Bài tập Vật lý nguyên tử và hạt nhân - Trần Quốc Hà

Nội dung text: Bài tập Vật lý nguyên tử và hạt nhân - Trần Quốc Hà

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Bài tập VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN ThS. Trần Quốc Hà – Tạ Hưng Quý Tài liệu lưu hành nội bộ * 2000 * 1 2
2. MỤC LỤC Mục lục 2 Lời nói đầu 3 Phần I : Vật lý nguyên tử 4 Chương I : Tính chất lượng tử của bức xạ điện từ 4 Chương II: Các mẩu nguyên tử cổ điển 8 Chương III: Những cơ sở của thuyết lượng tử 14 Chương IV: Cấu trúc nguyên tử theo cơ học lượng tử 22 Phần II : Vật lý hạt nhân 27 Chương I : Hạt nhân nguyên tử và đặc tính của nó 27 Chương II: Phân rã phóng xạ 31 Chương III: Tương tác hạt nhân – Năng lượng hạt nhân. 37 Đáp số và hướng dẫn 59 Phần II: Vật lý nguyên tử 59 Chương I: Tính chât lượng tử của bức xạ điện tử 59 Chương II: Các mẫu nguyên tử cổ điển 63 Chương III: Những cơ sở của thuyết lượng tử 68 Chương IV: Cấu trúc nguyên tử theo cơ học lượng tử 77 Phần II: Vật lý hạt nhân 81 Chương I: Hạt nhân nguyên tử và đặc tính của nó 81 Chương II: Phân rã phóng xạ 83 Chương III: Tương tác hạt nhân – Năng lượng hạt nhân 85 Phụ lục 87 Tài liệu tham khảo 93 3 4
3. LỜI NÓI ĐẦU Để phục vụ cho việc giảng dạy ngày càng đòi hỏi nâng cao chất lượng, cùng với việc soạn thảo giáo trình vật lý nguyên tử và hạt nhân, cuốn bài tập này ra đời là rất cần thiết. Cuốn bài tập vật lý nguyên tử và hạt nhân này được soạn thảo theo sát chương trình lý thuyết. Nó gồm 2 phần: Phần Vật lý nguyên tử và phần vật lý hạt nhân. Mỗi phần gồm từ 3 đến 4 chương. Trong các chương có tóm tắt lý thuyết, giải bài tập mẫu và nhiều bài tập tự giải. Cuối sách là phần đáp án, trong đó có đáp số hoặc hướng dẫn cho các bài khó. Các bài tập tự giải được biên soạn từ nhiều nguồn sách, có sàng lọc, đối chiếu, kiểm tra lại kỹ lưỡng. Bài tập đa dạng và vừa sức, thích hợp với sinh viên Đại học Sư phạm và còn có thể làm tài liệu tham khảo cho các giáo viên phổ thông. Ngoài ra còn có các bảng phụ lục tra cứu, trong đó trình bày ở cả hai hệ đơn vị là SI và CGS, thuận tiện cho việc đa dạng hoá các bài tập. Hơn nữa còn có các bảng phụ lục công thức toán học cần thiết giúp sinh viên thuận tiện trong khi giải bài tập. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng việc biên soạn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Các tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp để cuốn sách ngày càng hoàn thiện. Chúng tôi xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ chúng tôi trong việc soạn thảo. Cám ơn ban chủ nhiệm khoa Lý đã tạo điều kiện cho cuốn sách được in ấn. Đặc biệt cám ơn Ban Ấn bản phát hành trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã góp nhiều công sức giúp cuốn sách được ra đời. Tháng 10 năm 2002 Các tác giả 5 6
4. PHẦN I : VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Chương I: TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ ( Tóm tắt nội dung lý thuyết: I- Photon. 1. Mỗi photon mang năng lượngĠ chỉ phụ thuộc vào tần sốĠ (hay bước sóng () của bức xạ điện từ được xác định : hC ε=h ν= λ Trong đó : h = 6,626.10-34 JS là hằng số Plauck C = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng. 2. Khối lượng của photon được xác định: ε hν m = = CC22 II. Hiện tượng quang điện. 1. Giới hạn quang điện (hay giới hạn đỏ) hC λ= o A Trong đó A là công thoát của Electron khỏi kim loại 2. Phương trình Einstein mV2 hAν= + 2 Trong đó m là khối lượng của Electron và V là vận tố cực đại của Electron thoát ra từ bề mặt kim loại. III- Hiện tượng tán xạ Compton. Độ dịch Compton là hiệu số giữa bước sóng tán xạ và bước sóng tới của bức xạ điện từ được xác định: θ ∆λ=λ'(1cos)2sin −λ=λ − θ = λ 2 cc2 Trong đó:Ġ là bước sóng Compton. ( là góc tán xạ và m là khối lượng Electron. * Bài tập hướng dẫn: 1. Ánh sáng đơn sắc với bước sóng 3000Ao chiếu vuông góc vào một diện tích 4cm2. Nếu cường độ ánh sáng bằng 15.10-2(W/m2), hãy xác định số photon đập lên diện tích ấy trong một đơn vị thời gian. Giải: Năng lượng của photon ứng với bước sóng 3000Ao: hC 6,626.10−34 .3.10 8 ε= = =6,626.10−19 J λ 3.10−7 Năng lượng toàn phần của ánh sáng chiếu vào bề mặt diện tích 4cm2 E = I.S = 15.10-2.4.10-4 = 6.10-5W = 6.10-5J/S Số photon trong một đơn vị thời gian là: E6.10−5 N = ==9,055.1013 photon / S ε 6,626.10−19 7 8
5. 2. Chiếu ánh sáng đơn sắc vào bề mặt của kim loại Natri, công thoát của Natri bằng 2,11(ev). Xác định vận tốc cực đại của Electron nếu bước sóng của ánh sáng tới là tím bằng 2,50.10-7m và tia đỏ bằng 6,44.10-7m. Giải: Năng lượng photon ứng với ánh sáng tím: hC 6,626.10−34 .3.10 8 ε=h4,96ev ν= = = λ 2,50.10−−719 .1,6.10 Theo công thức Einstein: mV2 hAν= + 2 Suy ra vận tốc cực đại của Electron: 2(hν− A) 2(4,96 − 2,11) V== .1,6.10−19 = 10 6 m / s m 9,11.10−31 Năng lượng ứng với bước sóng đỏ: hC 6,626.10−34 .3.10 8 ε= = =1,929(ev) λ 6,44.10−−719 .1,6.10 Trong trường hợp ánh sáng đỏ năng lượng photon nhỏ hơn công thoát của Natri nên không thể làm bật Electron ra khỏi kim loại. Vì vậy có thể xem vận tốc cực đại của quang Electron bằng không. 3. Tia X có bước sóng 0,30Ao tán xạ dưới góc 60o do hiệu ứng tán xạ Compton. Tìm bước sóng tán xạ của photon và động năng của Electron. Giải : h λ=λ+' (1 − cos θ= ) 0,30 + 0,0243(1 − cos60oo ) = 0,312A mc Theo định luật bảo toàn năng lượng: hc hC +=++mC22 mC D λλoo' hC hC 1 1 D=−= hC( −= ) 1,59.103 (ev) λλ'' λλ trong đó moC2 – là năng lượng nghỉ của Electron và D là động năng của Electron. * Bài tập tự giải: 1.1. Tìm vận tốc cực đại của quang Electron rút ra khỏi bề mặt kim loại Cs nếu nó được rọi bằng ánh sáng có bước sóng 0,50(m, công thoát của Xedi (Cs) bằng 1(ev). 1.2. Người ta chiếu tia tử ngoại với bước sóng 3000Ao vào kim loại bạc. Hiệu ứng quang điện có thể xảy ra được không? Cho biết công thoát của bạc bằng 4,70(ev). 1.3. Vonfram có giới hạn đỏ bằng 2750Ao. Hãy tính: 1) Công thoát của Electron từ Vonfram. 2) Vận tốc và động năng cực đại của Electron bứt ra từ bề mặt Vonfram dưới tác dụng của ánh sáng với bước sóng 1800Ao. 1.4. Tìm bước sóng và tần số của một photon có năng lượng 1,00Kev. 1.5. Tìm xung lượng của một photon với năng lượng 12Mev 1.6. Tính tần số của một photon sinh ra khi một Electron có năng lượng 20Kev bị dừng lại do va chạm với một hạt nhân nặng. 9 10
6. 1.7. Tìm bước sóng cực đại của một photon làm vỡ phân tử có năng lượng liên kết bằng 15(ev). 1.8. Tính năng lượng của một photon mà xung lượng của nó bằng xung lượng của một Electron có năng lượng bằng 0,3Mev. 1.9. Một đài phát thanh công suất 200KW hoạt động ở tần số 103,7MHz. Xác định số photon (số lượng tử) phát ra trong một đơn vị thời gian. 1.10. Khi chiếu ánh sáng với bước sóng (1 = 5461Ao vào bề mặt kim loại người ta đo được hiệu điện thế hãm là : U1 =0,18V. Nếu chiếu ánh sáng với bước sóng (2 = 1849 Ao thì đo được hiệu điện thế là: U2 = 4,63V. Cho biết điện tích của Electron là e=1,6.10-19C. Hãy xác định hằng số planck, công thoát và tần số giới hạn đỏ. 1.11. Tia X đơn sắc có bước sóng 0,708Ao bị tán xạ trên nguyên tử cacbon. Hãy tính: 1) Bước sóng tán xạ của tia X dưới góc 90o. 2) Động năng cực đại của Electron thoát ra khỏi nguyên tử trong hiệu ứng tán xạ Conpton. 1.12. Tia X với bước sóng 2,2.10-11m tán xạ trên nguyên tử Cacbon dưới góc tán xạ bằng 85o. a) Tính độ dịch compton. b) Tính hiệu suất năng lượng ban đầu của tia X bị tổn hao? 1.13. Photon với bước sóng 2,4.10-12m đập vào một bia chứa Electron tự do. a) Tìm bước sóng của photon bị tán xạ dưới góc 30o. b) Tìm bước sóng của photon bị tán xã dưới góc 120o. 1.14. Photon tia X với bước sóng 0,10.10-9m đập trực diện vào một Electron (ứng với góc tán xạ 180o). a) Hãy xác định sự thay đổi bước sóng của photon. b) Hãy xác định sự thay đổi năng lượng của Electron. c) Tính động năng truyền cho Electron. 1.15. Tính ra phần trăm sự thay đổi năng lượng của photon trong hiệu ứng tán xạ Compton dưới góc 90o đối với các loại bước sóng: a) Sóng Viba 3cm. b) Sóng ánh sáng nhìn thấy 5.10-7m. c) Sóng tia X: 2,5.10-8m. d) Sóng tia Gamma ứng với năng lượng 1Mev. Bạn có kết luận gì về mức độ quan trọng của hiệu ứng Compton. 1.16. Các vệ tinh nhân tạo và tàu vũ trụ bay trên quĩ đạo quanh trái đất có thể trở thành tích điện, một phần do mất Electron gây bởi hiệu ứng quang điện dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời lên mặt ngoài của vỏ tàu. Giả sử vệ tinh được phủ một lớp platin (Bạch kim), kim loại này có công thoát lớn nhất bằng 5,32Kev. Hãy xác định bước sóng của photon có khả năng làm bật các quang Electron ra khỏi bề mặt Platin (các vệ tinh phải được chế tạo sao cho sự tích điện nói trên là nhỏ nhất). 1.17. Tìm động năng cực đại của quang Electron nếu cho biết công thoát của kim loại là 2,3ev và tần số bức xạ chiếu vào kim loại là 3.1015Hz. 1.18. Công thoát của Tungsten là 4,50ev. Hãy xác định vận tốc của quang Electron nhanh nhât khi chiếu ánh sáng với năng lượng 5,8ev vào Tungsten. 1.19. Nếu công thoát của kim loại là 1,8ev thì thế hãm đối với ánh sáng chiếu vào kim loại ấy với bước sóng 4.10-7m sẽ bằng bao nhiêu? Hãy tính vận tốc cực đại của quang Electron bắn ra từ bề mặt kim loại. 1.20. Thế hãm đối với quang Electron của một kim loại khi được rọi ánh sáng có bước sóng 4,91.10-7m là 0,71V. Khi bước sóng chiếu sáng thay đổi, thế hãm tương ứng là 1,43V. Hãy tính: a) Bước sóng mới tác dụng sau. b) Công thoát của quang Electron. 11 12
7. 1.21. Dùng định luật bảo toàn động lượng và năng lượng để chứng tỏ rằng Electron tự do không thể hấp thụ hoặc bức xạ photon. 1.22. Xác định độ dịch Compton và góc tán xạ đối với photon được rọi vào kim loại có bước sóng 0,03Ao và vận tốc Electron bật ra khỏi kim loại bằng 0,6 vận tốc ánh sáng. 1.23. Xác định bước sóng tia X, biết rằng trong hiệu ứng Compton động năng cực đại của Electron bay ra là 0,19Mev. 1.24. Giả sử một photon năng lượng 250Kev va chạm vào một Electron đứng yên theo kiểu tán xạ compton dưới góc 120o. Hãy xác định năng lượng của photon tán xạ. 1.25. Photon với bước sóng 0,05Ao tán xạ trên Electron trong hiệu ứng tán xạ compton, dưới góc 90o. Hãy tính xung lượng của Electron. 1.26. Một photon tia X năng lượng 0,3Mev va chạm trực diện với một Electron lúc đầu đứng yên. Tính vận tốc giật lùi của Electron bằng cách áp dụng các nguyên lý bảo toàn năng lượng và xung lượng. 1.27. Trong một thí nghiệm về hiệu ứng tán xạ compton, một Electron đã thu được năng lượng 0,1Mev do một tia X năng lượng 0,5Mev chiếu vào. Tính bước sóng của photon tán xạ biết rằng lúc đầu Electron ở trạng thái nghỉ. 1.28. Trong tán xạ compton một photon tới đã truyền cho Electron bia một năng lượng cực đại bằng 45Kev. Tìm bước sóng của photon đó. 1.29. Trong thí nghiệm hiệu ứng tán xạ compton người ta dùng tia X với năng lượng 0,5Mev truyền cho Electron năng lượng 0,1Mev. Tìm góc tán xạ. 1.30. Thiết lập phương trình hiệu ứng tán xạ compton: h ∆λ =λ'(1cos) − λ = − θ MCo 13 14
