Bài giảng Điện học (Phần 13)

2.7 Sự nhiệt hạch Như chúng ta đã thấy, hạt nhân nặng có xu hướng tách ra vì mỗi proton bị từng proton khác trong hạt nhân đẩy, nhưng chỉ bị hút bởi những lân cận gần nhất của nó.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 13) Bài giảng Điện học (Phần 13) 2.7 Sự nhiệt hạch Như chúng ta đã thấy, hạt nhân nặng có xu hướng tách ra vì mỗi proton bị từng proton khác trong hạt nhân đẩy, nhưng chỉ bị hút bởi những lân cận gần nhất của nó. Hạt nhân vỡ thành hai mảnh, và ngay khi hai mảnh đó cách nhau hơn 1 fm, lực hạt nhân mạnh không còn làm cho hai mảnh hút nhau nữa. Lực đẩy điện khi đó gia tốc chúng, làm cho chúng thu được một lượng lớn động năng. Sự giải phóng động năng này là cái cung cấp năng lượng cho lò phản ứng hạt nhân và bom phân hạch. Khi đó dường như hạt nhân nhẹ nhất là bền nhất, nhưng không phải nh ư vậy. Hãy so sánh một hạt nhân cực nhẹ như 4He với một hạt nhân nào đó nặng hơn như 16 O. Một neutron hay proton trong4He có thể bị ba hạt kia hút, nhưng trong 16O, có thể có 5 hay 6 láng giềng hút nó. Do đó hạt nhân16O bền hơn. Hóa ra những hạt nhân bền nhất đều là những hạt nhân xung quanh nickel và sắt, có khoảng 30 proton và 30 neutron. Giống như một hạt nhân quá nặng để bền vững có thể giải phóng năng lượng bằng cách tách thành hai mảnh gần với kích thước bền nhất, hạt nhân nhẹ có thể giải phóng năng lượng nếu như bạn gắn chúng lại với nhau tạo ra hạt nhân lớn hơn gần với kích thước bền nhất. Hợp nhất một hạt nhân với hạt nhân khác gọi là sự nhiệt hạch hạt nhân. Nhiệt hạch hạt nhân là cái mang lại năng lượng cho Mặt Trời và những ngôi sao khác. 2.8 Năng lượng hạt nhân và năng lượng liên kết Theo cách tương tự như phản ứng hóa học có thể phân loại là tỏa nhiệt (giải phóng năng lượng)eHeHH hay thu nhiệt (yêu cầu năng lượng để phản ứng), các phản ứng hạt nhân có thể giải phóng hoặc sử dụng hết năng lượng. Năng lượng có trong phản ứng hạt nhân lớn hơn rất nhiều lần. Phải đốt hàng ngàn tấn than đá mới tạo ra được năng lượng lớn như năng lượng do một kg nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân tạo ra. Mặc dù các phản ứng hạt nhân tiêu hao năng lượng (phản ứng thu năng lượng) có thể khởi tạo trong máy gia tốc, trong đó một hạt nhân được cho đâm vào một hạt nhân khác ở tốc độ cao, nhưng chúng không xảy ra trong tự nhiên, không xảy ra cả trong Mặt Trời. Đơn giản là vì lượng động năng cần thiết không sẵn có. Để tìm lượng năng lượng tiêu hao hoặc giải phóng trong một phản ứng hạt nhân, bạn cần phải biết bao nhiêu năng lượng tương tác hạt nhân, Uhn, được dự trữ hoặc giải phóng. Các nhà thực nghiệm đã xác định được lượng năng lượng hạt nhân dự trữ trong hạt nhân của mỗi nguyên tố bền, cũng như nhiều nguyên tố không bền. Đây là lượng công cơ học cần thiết để tách hạt nhân ra thành từng neutron và proton của nó, và ngày nay gọi là năng lượng liên kết hạt nhân. Ví dụ 3. Phản ứng xảy ra trong Mặt Trời Mặt Trời sản sinh năng lượng của nó qua một chuỗi phản ứng nhiệt hạch hạt nhân. Một trong các phản ứng đó là 1 H + 2H → 3He + γ Năng lượng thừa hầu như đều được mang bởi tia gamma (chứ không phải bởi động năng của nguyên tử 3He). Năng lượng liên kết tính bằng đơn vị pJ (pico joule) là 1 H 0 pJ 2 H 0,35593 pJ 3 He 1,23489 pJ Năng lượng hạt nhân toàn phần ban đầu là 0 pJ + 0,35593 pJ, và năng lượng hạt nhân cuối cùng là 1,23489 pJ, nên theo sự bảo toàn năng lượng, tia gamma phải mang khỏi năng lượng 0,87896 pJ. Tia gamma khi đó bị Mặt Trời hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt. ♥ Tại sao năng lượng liên kết của 1H chính xác bằng không ? Sự chuyển hóa khối lượng thành năng lượng và năng lượng thành khối lượng Nếu bạn cộng khối lượng của ba hạt sinh ra trong phản ứng n → p + e- + ν~, bạn sẽ thấy chúng không bằng với khối lượng của neutron, nên khối lượng không được bảo toàn. Một ví dụ còn hiển nhiên hơn nữa là sự hủy của một electron với một positron, e - + e + → 2γ, trong đó khối lượng ban đầu bị triệt tiêu hoàn toàn, vì tia gamma không có khối lượng. Sự không bảo toàn khối lượng không chỉ là một tính chất của phản ứng hạt nhân. Nó cũng xảy ra trong các phản ứng hóa học, nhưng sự thay đổi khối lượng quá nhỏ để phát hiện với những chiếc cân thông thường trong phòng thí nghiệm. Lí do khối lượng không bảo toàn là khối lượng đã chuyển hóa thành năng lượng, theo phương trình nổi tiếng của Einstein, E = mc2, trong đó c là tốc độ ánh sáng. Trong phản ứng e - + e + → 2γ, chẳng hạn, tưởng tượng cho đơn giản là electron và positron đang chuyển động rất chậm khi chúng va chạm, nên chúng không có năng lượng khởi đầu nào đáng kể. Chúng ta đang bắt đầu với khối lượng và không có năng lượng, và kết thúc với hai tia gamma có năng lượng nhưng không có khối lượng. Phương trình E = mc2 của Einstein cho chúng ta biết hệ số chuyển đổi giữa khối lượng và năng lượng bằng với bình phương của tốc độ ánh sáng. Vì c là một số rất lớn, nên năng lượng tiêu hao hoặc giải phóng bởi một phản ứng hóa học chỉ lộ ra phần thay đổi nhỏ xí ...