Lực hạt nhân còn được gọi là?

1. Lực hạt nhân còn được gọi là?

– Câu hỏi: Lực hạt nhân còn được gọi là?

A. Lực hấp dẫn

B. Lực tương tác mạnh

C. Lực tích điện

D. Lực tương tác điện từ

– Đáp án: B. Lực tương tác mạnh.

– Giải thích: Lực hạt nhân còn được gọi là lực tương tác mạnh là lực tương tác giữa hai hay nhiều nucleon (proton và nơ tron) trong hạt nhân nguyên tử.

2. Lực hạt nhân là gì?

Lực hạt nhân (còn được gọi là tương tác hạt nhân hoặc lực mạnh) là lực tác dụng giữa hai hoặc nhiều nucleon. Chúng liên kết các proton và neutron (“nucleon”) thành hạt nhân nguyên tử. Lực hạt nhân mạnh hơn khoảng 10 triệu lần so với liên kết hóa học giữ các nguyên tử lại với nhau trong phân tử. Đây là lý do tại sao các lò phản ứng hạt nhân tạo ra năng lượng trên mỗi kg nhiên liệu cao hơn khoảng một triệu lần so với nhiên liệu hóa học như dầu hoặc than. Tuy nhiên, phạm vi của lực hạt nhân ngắn, chỉ vài femtometer (1 fm = 10−15 m), vượt quá phạm vi đó thì lại giảm nhanh chóng. Đó là lý do tại sao, mặc dù có sức mạnh to lớn, nhưng chúng ta không cảm nhận được bất cứ điều gì về lực này ở cấp độ nguyên tử hay trong cuộc sống hàng ngày.

Sự phát triển của một lý thuyết đúng đắn về lực hạt nhân đã chiếm lĩnh tâm trí của một số nhà vật lý sáng giá nhất trong bảy thập kỷ và là một trong những chủ đề nghiên cứu vật lý chính trong thế kỷ 20. Ý tưởng ban đầu là lực được gây ra bởi sự trao đổi của các hạt nhẹ hơn nucleon được gọi là meson, và ý tưởng này đã dẫn đến sự ra đời của một lĩnh vực con mới của vật lý hiện đại, cụ thể là vật lý hạt (cơ bản). Nhận thức hiện đại về lực hạt nhân cho rằng nó là tương tác dư (tương tự như lực van der Waals giữa các nguyên tử trung tính) của lực thậm chí còn mạnh hơn giữa các quark, lực này được tạo trung gian bởi sự trao đổi gluon và giữ các quark lại với nhau bên trong một nucleon.

3. Tính chất của lực hạt nhân:

Một số tính chất của tương tác hạt nhân có thể được suy ra từ tính chất của hạt nhân. Hạt nhân biểu hiện một hiện tượng gọi là bão hòa: thể tích hạt nhân tăng tỷ lệ thuận với số lượng nucleon. Tính chất này cho thấy rằng lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn (vài fm) và có lực hút mạnh, điều này giải thích cho sự liên kết hạt nhân. Nhưng lực hạt nhân cũng có sự phụ thuộc vào spin rất phức tạp. Bằng chứng về tính chất này lần đầu tiên đến từ việc quan sát rằng deuteron (trạng thái liên kết proton-neutron, hạt nhân nguyên tử nhỏ nhất) hơi lệch khỏi dạng hình cầu: nó có mô men tứ cực không biến mất. Điều này gợi ý một lực phụ thuộc vào hướng của spin của các nucleon đối với vectơ nối hai nucleon (lực tensor). Trong các hạt nhân nặng hơn, người ta đã quan sát thấy một cấu trúc vỏ mà theo đề xuất của M. G. Mayer và J. H. D. Jensen, có thể được giải thích bằng một lực mạnh giữa spin của nucleon và chuyển động quỹ đạo của nó (lực quỹ đạo quay). Bằng chứng rõ ràng hơn về sự phụ thuộc spin được rút ra từ các thí nghiệm tán xạ trong đó một nucleon bị phân tán ra khỏi một nucleon khác, với các hướng spin khác nhau. Trong những thí nghiệm như vậy, sự tồn tại của quỹ đạo quay hạt nhân và lực tensor đã được xác lập rõ ràng. Các thí nghiệm tán xạ ở năng lượng cao hơn (hơn 200 MeV) cung cấp bằng chứng cho thấy tương tác nucleon-nucleon chuyển sang lực đẩy ở khoảng cách giữa các nucleon ngắn (nhỏ hơn 0,5 fm, lõi cứng).