8. Chương II: CÁC MẪU NGUYÊN TỬ CỔ ĐIỂN Tóm tắt nội dung lý thuyết: I- Lý thuyết Rơdepho (Rutherford) 1) Mối liên hệ giữa góc tán xạ và khoảng nhằm của hạt (. θ mV2 Cotg= .b (Duøng trong heä CGS) 22Ze2 ( - là góc tán xạ hạt ( và b là khoảng nhằm của hạt (. 2) Xác suất tán xạ của chùm hạt ( lên các hạt nhân trong lá kim loại dát mỏng: 2 dnα ⎛⎞ kze dΩ dW== N.d⎜⎟2 . nmV4 θ α ⎝⎠Sin 2 dn( - Số hạt ( bị tán xạ trong chùm hạt ( tiến đến lá kim loại n(. N là mật độ hạt nhân gây tán xạ (số hạt nhân trong một đơn vị thể tích) d- bề dày của lá kim loại. d( = 2(Sin(d( - là góc khối bao quanh số hạt ( bị tán xạ. Hệ số tỷ lệ K tùy thuộc vào hệ đơn vị sử dụng (K = 1 trong hệ CGS và K = 9.109N.m2/C2 trong hệ SI). II- Lý thuyết N.Bohr. 1. Bán kính quĩ đạo của Electron trên quĩ đạo thứ n ĉ với n = 1, 2, 3, 4 Đối với nguyên tử Hydro chọn z = 1 và các ion tương tự Hydro chọn z > 1. ĉ là hằng số Plank chia cho 2(. 2. Năng lượng của Electron trên quĩ đạo thứ n. ĉ với n = 1, 2, 3, 4 Hằng số plank : h = 6,626.10-34JS và C = 3.108m/s Hằng số Ritbéc : R =Ġ 3. Công thức Banme tổng quát ĉ với m > n ν laø soá böôùc soùng treân moät ñôn vò ñoä daøi. Đối với nguyên tử Hydro z = 1 có các dãy quang phổ sau: ( Dãy Lyman (trong vùng tử ngoại) ứng với n =1 và m = 2, 3, 4 ( Dãy Banme (trong vùng khả kiến) ứng với n = 2 và m = 3, 4, 5 ( Dãy Pasen (trong vùng hồng ngoại) ứng với n = 3 và m = 4, 5, 6 ( Dãy Brakét (vùng hồng ngoại) ứng với n = 4 và m = 5, 6, 7 ( Dãy Phundo (vùng hồng ngoại) ứng với n = 5 và m = 6, 7, 8 *Bài tập hướng dẫn: 1. Sau khi xuyên qua lá vàng mỏng, hạt ( với năng lượng 4Mev bị tán xạ dưới góc 60o. Hãy xác định khoảng nhằm b của hạt ( khi bay tới lá vàng. Giải: Từ biểu thứcĠ ze2 θ Suy ra b ==cot g 4,72.10−12 cm D2 Thay trị số: Vàng ứng với z = 79; động năng hạt ( : D = 4Mev = 4.106ev; điện tích e = 4,8.10-10CGSE và 10−2 1v = CGSE ñieän theá. 3 15 16
9. −2 −−10⎛⎞10 12 1ev== 4,8.10⎜⎟ 1,60.10 ec trong heä CGS) ⎝⎠3 Cotg 30o = 1,6643 Kết quả : b = 4,72.10-1cm 2. Tìm khoảng cách ngắn nhất mà một hạt ( có năng lượng 5Mev có thể tiến đến gần một hạt nhân bạc (z = 47) Giải: Khoảng các ngắn nhất mà ta Ag phải xác định ở đây ứng với trường hợp va chạm trực α diện giữa hạt ( và hạt nhân bạc (khoảng nhằm b = 0) +2e +47e d Hạt ( bay về phía hạt nhân bạc càng gần thì sẽ chịu lực đẩy tĩnh điện càng mạnh đến một khoảng nhất định nào đó khi cân bằng động năng tiến tới của hạt ( và năng lượng đẩy từ phía hạt nhân bạc thì hạt ( dừng lại: Etiến = Eđẩy 2e.ze (2e)(47e) 5Mev== K K dd 94e29 9.10 .94.(1,6.10− 192 ) Suy ra d== K = 2,70.10−14 m 5Mev 5.10619 .1,6.10− 3. Khi tiến hành thí nghiệm tán xạ hạt ( lên hạt nhân đồng, Rơdepho nhận thấy rằng, hạt ( với động năng 5Mev va chạm đàn hồi với hạt nhân đồng. Sau đó bị giật lùi ngược trở lại với động năng 3,9Mev. Hãy xác định tỷ lệ giữa khối lượng hạt nhân đồng và hạt (. Giải Hạt ( chính là hạt nhân Heli mang điện tích dương, hạt nhân đồng cũng mang điện tích dương. Khi chúng va chạm đàn hồi trực diện sẽ bị đẩy lẫn nhau. Dựa vào hai định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng (hay động năng) ta có: mV2'22 mV MV αα=+Cu (1) 22 2 ur ur' ur mVαα=+ mV MVCu (2) Trị số : mV( = ( mV’( + MVCu (3) m- khối lượng hạt (, M – khối lượng hạt nhân đồng. V( và V’( là các vận tốc của hạt ( trước và sau va chạm. VCu là vận tốc hạt nhân đồng sau khi va chạm (xem như ban đầu hạt nhân đồng ứng yên). Giải hệ phương trình (1) và (3) suy ra: ' Vα 3, 9 1− 1− m VV− ' V ===αα α 5 MVV+ ' V' 3, 9 αα1+ α 1+ Vα 5 Căn sốĠ Suy raĠ Kết quảĠ Kết quả này một cách gần đúng có thể xem như phù hợp với thực tế : Hạt nhân đồng (29Cu64) và hạt ( (2He4). 17 18
10. 4. Xác định tỷ số giữa các hằng số Ritbec đối với nguyên tử Hydro và Heli, cho biết khối lượng hạt nhân nguyên tử Hydro chính là proton bằng M=1,672.10-24g và hạt nhân Heli MHe=6,644.10-24g, trong khi đó khối lượng Electron chỉ bằng m= 9,10.10-28g (nghĩa là nhỏ hơn khối lượng hạt nhân đến mười ngàn lần). Giải Do khối lượng Electron nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nhiều lần nên trong lý thuyết N.Bohr đã xem như hạt như là đứng yên tuyệt đối. Do đó hằng số Ritbec bằng: Œ. Trong khi đó giá trị đo được bằng thực nghiệm RTN = 109677,6Cm-1, ở đây có sự chênh lệch là vì trong thực tế hạt nhân cũng chuyển động chứ không phải đứng yên tuyệt đối. Chính xác ra ta phải xem Electron và hạt nhân trong hệ liên kết cùng chuyển động quanh tâm quán tính. Do vậy trong hằng số Ritbec phải dùng đến khối lượng rút gọn của hệ gồm hai khối lượng của Electron và hạt nhận: m.M µ= mM+ Thế vào công thức : ⎛⎞m.M 4 44⎜⎟.e 22µemeM⎝⎠mM+ 2⎛⎞ RK.==33 K = K 3 .⎜⎟ 4cππhh 4c 4c π+ h⎝⎠ m M Hay chuyển sang dạng:Ġ So với khối lượng Electron thì có thể xem như khối lượng hạt nhân vô cùng lớn M ( ( vì vậy hằng số Ritbec R( là: ⎛⎞ me44⎜⎟ 1 me RK==22 K ∞ 33⎜⎟m 4cππhh⎜⎟1+ 4c ⎝⎠M M →∞ Chính xác ra thì hằng số Ritbec đối với nguyên tử Hydro là: ⎛⎞ ⎜⎟1 RR.He = ∞ ⎜⎟ ⎜⎟m ⎜⎟1+ ⎝⎠MHe Suy ra tỷ số : m (1+ ) R M H ==He 0.995 (xaáp xæ 100%) R m He (1+ ) M Nếu tính đến khối lượng rút gọn thì hằng số Ritbec theo lý thuyết N.Bohr và thực nghiệm hoàn toàn trùng hợp nhau và có thể xem hằng số Ritbec là không đổi cho mọi nguyên tử. 5. Cho biết bước sóng ứng với vạch thứ nhất trong dãy Lyman là (1 = 1215Ao và bước sóng ứng với vạch ranh giới của dãy Banme (( = 3650Ao. Hãy tính năng lượng ion hóa của nguyên tử Hydro. Giải Năng lượng ion hóa nguyên tử Hydro được hiểu như là năng lượng cần thiết để đưa Electron trong nguyên tử từ trạng thái cơ bản (n=1) ra xa vô cực (n( () để biến nguyên tử thành ion dương. Trị số năng lượng ấy bằng: ∆=EE∞∞ − E111 =ν+ν=ν+ν h h h( ∞ ) 19 20
11. vạch thứ nhất trong dãy Lyman ứng với: 111⎛⎞ C =−R ⎜⎟22 vôùi taàn soá ν1 = (1) λ1 ⎝⎠12 λ1 Vạch giới hạn trong dãy Banme: 111⎛⎞ C =−R ⎜⎟2 vôùi taàn soá ν=∞ (2) λ∞∞ ⎝⎠2 λ∞ Từ hai biểu thức (1) và (2) suy ra: 3 RC ν= RC vaø ν= 1 4 ∞ 4 Vậy :Ġ Thay trị số vào ta có:Ġ * Bài tập tự giải: 2.1. Một hạt ( với động năng D = 0,27Mev tán xạ trên một lá vàng dưới góc 60o. Hãy tìm giá trị của khoảng nhằm b. 2.2. Một proton với động năng D ứng với khoảng nhằm b bị tán xạ trong trường lực đẩy Culomb của một hạt nhân nguyên tử vàng đang đứng yên. Tìm xung lương (động lượng) truyền cho hạt nhân này do sự tán xạ gây ra. 2.3. Sau khi xuyên qua một lá vàng, một hạt ( với động năng D=4Mev bị tán xạ dưới góc bằng 60o. Hãy tính khoảng nhằm b. 2.4. Tìm khoảng cách ngắn nhất mà một proton có thể đến gần hạt nhân chì trong va chạm trực diện giữa chúng nếu vận tốc ban đầu của proton bằng 5.109cm/s. 2.5. Tìm khoảng cách ngắn nhất mà một hạt ( với động năng E(=0,4Mev có thể đến gần 1) Một hạt nhân chì trong va chạm trực diện. 2) Một hạt nhân Liti ban đầu đứng yên cũng trong va chạm trực diện. 2.6. Một chùm proton với vận tốc 6.106m/s đập vuông góc lên một lá kim loại bạc có bề dày 1(m. Tìm xác suất tán xạ của proton trong khoảng góc từ 89o đến 91o. 2.7. Rơdepho làm thí nghiệm cho một chùm hạt ( với động năng D=6Mev và cường độ I=104hạt/s đập thẳng vào một lá vàng có bề dày d=0,5.10-4cm. Hãy tính số hạt ( bị tán xạ trong khoảng góc từ 59o đến 60o ghi nhận được trong khoảng thời gian 5 phút. Cho biết khối lượng riêng của vàng (=19,4g/cm3, nguyên tử vàng với nguyên tử số z=79, nguyên tử lượng bằng A=197. 2.8. Một chùm hạt ( với động năng D = 0,5Mev và cường độ I=5.105+hạt/s đập vuông góc lên lá vàng. Tìm bề dày của lá vàng, nếu cách khu vực tán xạ một khoảng r = 15cm dưới góc tán xạ (=60o, mật độ dòng hạt ( là J = 40hạt/cm2.s 2.9. Một chùm hạt ( với động năng D=0,5Mev đập vuông góc lên một lá vàng có bề dày khối lượng riêng ( (ứng với mật độ hạt trên một đơn vị diện tích là (d = 1,5mg/cm2. Cường độ chùm hạt là Io=5.1015 hạt/s. Tìm số hạt ( bị tán xạ trên lá vàng trong khoảng thời gian t = 30phút trong khoảng góc: 1) góc tán xạ từ 59o đến 61o. 2) góc tán xạ trên 60o. 2.10. Các hạt ( từ một lá kim loại mỏng có nguyên tử số z1 khối lượng riêng (1 và nguyên tử lượng A1 dưới góc cố định ( nào đó. Sau đó thay bằng lá kim loại thứ hai (với z2, (2 và A2) có cùng diện tích và khối lượng. Tìm tỷ số của các hạt ( quan sát được dưới góc tán xạ ( đối với hai lá kim loại ấy. 2.11. Theo điện động lực học cổ điển, một Electron, chuyển động với gia tốc a sẽ mất năng lượng do bức xạ sóng điện từ với tốc độ biến thiên năng lượng theo qui luật: 21 22
12. dE 2e2 =− a 2 dt 3C3 trong đó e là diện tích Electron, c là vận tốc ánh sáng. Để đơn giản ta xem gia tốc của Electron luôn luôn trùng với gia tốc hướng tâm. Hãy tính thời gian để một Electron chuyển động theo quĩ đạo tròn trong nguyên tử Hydro với bán kính r = 0,5Ao sau đó sẽ rơi vào hạt nhân. 2.12. Hiệu các số sóng của hai vạch đầu tiên trong dãy Banme của quang phổ nguyên tử Hydro là 5,326.103cm-1. Hãy tính trị số của hằng số Ritbéc. 2.13. Đối với nguyên tử Hydro và ion Heli (He+), hãy tính: 1) Bán kính quĩ đạo N.Bohr thứ nhất và vận tốc của Electron trên quĩ đạo đó. 2) Động năng và năng lượng liên kết của Electron ở trạng thái cơ bản. 3) Thế ion hóa và bước sóng ứng với bước chuyển đầu tiên của Electron từ n = 2 về n=1. 2.14. Hãy tính: 1) Bước sóng của vạch phổ đầu tiên của ion Heli He+ tương ứng với vạch thứ nhất trong dãy Banme của phổ nguyên tử Hydro. 2) Thế ion hóa của Heli, cho biết khối lượng hạt nhân Heli MHe= 6,64.10-24g. 2.15. Tính hiệu số bước sóng của các vạch H( (là vạch đầu tiên của dãy Banme) đối với nguyên tử Hydro và Triti (một chất đồng vị của Hydro), biết rằng bước sóng của vạch H( của Hydro bằng 6563Ao và khối lượng hạt nhân Triti gấp 3 lần khối lượng hạt nhân Hydro. 2.16. Bằng thực nghiệm quan sát được các vạch thứ hai của dãy Banme đối với Hydro và Dơteri (một đồng vị của Hydro) có hiệu số bước sóng (( = 1,32Ao ứng với bước sóng 4861,3Ao. Từ các số liệu trên hãy tính tỷ số khối lượng của nguyên tử Hydro và Dơteri. 2.17. Xác định lực hút giữa hạt nhân và Electron nằm ở quĩ đạo Bohr thứ nhất của nguyên tử Hydro. So sánh lực này với lực hấp dẫn giữa một Electron và một proton ở cùng khoảng cách. 2.18. Khi kích thích nguyên tử Hydro bằng các dùng Electron với động năng D=12,5ev bắn vào nguyên tử thì những vạch quang phổ nào có thể xuất hiện và chúng thuộc những dãy quang phổ nào? 2.19. Hãy xác định thế năng, động năng và cơ năng của Electron trên quĩ đạo Bohr thứ nhất. 2.20. Xác định bước sóng lớn nhất và bước sóng nhỏ nhất thuộc dãy Pasen trong quang phổ nguyên tử Hydro. 2.21. Electron trong nguyên tử Hydro chuyển từ mức năng lượng thứ ba về mức năng lượng thứ nhất. Tính năng lượng photon phát ra. 2.22. Xác định giá trị năng lượng lớn nhất và nhỏ nhất của các photon phát ra trong dãy quang phổ Lyman của nguyên tử Hydro. 2.23. Nguyên tử Hydro ở trạng thái cơ bản (n=1) được kích thích bằng một ánh sáng đơn sắc có bước sóng ( xác định. Kết quả nguyên tử Hydro đó chỉ phát ra 6 vạch quang phổ. Những vạch quang phổ ấy thuộc các dãy nào? 2.24. Nguyên tử Hydro đang ở trạng thái kích thích ứng với mức năng lượng n =10. Tính số vạch quang phổ nó có thể phát ra. 2.25. Photon với năng lượng 16,5ev làm bật Electron ra khỏi nguyên tử Hydro ở trạng thái cơ bản. Tính vận tốc của Electron bật ra từ nguyên tử. 2.26. Nguyên tử Hydro ở trạng thái cơ bản (n=1) hấp thụ photon ứng với bước sóng ( = 1215Ao. Tính bán kính quĩ đạo của Electron trong nguyên tử ở trạng thái kích thích. 23 24
