhân con có thể ở trong trạng thái kích thích phóng ra tia g để trở về trạng thái cơ bản. - Định luật phóng xạ : Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm mũ với số mũ âm. Các công thức biểu thị định luật phóng xạ: N(t) = N0 = N0 e-lt và m(t) = m0 = m0 e-lt. Với l = gọi là hằng số phóng xạ; T gọi là chu kì bán rã: sau khoảng thời gian T số lượng hạt nhân chất phóng xạ còn lại 50% (50% số lượng hạt nhân bị phân rã). - Độ phóng xạ Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của nó, được xác định bởi số hạt nhân bị phân rã trong 1 giây: H = - = lN = l N0= lN0e-lt = H0= H0e-lt . Đơn vị đo độ phóng xạ là becơren (Bq): 1 Bq = 1 phân rã/giây. Trong thực tế còn dùng