Ngoài lực giữa hai nucleon (2NF), còn có lực ba nucleon (3NF), lực bốn nucleon (4NF), v.v. Tuy nhiên, 2NF mạnh hơn nhiều so với 3NF, do đó mạnh hơn nhiều so với 4NF, v.v. Trong các tính toán chính xác về tính chất của hạt nhân nhẹ dựa trên các lực hạt nhân “cơ bản”, người ta đã chứng minh rằng 3NF rất quan trọng. Đóng góp của chúng tuy nhỏ nhưng rất quan trọng.

Lực hạt nhân gần như không phụ thuộc vào điện tích, nghĩa là lực giữa hai proton, hai neutron, giữa proton và neutron gần như bằng nhau (trong cùng trạng thái cơ học lượng tử) khi bỏ qua lực điện từ.

3. Bài tập vận dụng về lực hạt nhân:

Bài 1: Cho biết công thức tính năng lượng giải phóng khi một nguyên tử phân hạch hoặc hợp nhất. Giả sử rằng khối lượng của các hạt nhân ban đầu và sau phản ứng là chính xác bằng tổng khối lượng của các nguyên tử tương ứng.

Lời giải: Công thức tính năng lượng giải phóng là:

E = Δmc^2

Trong đó:

– E là năng lượng giải phóng, đơn vị là joule (J).

– Δm là khối lượng biến mất, đơn vị là kilogram (kg).

– c là vận tốc ánh sáng trong chân không, bằng 3×10^8 m/s.

Khối lượng biến mất Δm được tính bằng hiệu khối lượng của các hạt nhân ban đầu và sau phản ứng. Nếu Δm > 0, nghĩa là có khối lượng biến mất, thì năng lượng được giải phóng. Nếu Δm < 0, nghĩa là có khối lượng tăng thêm, thì năng lượng được tiêu thụ.

Bài 2: Tính năng lượng giải phóng khi một nguyên tử urani-235 (^235U) phân hạch thành một nguyên tử kripton-92 (^92Kr) và một nguyên tử bari-141 (^141Ba), cùng với ba hạt nơtron. Biết rằng khối lượng của các nguyên tử được cho như sau:

– ^235U: 235,043924 u

– ^92Kr: 91,926269 u

– ^141Ba: 140,914403 u

– Hạt nơtron: 1,008665 u

Trong đó u là đơn vị khối lượng nguyên tử, bằng 1,66054×10^-27 kg.

Lời giải: Phương trình phản ứng phân hạch của ^235U là:

^235U -> ^92Kr + ^141Ba + 3n

Trong đó n là ký hiệu của hạt nơtron.

Khối lượng biến mất trong phản ứng là:

Δm = m(^235U) – m(^92Kr) – m(^141Ba) – 3m(n)

Δm = (235,043924 – 91,926269 – 140,914403 – 3×1,008665) u

Δm = 0,186922 u

Đổi u sang kg, ta được:

Δm = 0,186922×1,66054×10^-27 kg

Δm = 3,104×10^-28 kg

Theo công thức tính năng lượng giải phóng, ta có:

E = Δmc^2

E = 3,104×10^-28x(3×10^8)^2 J

E = 2,793×10^-11 J

Đây là năng lượng giải phóng của một nguyên tử ^235U. Nếu có N nguyên tử ^235U phân hạch, thì năng lượng giải phóng sẽ là:

E = N x 2,793×10^-11 J

Bài 3: Tính bán kính hạt nhân của nguyên tử hidro-1, hidro-2 và hidro-3 biết rằng bán kính hạt nhân được xác định theo công thức R = R0.A^(1/3), trong đó R0 = 1.2 fm, A là số khối của nguyên tử.