13. 2.27. Đối với ion Heli He+, Electron khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác kèm theo bức xạ có bước sóng gần bằng bước sóng của vạch đầu tiên trong dãy Banme. Chính xác thì bước sóng của hai vạch ấy chênh lệch nhau bao nhiêu? 2.28. Cho một photon với năng lượng 20ev đánh bật một Electron ra khỏi nguyên tử Hydro từ trạng thái cơ bản (n=1). Sau khi bật ra khỏi nguyên tử thì vận tốc Electron bằng bao nhiêu? 2.29. Trong thí nghiệm kiểm chứng các định đề N.Bohr khi dùng Electron bắn vào nguyên tử Hydro để kích thích nó, người ta đo được các giá trị hiệu điện thế kích thích là 10,2v và 12,1V và có 3 vạch quang phổ: 1) Hãy tính bước sóng của các vạch quang phổ ấy. 2) Xác định những vạch quang phổ ấy thuộc những dãy nào. 2.30. Hãy tính vận tốc của Electron trên quĩ đạo thứ hai của nguyên tử Hydro theo lý thuyết N.Bohr, cho biết Momen quĩ đạo của Electron trên quĩ đạo này L=IJ và bán kính quĩ đạo N.Bohr thứ nhất r1=ao=0,53Ao. 2.31. Hạt Medon (- mang điện tích (-e) liên kết với proton tạo thành một Mezo nguyên tử tương tự như Electron liên kết với proton tạo thành nguyên tử Hydro (cho biết khối lượng của hạt Medon bằng 207 lần khối lượng Electron). Hãy tính : 1) Bán kính của Mezo – nguyên tử. 2) Mức năng lượng cơ bản ứng với quĩ đạo nhỏ nhất. 2.32. Ion Heli He+ đang ở trạng thái kích thích thứ n, nếu chuyển về trạng thái cơ bản (n=1) ion này phát ra liên tiếp hai photon nối đuôi nhau với các bước sóng 108,5.10-9m và 30,4.10-9m. 2.33. Khi nguyên tử Hydro chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản phát ra hai photon kế tiếp nhau với các bước sóng tương ứng bằng 40510Ao và 972,5Ao. Hãy xác định mức năng lượng kích thích ấy và giá trị năng lượng tương ứng của nó. 2.34. Hãy xác định tần số photon do ion tương tự Hydro phát ra khi nó chuyển về mức năng lượng thứ n nếu bán kính quĩ đạo của Electron trong trường hợp ấy thay đổi ( lần. 2.35. Hãy xác định mức năng lượng thứ n của nguyên tử Hydro khi đang ở trạng thái kích thích nếu biết rằng khi chuyển về trạng thái cơ bản (n=1) nguyên tử phát ra: 1) Một photon ứng với bước sóng 972,5Ao. 2) Hai photon kế đuôi nhau với bước sóng 6563Ao và 1216Ao. 2.36. Hãy tính vận tốc của Electron bị đánh bật ra khỏi ion Heli He+ ban đầu ở trạng thái cơ bản bằng một photon có bước sóng tương ứng là 180Ao. 2.37. Nếu sử dụng photon phát ra từ Heli He+ khi chuyển từ mức kích thích thứ nhất về mức cơ bản đủ để tác động vào nguyên tử Hydro để nó bị ion hóa. Tìm vận tốc của Electron bị bật ra khỏi nguyên tử Hydro. 2.38. Nguyên tử Hydro phải chuyển động với vận tốc cực tiểu bằng bao nhiêu để khi va chạm trực diện không đàn hồi vào nguyên tử Hydro khác đang ở trạng thái đứng yên làm cho nó phát ra photon ánh sáng. Giả sử trước khi va chạm cả hai nguyên tử đều ở trạng thái cơ bản. 2.39. Tính vận tốc giật lùi lại của nguyên tử Hydro khi nó chuyển từ trạng thái kích thích đầu tiên về trạng thái cơ bản. Giả sử ban đầu nguyên tử ở trạng thái đứng yên. 2.40. Người ta kích thích cho nguyên tử Hydro lên mức năng lượng thứ n. Hãy xác định: 1) Nếu n=5 trở về mức cơ bản n=1 thì sẽ xuất hiện bao nhiêu vạch và chúng thuộc những dãy nào. 2) Nếu n=20 thì nguyên tử phát ra bao nhiêu vạch. 25 26
14. Chương III: NHỮNG CƠ SỞ CỦA THUYẾT LƯỢNG TỬ Tóm tắt nội dung lý thuyết: 1. Giả thuyết Dơ Brơi (De Broglie) Hệ thúc Dơ Brơi về tần số và bước sóng của hạt vi mô: hh E λ= = vaø ν = pmv h với E là năng lượng; p là xung lượng; ( là bước sóng;Ġ là tần số và m là khối lượng của hạt vi mô h = 6,6.10-34JS là hằng số planck. 2. Bước sóng của Electron chuyển động trong điện trường: 12,25 λ= Ao u(v) Hiệu điện thế u tính bằng von thì bước sóng tính bằng Ao. 3. Điều kiện Vunphơ-Brắc về nhiễu xạ sóng DơBrơi của hạt vi mô trên mạng tinh thể: 2dsin( = n( với n = 1, 2, 3, 4 Hiệu đường đi giữa hai tia kế tiếp nhau (hiệu quang trình) bằng (2dsin() phải bằng một số nguyên lần bước sóng (n() sẽ cho cực đại giao thoa nhiễu xạ. ( là góc trượt; d – là hằng số mạng tinh thể; n là bậc nhiễu xạ và ( là bước sóng tới. 4. Hê thức bất định Hexenbéc (Heisenberg) ( Hệ thức bất định về tọa độ và xung lượng: (x.(px ( h ( Hệ thức bất định về năng lượng và thời gian sống của hạt vi mô: (E.(t ( h 5. Hàm sóng phẳng đơn sắc của hạt vi mô − i uur Ψ=Ψoe(Etpr) − h 6. Mật độ xác suất tìm thấy hạt vi mô trong yếu tố thể tích dV: dW=Ψ2 .dV =ΨΨ *dV 7. Điều kiện chuẩn hóa:Ġ 8. Phương trình Srodingơ đối với trạng thái dừng của hạt vi mô 2m ∆Ψ+2 []Eu − Ψ= 0 h 9. Định luật Modơlay đối với phổ đặc trưng tia x được biểu diễn thông qua tần số: 2 ⎛⎞11 ν=RC(z − a) ⎜⎟22 − vôùi m > n ⎝⎠nm Đối với vạch phổ K( thì a = 1, n =1 và m = 2: 3 ν =−RC(z 1)2 α 4 * Bài tập hướng dẫn: 1. Tìm bước sóng Dơ Brơi của viên bi khối lượng 10g chuyển động với vận tốc 10m/s. Giải: h h 6,626.10−34 λ= = = =6,626.10−33 m pmv10.10−2 2. Tìm bước sóng DơBrơi của Nơtron nhiệt với năng lượng 0,05ev. Giải: 27 28
15. h h h 6,626.10−34 λ= = = = =1, 32.10−10 m pmv 2mE 2.1,67.10−−27 .0,05.1,6.10 19 3. Tính hiệu điện thế cần thiết để tăng tốc một Electron chuyển động trong điện trường để có bước sóng Dơ Brơi bằng 1Ao. Giải: Động năng Electron trong điện trường:Ġ Hoặc :Ġ h2342 (6,626.10− ) Suy ra: u150V== = 2meλ23119102 2.9,1.10−−− .1,6.10 (1.10 ) 4. Electron ban đầu có vận tốc bằng không được tăng tốc trong điện trường với hiệu điện thế u. Tìm giá trị bước sóng DơBrơi trong hai trường hợp sau: a) u = 51’V b) u = 510KV Giải: 1) u = 51V: Động năng D = eu = 51eV = 0,51.10-4Mev Năng lượng nghỉ của Electron Eo = moC2 = 0,51Mev Vậy có thể thay thế: D = eu = 0,51.10-4Mev = (moc2).10-4 Bước sóng DơBrơ của Electron : hhh102 λ= = = . 24− mC 2mo eu2moo (m C ).10 o 2 Với hằng số :Ġ là bước sóng Compton Kết quả :Ġ 2) u = 510KV: Khi hiệu điện thế u = 510KV sẽ ứng với năng lượng; eu=510kev = 0,51Mev. Năng lượng này có giá trị bằng năng lượng nghỉ của Electron: Eo = moC2 = 0,51Mev. Với hạt chuyển động với vận tốc lớn có năng lượng xấp xỉ bằng hoặc lớn hơn năng lượng nghỉ của Electron phải dùng cơ học tương đối tính của Einstein, vì khối lượng thay đổi theo vận tốc: m m = o V2 1− C2 Trong đó mo là khối lượng nghỉ của hạt. Dựa vào hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng ta có động năng bằng : ⎛⎞ ⎜⎟ 222⎜⎟1 DmCmCmC=−oo = − 1 ⎜⎟V2 ⎜⎟1− ⎝⎠C2 Mặt khác động năng của hạt: D = eu ⎛⎞ ⎜⎟ 2 ⎜⎟1 Suy ra : mCo −= 1 eu ⎜⎟V2 ⎜⎟1− ⎝⎠C2 Vận tốc :Ġ Động lượng P = mV =Ġ Bước sóng DơBrơi:Ġ Mặt khác ta có: eu = 0,51Mev = moC2 là năng lượng nghỉ Electron. Kết quả:Ġ 29 30
16. Hằng số :Ġlà bước sóng Compton. 5. Một chùm Nơtron nhiệt năng lượng 0,05ev nhiễu xạ trên đơn tinh thể muối ăn (NaCl). Xác định góc trượt ( ứng với bậc nhiễu xạ thứ nhất (n=1) theo điều kiện Vunphơ-Brắc. Cho biết hằng số mạng tinh thể d = 2,81Ao. Giải : Điều kiện cho cực đại nhiễu xạ: 2dsin( = n(, với n = 1, ta có: 2dsin( = ( Bước sóng:Ġ λ h Suy ra: Sinθ= = 2d 2d 2mE Thay trị số vào : 6,626.10−34 Sinθ= = 0,235; Suy ra θ=13o20' 2.2,81.10−−10 2.1,67.10 27 .0,05.1,6.10 − 19 6. Động năng của Electron trong nguyên tử Hydro có giá trị bằng 10ev. Một cách gần đúng có thể dùng hệ thức bất định Hexenbéc để sơ bộ xác định kích thước nhỏ nhất của nguyên tử. Giải: Theo hệ thức bất định Hexenbéc: (x.(Px ( h Giả sử kích thước của nguyên tử bằng d, vậy vị trí tọa độ của Electron trong nguyên tử Hydro theo phương tọa độ x xác định trong khoảng: 0 ≤ x ≤ d nghĩa là:Ġ Từ hệ thức ta suy ra:Ġ Vậy :Ġ Hiển nhiên là độ bất định (Px không thể vượt quá giá trị của xung lượng P, tức là (Px ( P. Mặt khác động năng và xung lượng có quan hệ : P2mD= Vậy độ bất định về xung lượng ĺ Ta chọn (Px bằng giá trị lớn nhất của nó thì giá trị của d sẽ nhỏ nhất và bằng: 2h 2.6,626.10−34 dmin == 2mD 2.9,1.10−−31 .10.1,6.10 19 Kết quả : d = 7,76.10-19m. 7. Xác định giá trị Momen quĩ đạo L của Electron trong nguyên tử Hydro ở trạng thái kích thích, biết rằng năng lượng kích thích truyền cho nguyên tử từ trạng thái cơ bản là 12,09ev. Giải: Giá trị Momen quĩ đạo được xác định: ur L(1)=+ll h vôùi l = 0, 1, 2, 3 (n-1) l laø löôïng töû soá Momen ñoäng löôïng quó ñaïo. n – là lượng tử số chính. Để tìm trị số của L ta phải xác định trị số của n. Năng lượng của Electron ở trạng thái kích thích thứ n bằng: RhC 13,6 E(ev)=− =− n nn22 Năng lượng Electron ở trạng thái cơ bản (n=1) là: RhC E13,6(ev)==− 1 12 31 32
17. Năng lượng kích thích là năng lượng cung cấp cho nguyên tử hấp thụ để chuyển từ trạng thái bình thường lên trạng thái kích thích thứ n tương ứng, do đó ta có: 13,6 ∆=−=−+EEE 13,6 cung n 1 n2 Theo đầu bài cho: (Ecung = 12,09ev Vậy ta có: 13,6 12,09=− 13,6 2 n 13,6 =−13,6 12,09 = 1,51 n2 Suy ra n = 3 Lượng tử sốĠ = 0, 1, 2, 3 (n-1), vậyĠ = 0, 1, 2. Ta có 3 trị số ứng với n = 3: ( VớiĠ = 0 ĉ ( VớiĠ = 1ĉ ( VớiĠ = 2ĉ 8. Nếu đặt nguyên tử vào từ trường ngoài thì vectơ Momen quĩ đạoĠ sẽ hợp với phương ưu tiên của từ trường đặt dọc theo trục OZ một góc (. Hãy xác định trị số góc ( nhỏ nhất khi Electron trong nguyên tử ở trạng thái d. Giải: Trạng thái ứng vớiĠ = 2 gọi là trạng thái d. Trị số của Momen quĩ đạo bằng: ĉ vớiĠ =1, 2, 3 (n-1) Giá trị hình chiếu lên phương trục OZ là: Lz = ŭ với m = 0, (1, (2, (3 Ĩ Trường hợp cụ thểĠ = 2 thì : Lz = ŭ với m = 0, (1, (2, góc ( nhỏ nhất sẽ ứng với giá trị của m lớn nhất, tức là m = 2. Lz = m h = Lcosθ Kết quả : Lm m2 Cosθ=z =h = = = 0,8164 L ll(1)(1)6++ h ll Suy ra: θ = 35o15’ 9. Xác định các giá trị khả dĩ của Momen toàn phần J ứng với lượng tử số quĩ đạoĠ =1 vàĠ = 2 đối với nguyên tử Hydro. Khi tính đến spin của Electron. Giải : Momen toàn phần của Electron trong nguyên tử : rurr JLS=+ với trị số : r 1 Jj(j1)=+ vôùi j=± h l 2 vớiĠ = 1 ta có 2 trị số: 11 j11 =− = 22 13 j1=+ = 2 22 ứng với 2 trị số Momen toàn phần: 33 34
18. ur 11 3 J(1)=+= 1 22hh 2 uur 33 15 J(1)=+= 2 22hh 2 Trị số của Momen động lượng riêng (spin) r 1 SS(S1)=+h vôùi S = 2 11 3 = (1)+= 22hh 2 Bội của mức năng lượng được xác định g = 2s+1=2 Đối vớiĠ = 2 ta có 2 trị số : 113 j21 =−l =− = 222 115 j2=+ =+ = 2 l 222 ứng với : ur 33 15 J(1)=+= 1 22hh 2 uur 55 35 J(1)2 =+=hh 22 2 ur L2(21)6=+=hh r 11 3 S(1)=+= 22hh 2 10. Đối âm cực trong một ống Ronghen được phủ một lớp Môlipden (Mo) với z = 42. Hãy xác định bức sóng của vạch thứ K( của phổ đặc trưng tia X. Khi nâng hiệu điện thế đặt vào ống Rơnghen bằng 4KV thì vạch đó có xuất hiện không. Giải: Theo định luật Môđơlây tần số bức xạ của phổ tia X được biểu diễn: 2 ⎛⎞11 ν=RC(z − a) ⎜⎟22 − vôùi m > n ⎝⎠nm Khi n = 1 và m = 2, 3, 4, 5 Sẽ cho các vạch phổ thuộc dãy K gồm K(, K(, K( Ứng với n = 1 và m = 2 sẽ xuất hiện vạch K(. Đối với dãy K hệ số màn chắn a = 1. Từ đó vạch K( có tần số: 22⎛⎞11 11 ν=RC(Z − a)⎜⎟22 − = RC(Z − 1) ( 22 − ) nm 12 ⎝⎠ 3 =−RC(Z 1)2 4 Đối với Molipden z = 42 hằng số Ritbéc R = 1,097.107m-1. Bước sóng phát ra từ Molipden bằng : C4 4 λ= = = =0,72.10−10 m α ν−3R(Z 1)272 3.1,097.10 (41) Năng lượng ứng với tần sốĠ 35 36
19. C 6,626.10−34 .3.10 8 E=ν= h h. = = 2,75.10−16 J λ 0,72.10−10 Năng lượng đặt vào ống Rơnghen 4KV tương ứng với 4Kev=4.103ev chuyển sang đơn vị Jun, ta có: 4Kev= 4.103.1,6.10-19= 6,4.10-16J. Vậy khi đặt vào ống Rơnghen 4KV sẽ làm xuất hiện bức xạ vạch phổ K(. * Bài tập tự giải: 3.1. Xác định bước sóng DơBrơi của Electron và Proton chuyển động với vận tốc 106m/s. 3.2. Tính bước sóng Dơ Brơi của Electron chuyển động với vận tốc 2.108m/s. 3.3. Electron không vận tốc đầu được gia tốc qua một điện trường với hiệu điện thế u. Tính hiệu điện thế u, biết rằng sau khi tăng tốc Electron chuyển động có bước sóng Dơ Brơi bằng 1Ao. 3.4. Xác định bước sóng Dơ Brơi của proton được tăng tốc (không vận tốc đầu) qua điện trường có hiệu điện thế bằng 1KV và 1MV. 3.5. Nơtron với động năng 25ev bay đến va chạm vào Dơteri (D là đồng vị của hạt nhân Hydro). Tính bước sóng Dơ Brơi của hai hạt trong hệ qui chiếu khối tâm của chúng. 3.6. Chứng minh rằng Electron tự không bức xạ hoặc hấp thụ lượng tử ánh sáng, vì nếu điều này xảy ra thì hai định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng sẽ không thỏa mãn. 3.7. So sánh bước sóng DơBrơi của Electron với proton và của Electron với hạt ( khi chúng chuyển động trong điện trường đều có hiệu điện thế là u. 3.8. Chùm Electron chuyển động với vận tốc 6.106m/s đi vào một điện trường đều có cường độ điện trường E = 5v/cm. Hỏi Electron phải chuyển động một khoảng là d bằng bao nhiêu trong điện trường đó để có bước sóng bằng 1Ao. 3.9. Thiết lập biểu thức của bước sóng DơBrơi ( của một hạt vi mô tương đối tính chuyển động với động năng D. Với giá trị nào của D sự chênh lệch giữa bước sóng ( tương đối tính và bước sóng ( phi tương đối tính không quá một phần trăm (1%) đối với Electron và proton. 3.10. Hỏi phải cần một hiệy điện thế tăng tốc bằng bao nhiêu đối với một proton để làm nó có thể đạt vận tốc tương ứng với bước sóng Dơ Brơi là 10-12cm. Cho biết ban đầu proton đứng yên. 3.11. Dùng điều kiện Vunphơ-Brắc để tìm 3 giá trị đầu tiên của hiệu điện thế tăng tốc mà với những giá trị đó sẽ thu được cực đại nhiễu xạ đối với chùm Electron đập vào bề mặt tinh thể dưới góc trượt ( = 30o. Người ta quan sát Electron phản xạ từ bề mặt tinh thể có góc phản xạ bằng góc tới. Cho biết hằng số mạng tinh thể d = 2,4Ao. 3.12. Khi tăng năng lượng của Electron thêm 200ev thì bước sóng DơBrơi của nó thay đổi hai lần. Hãy tính bước sóng lúc ban đầu. 3.13. Proton với bước sóng ( = 0,017Ao tán xạ đàn hồi dưới góc 90o trên một hạt ban đầu đứng yên có khối lượng gấp 4 lần khối lượng của nó. Hãy tính bước sóng của proton bị tán xạ. 3.14. Minh họa điều kiện lượng tử hóa về Momen động lượng quĩ đạo của lý thuyết N.Bohr theo bước sóng (, có nghĩa là chu vi các quĩ đạo dừng của Electron trong nguyên tử bằng một số nguyên lần của bước sóng. Hãy tính bước sóng DơBrơi của Electron tại qũi đạo thứ n. 3.15. Electron với động năng ban đầu là 4,3ev được tăng tốc trong một điện trường đều có phương trùng với phương chuyển động ban đầu của Electron và cường độ điện 37 38
20. trường E = 92V/cm. Electron phải chuyển động một quãng đường bằng bao nhiêu trong điện đường ấy để có bước sóng Dơ Brơi bằng 2Ao. 3.16. Cho một chùm Electron có vận tốc V = 3,65.106m/s tới đập vào một khe hẹp có bề rộng b = 10-6m, khi đó trên màn quan sát đặt song song với khe và cách khe một khoảng L=10cm người ta quan sát thấy các vân giao thoa nhiễu xạ. Tìm khoảng cách giữa hai cực đại nhiễu xạ bậc nhất. 3.17. Một chùm Electron được tăng tốc trong điện trường với hiệu điện thế u = 15V đi qua khe hẹp có bề rộng b=0,8.10-6m. Hãy xác định chiều rộng của cực đại chính nhiễu xạ trên một màn quan sát đặt cách khe một khoảng L= 60cm và vuông góc với phương chuyển động của chùm Electron. 3.18. Một chùm Electron đập vuông góc vào một khe hẹp có bề rộng b = 2(m, khi đó trên màn quan sát đặt cách khe một khoảng 50cm người ta quan sát hình nhiễu xạ, trong đó cực đại nhiễu xạ trung tâm có bề rộng y = 8.10-15m. Tìm vận tốc Electron. 3.19. Cho một chùm Notron đập vào bề mặt giới hạn tự nhiên của đơn tinh thể Nhôm (Al) dưới góc trượt ( = 5o. Hằng số mạng tinh thể nhôm d = 2Ao. Hãy tính năng lượng và vận tốc của Nơtron ứng với cực đại nhiễu xạ bậc nhất quan sát được theo phương phản xạ. 3.20. Ngoài Electron người ta còn dùng các hạt khác để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Hãy giải thích tại sao Nơtron chậm (có năng lượng cở 0,01ev) tán xạ trên tinh thể có hiện tượng nhiễu xạ rõ nét, còn Nơtron nhanh (có động năng cỡ 100eV trở lên) thì hiện tượng nhiễu xạ không được rõ nét. 3.21. Vị trí trọng tâm của một quả cầu khối lượng 1mg có thể xác định chính xác đến 2(m. Dựa vào hệ thức bất định Hexenbec để đánh giá về tính chất chuyển động của quả cầu. 3.22. Chuyển động của Electron trong đèn hình Tivi sẽ tuân theo qui luật vật lý cổ điển hay vật lý lượng tử. Cho biết hiệu điện thế tăng tốc chùm Electron bằng 15KV và đường kính chùm tia vào khoảng 10-3cm. 3.23. Động năng trung bình của Electron trong nguyên tử Hydro ở trạng thái cơ bản là 13,6ev. Dùng hệ thức bất định Hexenbéc để đánh giá tính chất của Electron trong trường hợp này. 3.24. Tính độ bất định về tọa độ (x của Electron trong nguyên tử Hydro biết rằng vận tốc Electron bằng V = 1,5.106m/s và độ bất định về vận tốc bằng (v = 10% của vận tốc V. So sánh kết quả tìm được với đường kính d của quĩ đạo N.Bohr thứ nhất và có thể áp dụng khái niệm quĩ đạo cho trường hợp kể trên không. 3.25. Giả sử có thể đo được xung lượng của một hạt chính xác đến phần nghìn. Xác định độ bất định cực tiểu về trị số của hạt: 1) Nếu hạt có khối lượng 5mg và vận tốc 2m/s. 2) Nếu hạt là Electron có vận tốc 1,8.106 m/s. 3.26. Xác định độ bất định cực tiểu về năng lượng của một nguyên tử khi Electron ở trạng thái bất định đó chỉ trong vòng 10-8S. 3.27. Độ rộng của một vạch quang phổ ứng với bước sóng 4000Ao bằng 10-4Ao. Tính thời gian trung bình để hệ nguyên tử tồn tại ở trạng thái năng lượng tương ứng. 3.28. Giả thiết động năng của một hạt vi mô đang chuyển động theo đường thẳng làĠ. Chứng minh rằng (E.(t ( h, trong đó (t = (x/v. 3.29. Vận dụng kết quả của cơ học lượng tử để tính các giá trị có thể có của Momen từ ứng mức n = 3. 3.30. Nguyên tử có thể có bao nhiêu giá trị lượng tử số j nếu nó ở trạng thái có lượng tử số s vàĠ bằng: 1) S = ½ vàĠ = 1 39 40
21. 2) S = 5/2 vàĠ = 2 3.31. Nguyên tử tồn tại ở trạng thái có độ bội g = 3 và Momen toàn phần bằngĠ. Hỏi lượng tử số tương ứngĠ bằng bao nhiêu. 3.32. Giá trị Momen toàn phần của Electron bằng bao nhiêu khi Momen quĩ đạo của nó ứng lượng tử sốĠ = 3. 3.33. Xác định độ thay đổi Momen quĩ đạo của Electron trong nguyên tử Hydro khi nó chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản và phát ra bước sóng ( = 972,5Ao. 3.34. Hãy viết ký hiệu các số hạng quang phổ của nguyên tử Hydro biết rằng Electron của nó ở trạng thái có lượng tử số chính n = 3. 3.35. Có bao nhiêu hàm sóng tương ứng với trạng thái n = 3 của nguyên tử Hydro. Hãy viết tất cả các ký hiệu của hàm sóng ( trong hai hệ lượng tử số (n,Ġ, m, ms và n,Ġ, j, mj). 3.36. Tìm độ biến thiên của bước sóng của vạch đỏ Cadimi ứng với bước sóng 6438Ao do hiệu ứng Diman thường khi nguyên tử đặt trong từ trường với cảm ứng từ bằng 0,009Tesla. 3.37. Xác định độ lớn cần thiết của cảm ứng từ B để có thể quan sát được hiệu ứng Diman thường trong trường hợp phổ kế có thể tách được vạch phổ có bước sóng 5000Ao khỏi các vạch lân cận với độ khác nhau về bước sóng 0,5Ao. 3.38. Trong hiệu ứng Diman thường thì số hạng ứng với lượng tử sốĠ = 3 sẽ tách thành bao nhiêu mức trong từ trường. Tính hiệu số năng lượng giữa hai mức kế cận nhau. 3.39. Trong hiệu ứng Diman thường vạch phổ ứng với sự chuyển dời từ trạng thái có lượng tử sốĠ = 3 sang trạng thái cóĠ=2 sẽ tách làm mấy thành phần trong từ trường. Vẽ sơ đồ các vạch phổ theo giản đồ mức năng lượng. 3.40. Vạch phổ Ca có bước sóng ( = 4226Ao do hiệu ứng Diman bị tách thành 3 thành phần có tần số khác nhau là 4,22.1010S-1 trong từ trường có cảm ứng từ B = 3 Tesla. Hãy xác định điện tích riêng của ElectronĠ. 3.41. Một đèn hình Tivi hoạt động với điện áp tăng tốc 20KV. Tìm năng lượng cực đại của photon tia X phát ra từ Tivi đó. 3.42. Dùng định luật Mơdơlây để tính bước sóng vạch K( của nhôm (z = 13) và Côban (Z=27). 3.43. Tính bề dày của lớp vật chất mà tia X xuyên qua nó thì cường độ chùm tia X giảm đi 2 lần. Cho biết hệ số hấp thụ tuyến tính của chất đang xét là ( = 0,047cm-1. 3.44. Trong phép đo các vạch K( đối với các nguyên tố khác nhau người ta thu được các kết quả sau: ( Sắt Fe ứng với 1,94Ao ( Coban Co ứng với 1,79Ao Từ các số liệu này hãy tìm lại nguyên tử số của mỗi nguyên tố. 3.45. Một vật hiệu ứng với Píc hấp thụ K (đỉnh nhọn trên phổ tia X gọi là píc) là 0,15Ao được chiếu bằng tia X có bước sóng 0,10Ao. Tính động năng cực đại của quang Electron phát ra từ vỏ lớp điện tử K. 3.46. Khi các tia X có bước sóng 0,50Ao đập lên một vật liệu cho trước, các quang Electron bật ra từ lớp vỏ nguyên tử K chuyển động theo một vòng tròn bán kính 23m.m trong một từ trường có cảm ứng từ B = 0,02Tesla. Tìm năng lượng liên kết của Electron ở lớp vỏ K trong nguyên tử. 41 42
22. Chương IV: CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ * Tóm tắt lý thuyết I. NGUYÊN TỬ HYDRO (VÀ CÁC ION TƯƠNG TỰ) a) Phương trình Srodingơ đối với electron trong nguyên tử Hydro (và các ion tương tự) trong hệ tọa độ cầu : 2 11∂2 ∂ψ ∂ ∂ψ 12mZe ∂ψ 2 22(r )+θ+++ψ= (sin ) 2222 (E ) 0 r∂∂ r r r sin θ∂θ∂θθ∂ψ r sinh r b) Nghiệm của phương trình Srodingơ : Hàm sóng. ψθϕ=θϕ(r, , ) R (r)Y ( , ) n,lll ,m n m Với n : số lượng tử chính n = 1, 2, 3 Ġ Ġ: số lượng tử quỹ đạo ĉ = 0, 1, 2 n –Ġ m : số lượng tử từ m = 0,Ġ1,Ġ 2 Ġ Dạng cụ thể của vài hàm sóng : 3 Zr ⎛⎞2 − Z ao R21,0 = ⎜⎟ e ⎝⎠ao Zr 3 − 1Z2 Zr 2ao R()(2)e2,0 =− 8 aaoo r 3 − 1Z2 r 2ro R()()e2,1 = 24 aaoo Với ao – Bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất của H ; ao = 0,53 Ao 1 Y = 0,0 4π 3 Ysin.e=θiϕ 1,1 8π 3 Ycos=θ 1,0 8π 3 Y=θ sin .sin−ϕi 1,− 1 8π c) Xác suất tìm thấy electron theo bán kính : dW=γ R22 (r). .dr rnl - Xác suất tìm thấy e theo các gócĠ, ( : 2 dW=θϕθθϕ Y ( , ) sin .d .d θϕ,,ml d) Năng lượng của các trạng thái dừng : Z2 En = - Rhc. n2 e) Mức suy biến : g = 2n2 * Chú ý : Hệ đơn vị đang dùng là hệ CGS. II- CẤU TRÚC CỦA NGUYÊN TỬ PHỨC TẠP. a) Nguyên lý Pauli và hệ quả : 43 44
23. * Số  trên cùng một lớp : là 2n2 n 1 2 3 4 5 6 7 Tên lớp K L M N O P Q Số e- 2 8 18 32 50 72 98 * Số e trên cùng một phân lớp là 2 (IJ + 1) l 0 1 2 3 4 5 Tên phân lớp s p d f g h Số e- 2 6 10 14 18 22 b) Nguyên lý năng lượng tối thiểu : ( Qui tắc xác định mức năng lượng cao thấp : EE n1 ( Sự sắp xếp trạng thái theo thứ tự năng lượng tăng dần : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 6d, 5f, 7p v.v ( Sơ đồ cấu hình của nguyên tử : Phản ánh cách sắp xếp e- trong nguyên tử theo các lớp và phân lớp. * Bài tập hướng dẫn : 1. Khảo sát tự phân bố xác suất tìm thấy e- theo bán kính r trong nguyên tử H ở trạng thái cơ bản : Giải : Ở trạng thái cơ bản (n = 1, l = 0) hàm sóng theo r có dạng : 3 r ⎛⎞1 2 − R(r)R(r)2== eao n,l 1,0 ⎜⎟ ⎝⎠ao Vậy xác suất tìm thấy e- theo bán kính là : 3 2r ⎛⎞− 221 ao 2 dWr == R .r .dr 4.⎜⎟ .e .r .dr ⎝⎠ao Hàm mật độ xác suất : 3 2r − dw⎛⎞ 1 a 2 ρ= =4.e.r⎜⎟ o ` dr⎝⎠ ao Tìm cực trị của hàm : 3 2r 2r ⎡⎤−− d1ρ ⎛⎞⎛ 2 ⎞aa2 =−+4.er2re⎜⎟⎜⎢⎥ ⎟ oo dr⎝⎠⎝ aoo⎢⎥ a ⎠ ⎣⎦ 3 2r − ⎛⎞1ra ⎡ ⎤ =−=4.e2r10⎜⎟ o ⎢⎥ ⎝⎠aaoo ⎣ ⎦ Suy ra : (Ġ ( Cực đại 45 46
24. 2r − • e0rao =⇒=∞ − Cöïc • r = 0 ti å Vậy khả năng tìm thấy e- trong nguyên tử Hydrô ở trạng thái cơ bản nhiều nhất là ở vùng bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất, ít nhất (hay không có) là tại tâm nguyên tử (tức hạt nhân) và tại vô cực (tức ở xa hạt nhân nguyên tử). Đối với nguyên tử theo cơ học lượng tử do tuân theo hệ thức bất định, e- không thể coi là chuyển động trên quỹ đạo như trong cơ học cổ điển. * Đồ thị mô tả xác suất tìm thấy e- trong nguyên tử H có dạng : 0 ρ a0 = 0.53 A r O a o 2. Viết sơ đồ cấu hình của nguyên tử Scandi (Sc), biết số thứ tự của nó trong bảng tuần hoàn là :ĠZ = 21. Giải : Theo nguyên lý Pauli ta có thể viết. 1s2 2s22p6 3s23p6 lớp K lớp L lớp M Đến đây theo nguyên lý Pauli lớp M có thể chứa 18e-, nhưng phân lớp 3p chỉ chứa được 6e- vậy phân lớp 3p không thể chứa thêm e-. Đáng lẽ phải chuyển sang phân lớp 3d tức vẫn thuộc lớp 3. Nhưng theo nguyên lý năng lượng tối thiểu thì mức 4s có năng lượng nhỏ hơn mức 3d. Vậy nên e- tiếp theo (tức e- thứ 19), sẽ làm đầy mức 4s, mở đầu cho lớp 4. Phân lớp này chứa được 2 e- cho nên e- tiếp theo (tức e- thứ 20) sẽ làm đầy phân lớp này. Tiếp theo, e- thứ 21 đáng lẽ phải làm đầy tiếp lớp 4p. Nhưng vì lớp 4p có năng lượng nhỏ hơn 3d. Vậy nên e- tiếp theo (thứ 21) sẽ trở về chiếm phân lớp 3d. Tóm lại, sơ đồ cấu hình của Sc có dạng : 1s2 2s22p6 3s23p63d1 4s2 K : 2e- L : 8e- M : 9e- N : 2e- Tổng cộng: 21e- 3. Nguyên tử Hydro ở trạng thái 1s. Tính xác suất tìm thấy e- trong một hình cầu bán kính r = 0,1 ao (ao là bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất). Giải : Ở trạng thái 1s (n = 1,Ġ= 0, m = 0) hàm sóng của e- có dạng: ψθϕ=1,0,0(r, , ) R 1,0 (r).Y 0,0 ( θϕ , ) r ⎛⎞11− = 2.e.⎜⎟ao ⎜⎟a3 4π ⎝⎠o r 1 − = .e ao 3 πao 47 48