Lời giải:

– Hidro-1 có A = 1, do đó R = R0.A^(1/3) = 1.2 fm

– Hidro-2 có A = 2, do đó R = R0.A^(1/3) = 1.44 fm

– Hidro-3 có A = 3, do đó R = R0.A^(1/3) = 1.61 fm

Bài 4: Tính năng lượng liên kết mỗi nơtron trong nguyên tử urani-235 biết rằng khối lượng của nguyên tử này là 235.043924 u, khối lượng của proton là 1.007276 u và khối lượng của nơtron là 1.008665 u.

Lời giải:

– Số proton trong nguyên tử urani-235 là Z = 92

– Số nơtron trong nguyên tử urani-235 là N = A – Z = 235 – 92 = 143

– Khối lượng của các proton và nơtron riêng rẽ là M = Z.m_p + N.m_n = 92 x 1.007276 + 143 x 1.008665 = 237.051419 u

– Năng lượng liên kết của nguyên tử urani-235 là E = (M – m).931.5 MeV, trong đó m là khối lượng của nguyên tử, M là khối lượng của các proton và nơtron riêng rẽ, 931.5 MeV là hằng số chuyển đổi đơn vị.

– E = (237.051419 – 235.043924).931.5 MeV = 1866.77 MeV

– Năng lượng liên kết mỗi nơtron là E/N = 1866.77/143 MeV = 13.06 MeV

Bài 5: Viết phương trình phản ứng hạt nhân cho các trường hợp sau:

a) Phản ứng nhiệt hạch của hai nguyên tử hidro

b) Phản ứng phân hạch của nguyên tử urani-235

c) Phản ứng nhiệt hạch của hai nguyên tử heli-3

Lời giải:

a) Phương trình phản ứng nhiệt hạch của hai nguyên tử hidro là:

1H + 1H -> 2He + e+ + v + Q

Trong đó, e+ là positron, v là neutrino, Q là năng lượng giải phóng.

b) Phương trình phản ứng phân hạch của nguyên tử urani-235 là:

235U + n -> 141Ba + 92Kr + 3n + Q

Trong đó, n là neutron, Q là năng lượng giải phóng.

c) Phương trình phản ứng nhiệt hạch của hai nguyên tử heli-3 là:

3He + 3He -> 4He + 2p + Q

Trong đó, p là proton, Q là năng lượng giải phóng.

Bài 6: Tính năng lượng giải phóng trong một phản ứng hạt nhân biết rằng khối lượng của các chất tham gia và sản phẩm được cho như sau

Hidro-2: 3.3436 x 10^-27

Hidro-3: 5.0083 x 10^-27

Heli-4: 6.6465 x 10^-27

Lời giải:

Giả sử phản ứng hạt nhân xảy ra như sau:

2H + 3H -> 4He + n

Ta có khối lượng của neutron là:

mn = (m2H + m3H – m4He) / c^2

Trong đó, c là vận tốc ánh sáng trong chân không.

Suy ra: mn = (3.3436 x 10^-27 + 5.0083 x 10^-27 – 6.6465 x 10^-27) / (3 x 10^8)^2

       = 1.6749 x 10^-27 kg

Năng lượng giải phóng trong phản ứng hạt nhân là:

Q = (m2H + m3H – m4He – mn) c^2

Suy ra: Q = (3.3436 x 10^-27 + 5.0083 x 10^-27 – 6.6465 x 10^-27 – 1.6749 x 10^-27) (3 x 10^8)^2

       = 1.7647 x 10^-12 J