25. Hàm sóng ở đây chỉ phụ thuộc r (đối xứng cầu). Xác suất tìm thấy e- trong một lớp cầu mỏng nằm giữa 2 bán kính (r; r + dr) có thể tích dV = 4 (r2dr, sẽ là : 2 r 2 ⎛⎞− 1 ro 2 dW=ψ1,0,0 d.V =⎜⎟ .e .4 π r dr = ⎜⎟πa3 ⎝⎠o 2r 2r −− 14raoo22 =π=33.e .4 r dr .e r dr πaaoo Xác suất tìm e- trong quả cầu bán kính r = 0,1 ao được tính bởi tích phân : 0,1a 0,1a 2r oo4 − WdW.e.rdr== ao 2 ∫∫a3 ooo 0,1a 2r 4 o − = r.e2 ao .dr 3 ∫ ao o Ta có tích phân mẫu : 1 ∫x2. eaxdx = − (a2x2 + 2ax + 2) e-ax a3 Vậy nên ở đây để áp dụng tích phân mẫu ta đặt a =Ġta có kết quả : 2 3 ⎛⎞− r 444ao 2 a0,1aoo W.=−32⎜⎟ .rr2.e + + 0 a8aooo⎝⎠ a 2 ⎛⎞22 − r 2 a0,1aoo =−⎜⎟2 rr1.e + + 0 ⎝⎠aaoo =−(0,02 + 0,2 + 1).e−0,2 + 1 ==0,0011 1,1.10−3 Bài tập tự giải : 4.1. Tìm hàm mật độ xác suất tìm thấy e- theo bán kính ở trạng thái n = 2,Ġ= 0, m = 0 cho nguyên tử Hydro. 4.2. Nguyên tử Hydro ở trạng thái 1s. a) Tính xác suất w1 tìm thấy e- trong hình cầu (0 ; ao) với ao là bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất. b) Tính xác suất w2 tìm thấy e- ngoài hình cầu đó. c) Tìm tỷ sốĠ 4.3. Hàm sóng mô tả e- ở trạng thái 2s làĠ Với Ġ. Xác định những điểm cực trị của mật độ xác suất. Vẽ đồ thị củaĠ. 4.4. Viết phương trình Srodingơ với nguyên tử Heli. 4.5. Viết phương trình Srodingơ với phân tử oxy. 4.6. Trong nguyên tử các lớp K, L, M đều đầy. Xác định : a) Tổng số e- trong nguyên tử. b) Số electron s, số electron p và electron d. c) Số electron p có m = 0. 4.7. Viết sơ đồ cấu hình đối với các nguyên tử sau ở trạng thái cơ bản : a) Bo b) Cacbon c) Natri 49 50
26. 4.8. Viết các số lượng tử đối với tất cả các trạng thái của nguyên tử Hydro có n = 4 vàĠ= 3. 4.9. Nguyên tử Hydro có bao nhiêu trạng thái với n = 5. 4.10. Có bao nhiêu hàm sóng 4 (bậc suy biến) ứng với trạng thái năng lượng n = 3 của nguyên tử Hydro? Hãy viết tất cả các ký hiệu hàm sóng tìm được trong 2 hệ số lượng tử từ đó suy ra mức suy biến là như nhau. 4.11. Viết sơ đồ cấu hình của nguyên tố Argon (Ar, Z = 18) và Krypton (Kr, Z = 36), từ cấu hình đó hãy nhận xét các nguyên tố này được xếp vào họ nguyên tố gì trong bảng tuần hoàn Mendeleep. 4.12. 21 electron của nguyên tố Scandi (Sc) được sắp xếp theo các lớp và phân lớp như thế nào ? 4.13. Sơ đồ cấu hình của nguyên tố Xeji (Cs) được ký hiệu như sau : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 6s1. Hãy xác định số lớp, phân lớp số e- trong từng lớp phân lớp và cho biết số thứ tự của nguyên tố này trong bảng tuần hoàn Mendeleep. 4.14. Lớp ứng n = 3 chứa đầy electron, trong đó có bao nhiêu electron : a) cùng có sz = Ġ b) cùng có m = 1 c) cùng có m = -2 d) cùng có sz =Ġ và m = 0 e) cùng có sz =Ġ vàĠ= 2 4.15. Tìm số e- cực đại có thể có trên một lớp vỏ con f (phân lớp) và cho các giá trị tương ứng của m và sz. 4.16. Thiết lập cấu hình của năm khí trơ đầu tiên trong bảng tuần hoàn. 4.17. So với các khí trơ, số e- trong các kim loại kiềm nhiều hơn một. Viết sơ đồ cấu hình của bốn kim loại kiềm đầu tiên. 4.18. Các Halogen có số electron ít hơn một so với các khí trơ. Tìm sơ đồ cấu hình của ba Halogen đầu tiên. 4.19. Sau khi vỏ con (phân lớp) 4s được xếp đầy các e- bắt đầu xếp vào vỏ con 3d. Mười nguyên tố tương ứng tạo thành các nguyên tố chuyển tiếp. Tìm sơ đồ cấu hình đối với 3 nguyên tố đầu của nhóm nguyên tố chuyển tiếp đó (21Sc, 22Ti, 23v). 4.20. Xác định khí trơ nếu phân lớp 6p bị lấp đầy : 4.21. Tìm sơ đồ cấu hình của kim loại kiềm hình thành trên cơ sở cấu hình của Xe (Xenon). 4.22. Tìm sơ đồ cấu hình của một Halogen với 1 electron ít hơn so với Xe. 4.23. Các kim loại kiềm thổ có số e- nhiều hơn 2 so với các khí trơ tương ứng. Tìm cấu hình của 4 kim loại kiềm thổ đầu tiên. 4.24. Tìm nguyên tố có cấu hình 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. 51 52
27. PHẦN II : VẬT LÝ HẠT NHÂN Chương I : HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA NÓ * Tóm tắt lý thuyết : I. CẤU TRÚC HẠT NHÂN : Hạt nhân được cấu tạo từ protôn và nơtrôn, gọi chung là nuclon. Tổng số nuclon bằng số khối A số protôn bằng số thứ tự Z số nơtrôn bằng A – Z Ký hiệu hạt nhân : A A Z X hay Z X Đồng vị : Là những hạt nhân có số protôn (Z) như nhau nhưng số nơtron khác nhau, vậy nên một nguyên tố hóa học có thể có những đồng vị khác nhau, ứng với những khối lượng khác nhau. Kích thước hạt nhân : 1 3 R = Ro A Ro: Hằng số phụ thuộc phương pháp đo Ro ( (1,2 (1,4)10-13cm II. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN : Độ hụt khối : ⎡⎤ ∆m = {⎣⎦Zmpnhn+− (A Z)m − m } (1) với mp : Khối lượng hạt proton mn : Khối lượng hạt nơtron mp : Khối lượng hạt nhân Có thể tính độ hụt khối theo công thức khác : ∆m = {[ZmHnnt+− (A Z)m] − m } Với mH : Khối lượng nguyên tử Hydro mn : Khối lượng hạt nơtron mnt : Khối lượng của nguyên tử ứng với hạt nhân đang xét. * Chú ý : Đơn vị khối lượng trong vật lý hạt nhân có thể là gam (Hệ CGS); đơn vị khối lượng nguyên tử (đvklnt) hay còn viết tắt là U, hoặc Mev (xem phụ lục). ( Năng lượng liên kết : Năng lượng liên kết trái dấu với công dùng để tách hạt nhân thành những nuclon riêng rẽ : (E = - c2. ∆m - Nếu khối lượng tính ra dvklnt, năng lượng tính ra Mev ta có công thức : ∆E = - 931, 48∆m - Nếu khối lượng tính ra dvklnt, năng lượng tính ra jun ta có công thức : ∆E = - 1,5. 10-10 ∆m ( Năng lượng liên kết riêng : ∆E Є = A - Sự bền vững của hạt nhân : Thường nếu / ? / càng lớn thì hạt nhân được coi là càng bền vững. Tuy nhiên theo mẫu vỏ thì hạt nhân bền vững khi số nuclon ứng với các số là : 2, 8, 20, 50, 82, 126. ( Năng lượng liên kết ứng với từng phần cấu tạo nên hạt nhân : 53 54
28. - Nếu hạt nhân X được coi là cấu tạo từ những thành phần a, b thì độ hụt khối theo các thành phần đó là : ∆m' = ma + mb - mx Năng lượng liên kết ứng với các thành phần đó là : ∆E' = c2. ∆m' Nếu (E' > 0: Hạt X không có khả năng phân chia thành các thành phần a, b Nếu (E' ( 0: Hạt X có khả năng phân chia thành các thành phần a, b III- CÁC MẪU HẠT NHÂN. - Mẫu giọt : Công thức weizacker tính năng lượng liên kết của hạt nhân : E = - (v A + (m A2/3 + (c Z2 A-1/3 + (đx (A- 2Z)2 A-1 - ( (A, Z) - Mẫu vỏ : Các số lạ (magic) : 2, 8, 20, 50, 82, 126 * Bài tập hướng dẫn: 1. Xác định năng lượng liên kết của hạt đơton (1D2) và hạt ( (2He4). So sánh năng lượng liên kết riêng của chúng : Giải : - Đối với 1D2 ∆E = 931,4 (mH + mn – mD) = 931,4 (1, 007825 + 1,008665 – 2,01410) = 931,4. 0, 00239 = - 2, 226 Mev. - Đối với 2He4 ∆E = 931,4 (2mH + 2mn – mHe) = 931,4 (2. 1, 007825 + 2. 1,008665 – 4,0026) = 931,4. 0, 03038 = - 28, 295 Mev. Để đánh giá tính chất bền vững của một hạt nhân, người ta dùng khái niệm năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính đối với 1 muclon. Như vậy, năng lượng liên kết riêng của hạt đôtôn bằng : ∆E2,226 ε = =− =−1,11MeV / n D A2 Với hạt ( :Ġ Vì /?( / > /?D / nên có thể kết luận hạt ( bền vững hơn hạt đơtôn. Theo quan niệm lượng tử thì hạt ( là hạt nhân He, có số proton = 2 và sốnơtron = 2 là các số lạ (magic number) nên nó rất bền. 2. Tìm năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân 8O17. Giải : Năng lượng liên kết của 1 nuclon nói chung trong hạt nhân có giá trị bằng năng lượng cần tồn để tách nuclon đó khỏi hạt nhân mà không truyền thêm cho nó động năng. Trong trường hợp đầu bài, khi tách nơtron khỏi hạt 8O17 thì còn lại đồng vị 8O16. Sự thay đổi khối lượng sau khi tách nơtron khỏi hạt nhân sẽ là: ∆m = ( M + m ) - M O16 n O17 Do đó năng lượng liên kết của nơtron trong hạt nhân 8O17 là: ∆E = 931,4 ∆m = 931,4 (15, 99491 +1,008665 – 16,99913) = 4,14 Mev. Vì (E > 0 nên có thể kết luận 8O17 không có khả năng phân chia làm phóng ra nơtron, hay gây ra phóng xạ (- 55 56
29. * Bài tập tự giải : 1.1. a) Có bao nhiêu proton và nơtron trong các hạt nhân của sáu đồng vị của cacbon : 10 11 12 13 14 15 666666C, C, C, C, C, C b) Xác định bán kính của hạt nhânĠ, biết rằng Ro=1,4.10-15m. 1.2. Bán kính của hạt nhân Urani 92U238 lớn hơn bán kính của proton bao nhiêu lần? 1.3. Hạt nhân H có số khối A = 1, số thứ tự Z =1 vậy số proton, nơtron trong hạt nhân đó là bao nhiêu ? 1.4. Tính kích thước của hạt nhân : 1 - Hydro 1H - Nhôm 13Al27 Biết Ro = 1, 4. 10- 15m 1.5. Xác định các số điện tích số nuclon và kí hiệu hóa học của các hạt nhân nguyên tử 2He3, 4Be7, 8O15, nếu thay proton bằng nơtron và nơtron bằng proton. 1.6. Tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của: 6C12, 8O16, 3Li7. 1.7. Tính năng lượng liên kết riêng của 6C12 và 3Li7. So sánh độ bền vững của hai hạt nhân này. 1.8. Tìm năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân 13Al27 và 79Au197 (cho biết m của Au : 196,966 đvKlnt). 1.9. Tìm năng lượng liên kết của hạt nhân 10N20 (m = 19,9924 đvklnt). 1.10. Năng lượng liên kết của hạt nhân Cl35 là – 298 Mev. Hãy tìm khối lượng của nó theo đvklnt. 1.11. Chứng tỏ rằng một độ hụt khối bằng 1 đvklnt thì ứng với năng lượng 931 Mev, từ đó suy ra công thức (E = ( 931 (m. 1.12. Khí clo là hỗn hợp của 2 đồng vị bền là Cl35 với khối lượng nguyên tử 34,969 hàm lượng 75,4% và Cl37 với khối lượng nguyên tử 36,966 hàm lượng 24,6%. Tính khối lượng nguyên tử của nguyên tố hóa học Clo. 1.13. Nguyên tố hóa học Bo là hỗn hợp của hai đồng vị có khối lượng nguyên tử tương ứng là 10,013 và 11,009. Mỗi đồng vị đó có hàm lượng bao nhiêu trong Bo tự nhiên? Biết khối lượng nguyên tử của Bo là 10,811. 1.14. Tính năng lượng liên kết của các hạt nhân 5B11 và 1T3. 1.15. Tính năng lượng liên kết của các hạt nhân 92U235 và 92U238. Hạt nhân nào bền hơn? 1.16. Tính năng lượng liên kết ứng với một muclon trong các hạt nhân Beri 4Be9, đồng 108 29Cu64, bạc 47Ag . 1.17. Xác định năng lượngcần thiết để bứt một nơtron ra khỏi hạt nhân của đồng vị 11Na13. 1.18. Muốn tách hạt nhân 2He4 ra làm hai phần bằng nhau thì cần một năng lượng nhỏ nhất là bao nhiêu? Tương tự, xét trường hợp tách hạt nhân 6C12 ra ba phần bằng nhau. 1.19. Mặt trời có bán kính RT = 6,95.108m và mật độ khối lượng trung bình (T = 1410 kg/m3. Bán kính của nó sẽ bằng bao nhiêu nếu kích thước của mặt trời thu nhỏ lại để mật độ khối lượng của nó bằng mật độ khối lượng chất hạt nhân. 1.20. Tính năng lượng tương tác do lực đẩy Coulomb giữa hai proton trong hạt nhân 2He3 với giả thiết khoảng cách giữa chúng bằng bán kính hạt nhân. 1.21. Năng lượng liên kết của 2He3 và 1H3 khác nhau bao nhiêu? 57 58
30. 1.22. Tìm năng lượng liên kết tính cho một muclon ở các hạt nhân a) 20Ca40 202 b) 80Hg 1.23. Tính năng lượng cần thiết để tách hạt nhân 8O16 ra thành 4 phần bằng nhau. 1.24. a) Năng lượng liên kết của hạt nhân 39Y89 bằng bao nhiêu, biết khối lượng nguyên tử của nó là 88,93421u. b) Tính năng lượng liên kết riêng của nó ra jun. c) Cần bao nhiêu Kmh để tách các hạt nhân trong 1 gam 39Y89 ra thành các nuclon riêng rẽ? 1.25. Phải tốn một năng lượng bao nhiêu để đưa ra khỏi hạt nhân 8O16 . a) Một nơtron b) Một proton, vì sao có sự khác nhau? 59 60
31. Chương II : PHÂN Rà PHÓNG XẠ * Tóm tắt lý thuyết : 1. Qui tắc chuyển dịch: - Phân rã ( : A 4 A-4 ZX  2He + Z-2Y - Phân rã (- : A - o o ZX  -1e + Z+1Y - Phân rã (+ : A + o o ZX  +1e + Z-1Y - Phân rã ( : Quá trình biến đổi nội A A ZY * γ ZY + γ 2. Giải thích hiện tượng phóng xạ: - Phân rã ( : Giải thích bằng hiệu ứng đường ngầm: Nhóm hạt ( (2p + 2n) có sẵn trong hạt nhân nặng nhưng như hạt nằm trong hố thế và sự thoát ra của nó chỉ giải thích được bằng hiệu ứng đường ngầm. - Phân rã ( : - 1 1 o o *  : on 1p + -1e + oν% + 1 1 o o *  : 1p on + +1e + oν - Phân rã ( : Hạt nhân mẹ khi phân rã biến thành hạt nhân con Y. Hạt nhân này ở trạng thái kích thích Y*. Khi trở về trạng thái cơ bản nó phát ra bức xạ (. 3. Các định luật phóng xạ và các đại lượng liên quan : * N = No e-(t ( định luật xây dựng lý thuyết( trong đó : No : Số hạt nhân có khả năng phân rã phóng xạ tại thời điểm ban đầu. N: Số hạt nhân có khả năng phân rã phóng xạ tại thời điểm t. ( : Hằng số phân rã phóng xạ :Ġ t : thời gian. * A = Ao e-(t ( định luật rút ra từ thực nghiệm( Trong đó : Ao Hoạt động phóng xạ (số hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian) tại thời điểm ban đầu. A : Hoạt động phóng xạ tại thời điểm t. * Mối liên hệ giữa A và N : A = (N (Do A =Ġ: định nghĩa) * Chu kỳ bán rã T : A N A (T) = o ; N (T) = o 2 2 Liên hệ giữa T và ( : ln 2 0,693 T = T == λλ * Thời gian sống trung bình : 11∞ τ=∫ λTNdt = = 1,44T No o λ * Những công thức biến đổi : A N Š A (nT) = o ; N (nT) = o 2n 2n t t − − T T Š A = A2o ; N = N2o 61 62
32. t t − − τ τ Š A = Aeo ; N = Neo A Š A (to + T) = (t ) 2 o N(to ) Š N (to + T) = 2 ( Công thức gần đúng : ĉ nếu (t > TB) λB NB (t) = λA NA (t) 5. Đơn vị đo phóng xạ : * Hoạt độ phóng xạ trong một giây : Becquerel (Bq) * Curie (Ci) = 3,7.1010 phân rã /s. * Ngoài ra còn có các đơn vị đo phóng xạ thông qua tác động của nó đến cơ thể như : Rơnghen (R), Rad, Rem, Gray (Gy), liều hấp thụ D, liều tương đương H, hệ số phẩm chất Q 6. Các công thức suy rộng : * Định luật phóng xạ đối với khối lượng : -λt m = mo e Trong đó : mo : khối lượng chất phóng xạ tại thời điểm ban đầu. m : khối lượng chất phóng xạ tại thời điểm t. * Tính số hạt nhân N trong M (gam) của một chất. ⎛⎞1g.mol 23 ng.töû N = M (g).⎜⎟.(6,023.10 ) ⎝⎠A g.mol M hay N = .6,023.1023 A * Tính hoạt độ phóng xạ (trong 1s) của M gam chất phóng xạ: M a = . 0,693.6, 023.1023 A.T Chú ý : A : Số khối của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. * Bài tập hướng dẫn : 1. Hạt nhân không bền vững 62Sm147 phân rã và phát ra hạt (. Xác định sản phẩm phân rã là hạt nhân gì ? Giải : ( Theo qui tắc chuyển dịch ta có : A 4 A-4 ZX α 2He + Z-2Y 147 4 143 Hay 62Sm α 2He + 60Y Tra bảng tuần hoàn ta thấy 60Y143 là nguyên tố Nd Ta viết lại phương trình như sau : 63 64
33. 147 4 143 62Sm α 2He + 60Nd 2. Tìm hoạt độ phóng xạ của 1 gam 88Ra226, biết chu kỳ bán rã của nó là 1620 năm Giải : - Số nguyên tử trong một gam radi là : ĉng.tử - Theo hệ thức giữa ( và T ta có: 0,693 0,693 1naêm 1ngaø λ= = ( )( )( ) T 1622naê 365ngaø 8,64.104 = 1,355. 10-11. s-1 - Hoạt độ phóng xạ của mẫu là: A = λN = (1,355. 10-11.) (2,66. 1021) = 3,612. 10-10 phân rã /s. Giá trị tính được xấp xỉ bằng 1curie. Tức đơn vị đo hoạt động phóng xạ curie. 1Ci = 3,7. 10-10 phân rã /s. Vậy 1Ci chính là hoạt độ phóng xạ của 1 gam Ra. 3. Tìm thời gian cần thiết để 5mg Na22 lúc đầu (T = 2,6 năm) còn lại 1mg. GIẢI : Ta có : m = mo e-(t m hay : o = eλt m m Hay : λt = ln o m Theo đầu bài cho T, ta sử dụng hệ thức : ( =Ġ Thế vô ta được : T mm t.ln1,44Tln==oo ln 2 m m Thế số vô ta được : t = 1,44. 2,6. ln5 = ( 6,04 năm. Chú ý : Ta có thể dễ dàng suy ra các công thức sau : N t = 1,44. T. ln o N A hay t = 1,44. T. ln o A 4. Một mẫu KCl nặng 2,71 gam nằm trong một kho hóa chất được tìm thấy là chất phóng xạ có tốc độ phân rã không đổi là 4490 phân rã/s. Phân rã này được dùng để đánh dấu nguyên tố Kali, đặc biệt là K40, đồng vị chiếm 1,17% trong Kali thông thường. Tính chu kỳ bán rã của đồng vị này. Cho khối lượng phân tử của KCl là 74,6g/mol. Giải : Khối lượng phân tử của KCl là 74,6g/mol. Vậy số nguyên tử K trong mẫu này là : NK =Ġngtử Trong số các nguyên tử Kali này số K40 chiếm 1,17% sẽ là : 22 N40 = (2, 19. 10 ). (1,17%) = (2, 19. 1022). (0,0117) = 2, 56. 1020 Theo định nghĩa ( ta có : dN / dt 4490s−1 λ= = =1,75.10−17 s− 1 N 2,56.1020 Suy ra chu kỳ bán rã của Thori là : 65 66
34. ln 2 (ln 2)(1naê / 3,15.107 s) T = = λ 1,75.10−−17 s 1 = 1, 25. 109 năm Chú ý : Trong bài toán này ta đã đổi thời gian 1 năm = 3,15.107s. 5. Để đo chu kỳ bán rã của chất phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn người ta dùng máy đếm xung. Trong thời gian 1 phút đếm được 250 xung. Nhưng 1 giờ sau khi đo lần nhất, chỉ đếm được 92 xung trong 1 phút. Xác định hằng số phân rã và chu kỳ bán rã của chất phóng xạ. Giải : Gọi n1 – số hạt đếm được trong 1 phút đầu n2 – số hạt đếm được trong 1 phút ở lần sau. Theo đầu bài ta có : -λ∆t n1 = k. ∆N1 = k N1 (1–e ) -λ∆t n2 = k. ∆N2 = k N2 (1–e ) với (t = 1 phút (đầu bài) k = Hệ số tỷ lệ, không đổi so với 1 dung cụ đo N1 = Số hạt nhân có ở thời điểm ban đầu của lần đo 1. N2 = Số hạt nhân có ở thời điểm ban đầu của lần đo thứ 2. Theo định luật phóng xạ ta có : -λt N2 = N1e Từ đó : −λ∆t nN(1e)11− λt ==−λtt −λ∆ e nNe(1e)21 − 1n Hay λ = .ln 1 tn2 Thay số ( =Ġgiờ Chu kỳ bán rã sẽ là : T = Ġ giờ hay 0,693. 60 phút = 41,5 phút * Bài tập tự giải : 2.1. Do phân rã phóng xạ mà 92U23p biến thành chì 82Pb206. Hỏi quá trình trải qua bao nhiêu phân rã (, β ? 2.2. Tìm xác suất phân rã của hạt nhân phóng xạ trong khoảng thời gian T, nếu biết hằng số phân rã (. 2.3. Tính xem bao nhiêu phần trăm hạt nhân phóng xạ bị phân rã trong khoảng thời gian t = ( (với ( là thời gian sống trung bình). 2.4. Hãy rút ra định luật thay đổi khối lượng chất phóng xạ theo thời gian. 2.5. Có bao nhiêu phần của mẫu Radi (Ra) bị phân rã trong 3240 năm, nếu biết chu kỳ bán rã của nó T = 1620 năm. 2.6. Xét mẫu chứa 1000 hạt nhân phóng xạ với chu kỳ bán rã T. Hỏi sau khoảng thời gian t = Ġ còn lại bao nhiêu hạt nhân. 2.7. Mẫu phóng xạ chứa 1012 nguyên tử phóng xạ trong 1s có bao nhiêu phân rã, nếu T = 1 giờ. 2.8. Thời gian sống trung bình của Radi là ( = 2.400 năm. Xác định chu kỳ bán rã của nó. 2.9. Tìm chu kỳ bán rã của Thôri (th) biết rằng sau 100 ngày độ phóng xạ của nó giảm đi 1,07 lần. 67 68
35. 2.10. Xác định hằng số phân rã phóng xạ ( của Co58 biết rằng số nguyên tử của nguyên tố ấy cứ mỗi giờ giảm đi 3,8%. 2.11. Trong 1 gam U238 xảy ra 1,2. 104 phân rã trong 1s. Hỏi hằng số phân rã và thời gian sống trung bình của U238 bằng bao nhiêu? Chu kỳ bán rã bằng bao nhiêu? 2.12. Nguồn phóng xạ Co60 có chu kỳ bán rã T = 4 năm. Lúc đầu mỗi ngày có 1014 hạt nhân của nguồn bị phân rã. Hãy tính số hạt nhân của nguồn bị phân rã trong 2 ngày sau 8 năm. 2.13. Ban đầu có 200 gam Radi. Hỏi sau 300 năm, lượng Radi còn lại là bao nhiêu? Cho biết thời gian sống trung bình của Radi là ( = 2.400 năm. 2.14. Sau 500 năm có 10g Radi bị phân rã. Hỏi lượng Radi ban đầu là bao nhiêu ? Cho ( = 2.400 năm. 2.15. Bao nhiêu phần lượng ban đầu của Sr90 có chu kỳ bán rã T= 20 năm. a) Còn lại sau 10 năm, 100 năm b) Phân rã trong 1 ngày. 2.16. Cho biết chu kỳ bán rã T của Pu239 là 24.000 năm. Tính số phân rã của 1g chất đó trong 1s và đổi ra milicuri. 2.17. Tìm hoạt độ phóng xạ sau 106 năm của nguồn U238, cho biết khối lượng của Uran là 1g và T = 4,5. 109 năm. 2.18. Xác định tuổi của quặng Uran cho biết trong quặng có cứ 10 nguyên tử Uran thì 2 nguyên tử chì. Cho T = 4,5. 109 năm. 2.19. Xác định tuổi trái đất, cho biết tỉ số giữa các hạt nhân U235 và U238 là : 235 N1u 238 = Nu 140 Với chu kỳ bán rã : TU235 = 7,13.108 năm TU238 = 4,5.109 năm 2.20. Người ta dùng các hạt nhân phóng xạ 6C14 để xác định tuổi của vật cổ. Nếu biết đối với 1g C14 vừa mới chế tạo được máy đếm ghi 17,5 phân rã/s thì vật cổ mới đào lên chứa 1g C14 máy đếm ghi được 350 phân rã/40s có tuổi là bao nhiêu? Cho T = 5570 năm. 2.21. Một mảnh xương nặng 18g trong một ngôi mộ cổ cho thấy có chứa C14 với hoạt độ 112 phân rã trong 1 phút. Hỏi vật chất hữu cơ này đã chết bao lâu, biết rằng thực vật sống có hoạt động phóng xạ từ C14 là 12 phân rã/g-phút? Cho T=5568 năm. 2.22. Một mảnh gỗ lấy từ một chiếc thuyền vỡ tìm thấy có hoạt độ phóng xạ C14 là 3 phân rã/phút. Một lượng gỗ mới tương đương cho tốc độ đếm xung là 14 xung/phút. Biết T=5568 năm. Hãy tính tuổi chiếc thuyền cổ. 2.23. Xác định hoạt độ phóng xạ của 10g U238 biết hằng số phân rã của nó là ( = 4,84. 10- 18’/s. 2.24. Một cây sống có hoạt độ phóng xạ bởi C14 là 15,3 phân rã/g-phút. Một mẫu cây chết tìm thấy có hoạt độ phóng xạ 17 phân rã/phút cho 5g. Xác định niên đại của cây đã chết. Cho T = 5730 năm. 2.25. Sau 1 năm lượng ban đầu của một chất phóng xạ giảm đi 3 lần. Nó sẽ giảm đi bao nhiêu lần sau 2 năm ? 2.26. Sau thời gian bao lâu thì chất phóng xạ giảm 1/3 lượng ban đầu của các hạt nhân, nếu chu kỳ bán rã là 25 giờ. * Một số đề thi tuyển sinh đại học : 69 70
36. 2.27. Một lượng chất phóng xạ Radon (Rn222) có khối lượng ban đầu là m0=1mg. Sau 15,2 ngày thì độ phóng xạ của nó giảm đi 93,75%. Tính chu kỳ bán rã T của Ra và độ phóng xạ của lượng chất phóng xạ còn lại. Cho số Avogadro NA=6,023. 1023 nguyên tử/mol. 2.28. 79Au200 là một chất phóng xạ. Biết độ phóng xạ của 3.10-9kg chất đó là 58,9G. a) Tìm chu kỳ bán rã. b) Hỏi sau bao lâu lượng chất phóng xạ giảm đi 100 lần? 10 Cho 1 Ci = 3,7. 10 Bq 23 -1 NA = 6,023. 10 mol Ln2 = 0, 693 ln 10 = 2,3. 2.29. Một tượng gỗ có độ phóng xạ chỉ bằng 0,8 độ phóng xạ của một khúc gộ cùng khối lượng mới chặt xuống. Biết tượng gỗ phóng xạ (- từ C14 ( chu kỳ bán rã T = 5600 năm). Hãy tính tuổi của tượng. Cho ln 0,8 = - 0,2232. 2.30. Khi phân tích một mẩu gỗ người ta xác định rằng 87,5% số nguyên tử đồng vị phóng xạ C14 đã bị phân rã thành 7N14. Xác định tuổi của mẩu gỗ, biết chu kỳ bán rã của 6N14 là T= 5570 năm. 2.31. Lúc đầu có một mẫu Poloni 84Po210 nguyên chất là chất phóng xạ có chu kỳ bán rã 138 ngày. Các hạt Poloni phát ra tia phóng xạ và chuyển thành hạt nhân chì 82Pb206. Hỏi Poloni phát ra các loại phóng xạ nào? Tính tuổi của mẫu trên nếu lúc khảo sát khối lượng chất Poloni lớn gấp 4 lần khối lượng chì. 2.32. Để đo chu kỳ bán rã của một chất phóng xạ người ta cho máy đếm xung bắt đầu đếm từ thời điểm to= 0. Đến thời điểm t1 = 2giờ máy đếm được n1 xung. Đến thời điểm t2=3t1 máy đếm được n2 xung, với n2 = 2,3 n1. Xác định chu kỳ bán rã của chất phóng xạ này. 71 72
37. Chương III: TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN * Tóm tắt lý thuyết : 1. Các tương tác hạt nhân : * Tán xạ đàn hồi : a + X ( X + a * Tán xạ không đàn hồi : a + X ( X* + a' * Phản ứng hạt nhân : a + X ( Y + b hay : X (a, b) Y - Tiết diện hiệu dụng của phản ứng hạt nhân : ĉ (c : mật độ dòng của hạt c = n. v) 2. Một số định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân : a) Định luật bảo toàn năng lượng. Hiệu ứng năng lượng. (Etoàn phần trước = (Etoàn phần sau hay ΣWt + ΣD+ = ΣWs + ΣDs trong đó : (W : Tổng nội năng của hạt Wi = mi c2 m : khối lượng nghỉ của hạt c : vận tốc ánh sáng (D : Tổng động năng của hạt. Hiệu ứng năng lượng : Q = ΣWt - ΣWs = ΣDs - ΣDT Nếu Q tính qua nội năng : 2 Q = c [ Σmt - Σms] Q(Mev) = 931,4 ( (mT - (ms( với m tính qua u Với : Q ( 0 : phản ứng tỏa nhiệt Q ( 0 : phản ứng thu nhiệt Q = 0 : phản ứng được coi như va chạm với đàn hồi. - Trường hợp tự phân rã của một hạt đứng yên : ΣDT = 0 → Q > 0 → ΣmT > Σms + Chú ý : ( : là dấu lấy tổng theo các hạt tham gia. - Năng lượng ngưỡng của phản ứng thu nhiệt : NmAa+ Wn = Q MA Trong đó : Wn : Năng lượng ngưỡng MA : Khối lượng hạt nhân A (số khối) ma : Khối lượng hạt đạn a Q : Hiệu ứng năng lượng - Năng lượng kích hoạt của phản ứng dây chuyền : 2 2/3 Z Wt = 0,18A (5,2 – 0,117 ) Mev A Trong đó : A : Số khối Z : Số thứ tự của hạt nhân phân hạch. b) Định luật bảo toàn năng lượng (hay xung lượng). urur ∑∑PPTS= 73 74
38. ur P : Xung löôïng cuûa haït Chú ý : Xung lượng là một đại lượng có hướng. Trong khuôn khổ giáo trình này, mặc dù hạt nhân là các hạt vi mô nhưng ta có thể áp dụng qui tắc cộng vectơ thông thường. Các trường hợp đặc biệt : - Nếu là va chạm đàn hồi trực diện giữa các hạt nhân thì phương chuyển động trước và sau va chạm không thay đổi, cùng nằm trên một đường thẳng, chỉ đổi hướng. Vì vậy ta có thể viết định luật dưới dạng vô hướng, chú ý qui định dấu : ΣPT = ΣPS - Trường hợp hạt nhân đứng yên trước tương tác, hạt đạn a có xung lượng Pa và sau va chạm các hạt có xung lượng Py, Pb. Các xung lượng này tạo thành một tam giác, bài toán trở nên đơn giản hơn. Chú ý : Trong các bài toán sơ cấp chỉ cần tính đến 2 định luật bảo toàn trên là đủ và cần phối hợp chúng thành một hệ phương trình. c) Các định luật bảo toàn khác của phản ứng hạt nhân : - Bảo toàn mô men động lượng :Ġ - Bảo toàn số nuclon : (AT = (As - Bảo toàn diện tích : (ZT = (Zs Ngoài ra còn có các định luật bảo toàn khác như : bảo toàn spin, bảo toàn các tích (lepton, barion ) bảo toàn số lạ, chẵn lẻ v.v , tùy thuộc vào tính chất phức tạp của phản ứng. * Bài tập hướng dẫn : 1. Tính hiệu ứng năng lượng trong các phản ứng hạt nhân: 7 1 4 4 a) 3Li + 1H → 2He + 2He 14 4 17 1 b) 7N + 2He → 80 + 1H Giải : a) Ta có : Q = 931,4 (ΣmT - ΣmS) = 931,4 (mLi + mH – 2mHe) = 931,4 (7,01601 + 1,007825 – 2.4,0026) = 17,35 Mev Q ( 0 : Phản ứng tỏa nhiệt. b) Q = 931,4 (mN + mHe - m0 - mH) = 931,4 (14,00307 + 4,0026 – 16,99914 – 1,007825) = - 1,21 Mev Q ( 0 : Phản ứng thu nhiệt. 2. Tìm ngưỡng của phản ứng hạt nhân : C12 (d, n) N13 Giải : Ta có : Wn =Ġ Tính Q : Ta có Q = 931,4 (mc + md - mn – mN) = 931,4 (12 + 2,014 – 1,008665 – 13,00574) = - 0,35 Mev 12+ 2 Wn = 0,35 = 0,4 Mev 12 3. Chùm proton đơn năng có động năng 1 Mev bắn vào một bia Li, sau đó có phản ứng : 7 1 4 4 3Li + 1H → 2He + 2He Tìm động năng của mỗi hạt ( và góc giữa các phương bay của chúng, nếu 2 hạt bay ra đối xứng với phương tới của chùm proton. 75 76
39. Giải : Ta có : Q = (Ds - (DT = 2Dα - Dp Từ đó Ġ Tính Q : Ta có Q = 931,4 (mLi + mH - 2mHe) = 17,35 Mev (xem bài 1) Thay vào :Ġ Theo giả thiết, 2 hạt ( bay đối xứng ur với phương của chùm proton (hình vẽ) Pα do đó ta có định luật bảo toàn xung lượng θ như sau : 2 ur θ Pp ur PP Pcos. = Pα α 22 Trong đó : Pp và P( là xung lượng của hạt proton và hạt (; ( là góc hợp bởi phương của 2 hạt ( : - Ta có biểu thức liên hệ giữa động năng và xung lượng : P2 = 2mD Thay vô : θ 2m D .cos= 2m D αα 2 pp Từ đó θ 1 m.D cos = pp 22m.Dαα Thay số θ 11 cos = 2 2 4.9,17 Suy ra : θ = 1700 30’ 4. Xác định động năng của 2 hạt nhân Hydro 1H1 bắn vào nhau và nhiệt độ chuyển động nhiệt tương ứng của nó để có thể xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, là nguồn gốc năng lượng của mặt trời, biết bán kính hiệu dụng của 1H1 là R = 0,8 fm. Giải : Vì hai hạt 1H1 đứng yên tức thời: khi chúng vừa chạm nhau nên động năng ban đầu của chúng chuyển đổi Ro Ro hoàn toàn thành thế năng tĩnh điện (theo định luật bảo toàn cơ năng trong va chạm). Vì khoảng cách giữa 2 tâm của chúng là 2R ta có : q q e210 (4,8.10− ) 2E = ===12 2R 2R 2.0,8.10−13 77 78
40. E = 7,2.10-7 erg 7,2.10−7 Hay E = ==≈450Kev 0,5Mev 1,6.10−9 Đây là động năng mà mỗi hạt proton cần có để thắng lực đẩy Coulonb và tương tác với nhau, tạo thành He. Người ta còn gọi đây là độ cao của bờ thế Coulond của proton. - Người ta đã chứng minh được rằng trong plasma cân bằng nhiệt độ ứng với động năng của hat chuyển động với vận tốc xác có suất lớn nhất được tính bằng công thức : E = kT Trong đó k : hằng số Bolztmann = 1,38.10-16erg/K0 E Suy ra T = k Vậy nhiệt độ của Plasma gồm các proton có động năng E như trên sẽ là : 7,2.10−7 erg T = =5, 2.109o K 1,38.10−16 erg / K o Nhiệt độ này là cỡ cả tỉ độ kelvin. Tuy nhiên, trong thực tế chỉ cần nhiệt độ có chục triệu kelvin (107K) là có thể xảy ra phản ứng. Nhiệt độ ở tâm mặt trời vào cở 15. 107K). 5. So sánh năng lượng tỏa ra trong lò phản ứng hạt nhân bằng phân hạch Uran U235 và trong bom khinh khí, tổng hợp các hạt Dơteri, nếu cùng một lượng nguyên liệu là 1kg? Tính ra Kwh. Cho biết sự phân hạch của một hạt nhân Uran tỏa ra 200Mev và sự tổng hợp Dơtri 1D2 + 1D2 ( 2He4 tỏa ra 23,8Mev. Giải : Năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1kg U235 là : 26− 13 6,023.10 .200.1,6.10 7 E1 = = 2,3.10 Kwh 235.3,6.106 Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 2 hạt 1D2 để thành một He là: 26− 13 6,023.10 .23,8.1,6.10 7 E2 = =15,9.10 Kwh 2.2.3,6.106 Như vậy năng lượng tỏa ra khi tổng hợp hạt nhân lớn hơn khi phân hạch (cở 160 triệu Kwh và 23 triệu Kwh cho 1kg nguyên liệu). Gấp gần 7 lần. Chú ý : 1kwh = 1000Ġ. 3600s = 3,6.106J * Bài tập tự giải : 3.1. Khi bắn nơtron vào hạt nhân 7N14 ta thu được 6C14. Viết phương trình của phản ứng. 3.2. 2 phản ứng sau đây phản ứng nào có thể xảy ra : 7 1 4 a) 3Li + 1H → 2He 14 4 17 1 b) 7N + 2He → 80 + 1H 3.3. Phản ứng phân chia dơton bằng ( được viết : 2 1 1 1H + γ = 1H + on Tính khối lượng của nơtron, biết năng lượng của ( = 263 Mev, động năng của proton tạo thành theo sự ion hóa của chúng là 0,22 Mev. Động năng của nơtron coi như bằng động năng của proton. 3.4. a) Quá trình phân rã sau đây có tự xảy ra được hay không? 4Be9 = 2H4 + on1 b) Thử xác định năng lượng nhỏ nhất của lượng tử ( để có thể xảy ra phản ứng : 4Be9 + ( 1 = 2H4 + on 3.5. Xác định năng lượng nhỏ nhất của lượng tử ( phải có để làm cho phản ứng sau có thể xảy ra : 12 4 6C + γ → 32H 79 80
41. 3.6. Thử khảo sát xem hạt nhân uran có số khối A có thể vở thành 2 mảnh (2 hạt nhân) có số khối là A1 , A2 sao cho : A1 + A2 = A ; Z1 + Z2 = Z ; A1 ( A2 ; Z1 ( Z2 được không? 3.7. Xác định hiệu ứng năng lượng của các phản ứng sau : a) Li7 (p, n) Be7 c) Li7 (α, n) B10 b) Be9 (n, γ) Be10 d) 016 (d, α) N14 3.8. Tính năng lượng của các phản ứng nhiệt hạt nhân dùng Dơtêri làm nhiên liệu sau đây : 2 2 3 1 2 3 4 1 a) 1H + 1H → 1H + 1H c) 1H + 2He → 2H + 1H 2 2 3 1 2 3 4 1 b) 1H + 1H → 2He + on d) 1H + 1H → 2H + on 3.9. Tính các rào Coulomd của các hạt nhân 8016, 41Nb93, 83Bi209 đối với một proton. 3.10. Xem bài toán 3.9. So sánh rào Coulomd với năng lượng ngưỡng trong các trường hợp sau : 16 15 93 92 209 208 80 (p,d) 80 , 41Nb (p,d) 41Nb , 83Bi (p,d) 83Bi 3.11. Người ta dùng hạt đạn Dơton (d) có năng lượng là 0,6 Mev bắn phá vào một bia có chứa đơteri. Hãy tính năng lượng của nơtron bắn ra từ đơteri theo phương vuông góc với phương của vận tốc đơton đạn. 3.12. Giả sử hạt nhân 2He4 với động năng ban đầu là 1 Mev đến va chạm đàn hồi với hạt nhân 3Li6 (ban đầu xem như đứng yên) sau khi va chạm hạt nhân li ti nhận động năng chuyển động về phía trước bị lệch đi một góc 300 so với phương chuyển động ban đầu của Heli. Hãy tính động năng mà hạt nhân Liti nhận được sau va chạm. Cho các khối lượng : mHe = 4dvklnt (4u) mLe = 6dvklnt (6u) 3.13. Proton có bước sóng ( = 0,017Ao tán xạ đàn hồi dưới một góc ( = 900 so với hạt nhân đứng yên có khối lượng gấp 4 lần nó. Tìm bước sóng DơBrơi của proton sau tán xạ. 3.14. Trong sự va chạm đàn hồi giữa nơtron và proton cứ mỗi lần va chạm nơtron truyền cho proton bao nhiêu phần đõng năng, nếu sau khi va chạm nơtron bị lệch đi khỏi hướng ban đầu một góc 450 cho khối lượng 2 hạt là như nhau. 3.15. Bài trên là cách thu nhận nơtron chậm bằng cách cho nơtron nhanh đi qua những chất chứa Hydro (như paraphin ) nếu động năng ban đầu của nơtron là Eo = 4,6 Mev thì sau bao nhiêu lần va chạm nó sẽ giảm xuống 2,3 Mev? 3.16. Khi phân hạch 1g U235 có bao nhiêu năng lượng (tính ra erg) được tỏa ra? Cho khối lượng nghỉ của Uran là 2,2.105 Mev và cứ mỗi động tác phân chia 1 hạt nhân Uran tỏa ra khoảng 200 Mev? 3.17. Tính số nhiên liệu tiêu phí 1 ngày đêm (24h) cho một lò phản ứng hạt nhân công suất 200MW, nhiên liệu dùng là Uran làm giảm với hàm lượng U235 là 20kg/tấn, thêm vào đó là hiện tượng bắt nơtron khi phân chia chiếm 85% toàn bộ số hạt nhân. 3.18. Hãy xác định năng lượng tỏa ra trong bon khinh khí khi tổng hợp được 1g He, nếu biết phản ứng xảy ra trong bom khinh khí là : 3 2 4 1 1T + 1D → 2He + on 3.19. a) Có bao nhiêu năng lượng tỏa ra trong quá trình phân chia 1kg 92Uran U235 trong lò phản ứng hạt nhân? b) Cần phải đốt một lượng than bằng bao nhiêu để có thể có một lượng nhiệt như thế, biết năng suất tỏa nhiệt của than bằng 2,93.107J/kg ? 3.20. Trong phản ứng 7N14 ((, p) động năng của hạt ( bằng W1=7,7 Mev. Xác định góc giữa các phương chuyển động của hạt ( và của proton cho biết động năng của proton là W2 = 8,5 Mev. 81 82
42. 3.21. Tính năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1kg Hidro thành Heli biết cứ mỗi hạt nhân Heli được tạo từ 4 Hydro tỏa 4,2.10-12J. 3.22. Tính năng lượng tỏa ra trong các chu trình p – p (proton – proton) và chu trình Cacbon của mặt trời. 3.23. Biết rằng cứ 1g hạt nhân Hydro trong phản ứng nhiệt hạch chuyển hoàn toàn thành các hạt nhân Heli thì bị hụt đi 1% khối lượng. Tìm năng lượng giải phóng khi 4 hạt nhân Hydro tổng hợp thành 1 hạt Heli. 3.24. Nếu năng lượng mặt trời đươc tạo ra theo chu trình Cacbon, hãy tính : a) Lượng Hydro biến thành Heli sau mỗi giây, nếu biết công suất của chu trình trên là 3,9.1026w (hay cho hằng số mặt trời là 1,96 cal/cm2. Phút). b) Mỗi năm mặt trời hụt đi một khối lượng là bao nhiêu? Tính ra kg và so sánh với khối lượng mặt trời. Cho khối lượng mặt trời là 1,98.1030kg. c) Mỗi năm có bao nhiêu tấn hạt nhân khi được tạo ra và mất đi bao nhiêu tấn Hydro. 3.25. Từ kết quả các bài trên, hãy tính xem dự trữ Hydro của mặt trời đủ dùng trong bao nhiêu năm, nếu cho rằng Hydro chiếm 35% khối lượng mặt trời và coi bức xạ mặt trời là không đổi. Cho khối lượng mặt trời là 1,98.1030kg. 3.26. Mỗi phân hạch hạt nhân 92U235 bằng nơtron tỏa ra một năng lượng hữu ích là 185 ev. Một lò phản ứng công suất 100MW dùng nhiên liệu U235 phải cần bao nhiêu thời gian để tiêu thụ hết 1kg Urani ? 3.27. Tính nhiệt độ cần thiết để tạo ra phản ứng nhiệt hạch trong chất plasma đơteri (hỗn hợp trung hòa gồm e- và các hạt nhân dương đơteri). 3.28. Tính năng lượng được giải phóng khi tổng hợp 2 hạt nhân đơteri thành hạt ( trong phản ứng nhiệt hạch. * Một số đề thi tuyển sinh đại học. 3.29. Bắn phá 147N đứng yên bằng hạt ( có động năng E( thu được hạt proton và một hạt nhân x với mx = 16,99474. Viết phương trình đầy đủ của phản ứng. X là hạt nhân gì? So sánh tổng động năng của các hạt tạo thành với động năng của hạt ( ban đầu và tính độ chênh lệch đó ra Mev. Phản ứng này tỏa hay thu năng lượng ? Cho khối lượng của các hạt nhân mN = 13,999u, mp = 1,0073u, m(=4,0015u với u là đvklnt tính như sau: ⎛⎞Mev u= 931⎜⎟2 ; c laø vaän toác aùnh saùng. ⎝⎠c 3.30. Cho phản ứng hạt nhân : 1 6 on + 3Li T + α + 4,8 Mev a) Tính khối lượng của hạt nhân Li b) Tính năng lượng tỏa ra khi phân tích hoàn toàn 1g Li. Cho mn = 1,0087u; mT = 3,016u ⎛⎞Mev mα = 4,0015u ; u= 931⎜⎟2 ⎝⎠c NA = 6,02.1023 hạt/mol (Bỏ qua động năng) 3.31. Đồng vị 92U234 phóng xạ ( biến thành thori (Th) a) Viết phương trình phản ứng. b) Phản ứng trên tỏa hay thu năng lượng? c) Nếu sản phẩm phóng xạ chỉ có Th và (. (không kèm () thì động năng và vận tốc mỗi hạt ( và Th là bao nhiêu? cho mα = 4,015 u ; mu = 233,9904 u. 2 mTh = 229,9737 u ; u = 931 Mev/c . 3.32. Cho hạt ( có động năng W( = 4 Mev bắn vào hạt nhân nitơ đứng yên gây ra phản 1 ứng : ( + 7N14 → 1H + X 83 84
43. 1) Xác định X 2) Tính năng lượng của phản ứng hạt nhân (theo đơn vị Mev). 3) 2 hạt sinh ra có cùng động năng a) Tìm vận tốc mỗi hạt. b) Tìm góc tạo bởi hai hạt bay ra sau phản ứng : Cho : mα = 4,002603 u ; mN = 14,003074 u mH = 1,007825 u ; mX = 16,99133 u -27 ⎛⎞Mev 1u = 1,66.10 kg = 931,5 ⎜⎟2 ⎝⎠c 3.33. Hạt nhân poloni Ĩ) phóng xạ phát ra một hạt ( và hạt X : 210 84PX o →α+ a) Hãy cho biết cấu tạo của hạt nhân X. Phân rã này tỏa ra bao nhiêu năng lượng? Tính năng lượng này ra Mev. Cho biết: m (Po) = 209,9373 u ; m (X) = 205,9294 u 2 mα = 4,0015 u ; 1u = 931 (Mev/c ). b) Nếu khối lượng ban đầu của mẫu Poloni là 2,1g thì sau 276 ngày sẽ có bao nhiêu hạt ( được tạo thành? Cho biết chu kỳ bán rã của poloni là T = 138 ngày; số Avogadro NA=6,02.1023 hạt/mol. c) Trong phân rã tiêu hạt nhân poloni đứng yên. Hãy tính động năng của hạt ( được tạo thành. 85 86
44. Chương IV: CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ * Tóm tắt lý thuyết I. NGUYÊN TẮC TỪ HYDRO (VÀ CÁC ION TƯƠNG TỰ) a) Phương trình Frodingơ đối với electron trong nguyên tử Hydro (và các ion tương tự) trong trong tọa độ cầu : 2 11∂∂ψ2 ∂ψ 12mZe ∂ψ 2 22(r )+θ+++ψ= (sin ) 2222 (E K ) 0 rr∂∂ r rsin θ∂θ∂θθ∂ψ rsinh r b) Nghiệm của phương trình Frodingơ : Hàm sóng. ψθϕ=θϕ(r, , ) R (r)Y ( , ) n,lll ,m n m Với n : số lượng tử chính n = 1, 2, 3 Ġ Ġ: số lượng phân tử quỹ đạo ĉ = 0, 1, 2 n –Ġ m : số lượng tử từ m = 0,Ġ1,Ġ 2 Ġ Dạng cụ thể của vài hàm sóng : 3 Zr ⎛⎞2 − Z ao R21,0 = ⎜⎟ e ⎝⎠ao Zr 3 − 1Z2 Zr 2ao R()(2)e2,0 =− 8 aaoo r 3 − 1Z2 r 2ro R()()e2,1 = 24 aaoo Với ao – Bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất của H ; ao = 0,53 Ao 1 Y = 0,0 4π 3 Ysin.e=θiϕ 1,1 8π 3 Ycos=θ 1,0 8π 3 Y=θ sin .sin−ϕi 1,− 1 8π c) Xác suất tìm thấy electron theo bán kính : dW=γγ R22 ( ). .dr rnl - Xác suất tìm thấy e theo các gócĠ, ( : 2 dW=θϕθθϕ Y ( , ) sin .d .d θϕ,,ml d) Năng lượng của các trạng thái dừng : Z2 En = - Rhc. n2 e) Mức suy biến : g = 2n2 * Chú ý : Hệ đơn vị đang dùng là hệ CGS. II- CẤU TRÚC CỦA NGUYÊN TỬ PHỨC TẠP : a) Nguyên lý Pauli và hệ quả : 87 88
45. * Số  trên cùng một lớp : là 2n2 n 1 2 3 4 5 6 7 Tên lớp K L M N O P Q Số e- 2 8 18 32 50 72 98 * Số e trên cùng một phân lớp là 2 (IJ + 1) l 0 1 2 3 4 5 Tên phân lớp s p d f g h Số e- 2 6 10 14 18 22 b) Nguyên lý năng lượng tối thiểu : ( Qui tắc xác định mức năng lượng cao thấp : EE n1 ( Sự sắp xếp trạng thái theo thứ tự năng lượng tăng dần : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 6d, 5f, 7p v.v ( Sơ đồ cấu hình của nguyên tử : Phản ánh cách sắp xếp e- trong nguyên tử theo các lớp và phân lớp. * Bài tập hướng dẫn : 1. Khảo sát tự phân bố xác suất tìm thấy e- theo bán kính r trong nguyên tử H ở trạng thái cơ bản : Giải : Ở trạng thái cơ bản (n = 1, l = 0) hàm sóng theo r có dạng : 3 r ⎛⎞1 2 − R(r)R(r)2== eao n,l 1,0 ⎜⎟ ⎝⎠ao Vậy xác suất tìm thấy e- theo bán kính là : 3 2r ⎛⎞− 221 ao 2 dWr == R .r .dr 4.⎜⎟ .e .r .dr ⎝⎠ao Hàm mật độ xác suất : 3 2r − dw⎛⎞ 1 a 2 ρ= =4.e.r⎜⎟ o ` dr⎝⎠ ao Tìm cực trị của hàm : 3 2r 2r ⎡⎤−− d1ρ ⎛⎞⎛ 2 ⎞aa2 =−+4.er2re⎜⎟⎜⎢⎥ ⎟ oo dr⎝⎠⎝ aoo⎢⎥ a ⎠ ⎣⎦ 3 2r − ⎛⎞1ra ⎡ ⎤ =−=4.e2r10⎜⎟ o ⎢⎥ ⎝⎠aaoo ⎣ ⎦ Suy ra : (Ġ ( Cực đại 2r − • e0rao =⇒=∞ − Cöïc • r = 0 ti å Vậy khả năng tìm thấy e- trong nguyên tử Hydrô ở trạng thái cơ bản nhiều nhất là ở vùng bán kính quỹ đạo Bolô thứ nhất, ít nhất (hay không có) là tại tâm nguyên tử (tức hạt nhân) và tại vô cực (tức ở xa hạt nhân nguyên tử). Đối với nguyên tử cơ học lượng tử do tuân theo hệ thức bất định, e- không thể coi là chuyển động trên quỹ đạo như trong cơ học cổ điển. 89 90
46. * Đồ thị mô tả xác suất tìm thấy e- trong nguyên tử H có dạng : ρ 0 a0 = 0.53 A r O ao 2. Viết sơ đồ cấu hình của nguyên tử Seandi (Sc), biết số thứ tự của nó trong bảng tuần hoàn là :Ġ£ = 21. Giải : Theo nguyên lý Pauli ta có thể viết. 1s2 2s22p6 3s23p6 lớp K lớp L lớp M Đến đây theo nguyên lý Pauli lớp M có thể chứa 18e-, nhưng phân lớp 3p chỉ chứa được 6e- vậy phân lớp 3p không thể chứa thêm e-. Đáng lẽ phải chuyển sang phân lớp 3d tức vẫn thuộc lớp 3. Nhưng theo nguyên lý năng lượng tối thiểu thì mức 4s có năng lượng nhỏ hơn mức 3d. Vậy nên e- tiếp theo (tức e- thứ 19), sẽ làm đầy mức 4s, mở đầu cho lớp 4. Phân lớp này chứa được 2 e- cho nên e- tiếp theo (tức e- thứ 20) sẽ làm đầy phân lớp này. Tiếp theo, e- thứ 21 đáng lẽ phải làm đầy tiếp lớp 4p. Nhưng vì lớp 4p có năng lượng nhỏ hơn 3d. Vậy nên e- tiếp theo (thứ 21) sẽ trở về chiếm phân lớp 3d. tóm lại, sơ đồ cấu hình của Sc có dạng : 1s2 2s22p6 3s23p63d1 4s2 K : 2e- L : 8e- M : 9e- N : 2e- = 21e- 3. Nguyên tử Hydro ở trạng thái 1s. Tính xác suất tìm thấy e- trong một hình cầu bán kính r = 0,1 ao (ao là bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất). Giải : Ở trạng thái 1s (n = 1,Ġ= 0, m = 0) hàm ứng của e- có dạng : ψθϕ=1,0,0(r, , ) R 1,0 (r).Y 0,0 ( θϕ , ) r ⎛⎞11− = 2.e.⎜⎟ao ⎜⎟a3 4π ⎝⎠o r 1 − = .e ao 3 πao Hàm sóng ở đây chỉ phụ thuộc r (đối xứng cầu) xác suất tìm thấy e- trong một lớp cầu mỏng nằm giữa 2 bán kính (er + dr) có thể tích dV = 4 (r2dr, sẽ là : 2 r 2 ⎛⎞− 1 ro 2 dW=ψ1,0,0 d.V =⎜⎟ .e .4 π r dr = ⎜⎟πa3 ⎝⎠o 2r 2r −− 14raoo22 =π=33.e .4 r dr .e r dr πaaoo Xác suất tìm e- trong quả cầu bán kính r = 0,1 ao được tính bởi tích phân : 91 92
47. 0,1a 0,1a 2r oo4 − WdW.e.rdr== ao 2 ∫∫a3 ooo 0,1a 2r 4 o − = r.e2 ao .dr 3 ∫ ao o Ta có tích phân mẫu : 1 ∫x2. eaxdx = − (a2x2 + 2ax + 2) e-ax a3 Vậy nên ở đây để áp dụng tích phân mẫu ta đặt a =Ġta có kết quả : 2 3 ⎛⎞− r 444ao 2 a0,1aoo W.=−32⎜⎟ .rr2.e + + 0 a8aooo⎝⎠ a 2 ⎛⎞22 − r 2 a0,1aoo =−⎜⎟2 rr1.e + + 0 ⎝⎠aaoo =−(0,02 + 0,2 + 1).e−0,2 + 1 ==0,0011 1,1.10−3 Bài tập tự giải : 4.1. Tìm hàm mật độ xác suất tìm thấy e- theo bán kính ở trạng thái n = 2,Ġ= 0, m = 0 cho nguyên tử Hydro. 4.2. Nguyên tử Hydro ở trạng thái 1s. a) Tính xác suất w1 tìm thất e- trong hình cầu (0 ; ao) với ao là bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất. b) Tính xác suất w2 tìm thấy e- ngoài hình cầu đó. c) Tìm tỷ sốĠ 4.3. Hàm sóng mô tả e- ở trạng thái 2s làĠ Với Ġ. Xác định những điểm cực trị của một độ xác suất. Vẽ đồ thị củaĠ. 4.4 Viết phương trình Srodingơ với nguyên tử Heli. 4.5. Viết phương trình Srodingơ với phân tử oxy. 4.6. Trong nguyên tử các lớp K, L, M đều đấy. Xác định : a) Tổng số e- trong nguyên tử. b) Số election s, số election p và election d. c) Số election p có m = 0. 4.7. Viết sơ đồ cấu hình đối với các nguyên tử sau ở trạng thái cơ bản : a) Bo b) Cacbon c) Natri 4.8. Viết các số lượng tử đối với tất cả các trạng thái của nguyên tử Hydro có n = 4 vàĠ= 3. 4.9. Nguyên tử Hydro có bao nhiêu trạng thái với n = 5. 4.10. Có bao nhiêu hàm sóng 4 (bậc suy biến) ứng với trạng thái năng lượng n = 3 của nguyên tử Hydro? Hãy viết tất cả các ký hiệu hàm sóng tìm được trong 2 hệ số lượng tử từ đó suy ra mức suy biến là như nhau. 4.11. Viết sơ đồ cấu hình của nguyên tố Argon (Ar, Z = 18) và Krypton (Kr, Z = 36), từ cấu hình đó hãy nhận xét các nguyên tố này được xếp vào họ nguyên tố gì trong lượng tuần hoàn Mendeleep. 4.12. 21 electron của nguyên tố Scandi (Sc) được sắp xếp theo các lớp và phân lớp như thế nào ? 4.13. Sơ đồ cấu hình của nguyên tố Xeji (C5) được ký hiệu như sau : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 6s1. Hãy xác định số lớp, phân lớp số e- trong từng lớp phân lớp và cho biết số thứ tự của nguyên tố này trong bảng tuần hoàn Mendeleep. 4.14. Lớp ứng n = 3 chứa đầy electron, trong đó có bao nhiêu electron : a) cùng có sz = Ġ b) cùng có m = 1 93 94
48. c) cùng có m = -2 d) cùng có sz =Ġ và m = 0 e) cùng có sz =Ġ vàĠ= 2 4.15. Tìm số e- cực đại có thể có trên một lớp vỏ con f (phân lớp) và cho các giá trị tương ứng của m và sz. 4.16. Thiết lập cấu hình của năm khí trở đầu tiên trong bảng tuần hoàn. 4.17. So với các khí trở, số e- trong các kim loại kiềm nhiều hơn một. Viết sớ đồ cấu hình của bốn kim loại kiềm đầu tiên. 4.18. Các Halogen có số electron ít hơn một so với các khí trở. Tìm sơ đồ cấu hình của ba Halogen đầu tiên. 4.19. Sau khi vỏ con (phân lớp) 4s được xếp đầy các e- bắt đầu xếp vào vỏ con 3d. Mười nguyên tố tương ứng tạo thành các nguyên tố chuyển tiếp. Tìm sơ đồ cấu hình đối với 3 nguyên tố đầu của nhóm nguyên tố chuyển tiếp đó (21Sc, 22Ti, 23v). 4.20. Xác định khí trở nếu phân lớp 6p bị lấp đầy : 4.21. Tìm sơ đồ cấu hình của kim loại kiềm hình thành trên cơ sở cấu hình của Xe (Xenon). 4.22. Tìm sơ đồ cấu hình của một Halogen với 1 electron ít hơn so với Xe. 4.23. Các kim loại kiềm thổ có số e- nhiều hơn 2 so với các khí trở tương ứng. Tìm cấu hình của 4 kim loại kiềm thổ đầu tiên. 4.24. Tìm nguyên tố có cấu hình 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. 95 96
49. Chương IV CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 2 r ⎛⎞⎛⎞2 − rrao 4.1. ρ=(r)⎜⎟⎜⎟3 2 − .e ⎝⎠⎝⎠8aoo a a) W1 = 0,324 4.2. b) W2 = 0,676 W c)1 = 2,09 W2 4.3. Xác suất tìm thấy e- trong khoảng ((; (+d() (Ġ Xét hàmĠ ρ 0 0,76 2 5,24 ∞ ψρ()2 ρ2 max max 0 0 0 Mật độ xác suất cực đại tại: ( = 0,76 và ( = 5,24 và bằng không tại : ρ = 0; ρ = 2; ρ = ∞ 4.4. Hàm sóng của hai e- phụ thuộc vàoĠ vàĠ: ĉ Phương trình Sroding có dạng: 2me ∆ψ+∆ψ+12 2 (E − U) ψ= 0 h trong đó: eee222 U =− − + rrr1212 (chú ý: Hệ đơn vị là CGS) 4.5. Các chỉ số : i, j = 1, 2, 3 8 Electron, A, B là hai hạt nhân, ta có hàm sóng:Ġ Phương trình Sroding có dạng: 2me ∆ψ+(E − U) ψ= 0 ∑ i 2 h vớiĠ 4.6. a) 2(12 + 22 + 32) = 28 b) 6 electron s là (1s)2; (2s)2; (3s)2 12 electron p gồm (2p)6; (3p)6 10 electron d gồm (3d)10 c) 4 electron ( có m = 0 gồm (2p)2 và (3p)2 4.7. a) 1s22s22p1 − B; Z = 5 b) 1s22s22p2 C; Z = 6 c) 1s22s22p63s1 Na; Z = 11 4.8. Với n = 4 ta có mức suy biến G = 2n2 = 2.16 = 32, nhưng vớiĠ = 3, chỉ có: g = 2(IJ =1) = 2(2.3+1) = 14 Các trạng thái đo ứng với các số lượng tử sau (viết theo thứ tự n, l, m, sz): 97 98
50. 1 1 4; 3; − 3; 4, 3, − 3; − 2 2 1 1 4; 3; − 2; 4; 3; − 2; − 2 2 1 1 4; 3; − 1; 4; 3; − 1; − 2 2 1 1 4; 3; 0; 4; 3; 0; − 2 2 1 1 4; 3; 1; 4; 3; 1; − 2 2 1 1 4; 3; 2; 4; 3; 2; − 2 2 1 1 4; 3; 3; 4; 3; 3; − 2 2 * Như vậy ứng với n = 4,Ġ = 3 ta có 7 giá trị của m : ( 3, ( 2, (1, 0; 1, 2, 3 và tương ứng với 2 giá trị của sz =Ġ ta sẽ có 14 trạng thái. 4.9. G = 2n2 = 2.25 = 50 4.10. Hướng dẫn : G = 2n2 = 2.9 = 18 có 18 hàm sóng 1) Viết theo hệ số lượng tử n,Ġ, m, sz với n : số lượng tử chính l : soá löôïng töû quó ñaïo töø 0 ñeán n-1 m: số lượng tử từ Ĩ đến ī sz : số lượng tử spin sz =Ġ (hay số lượng tử hình chiếu spin) * Chú ý: một số sách ký hiệu sz là ms. Viết theo hệ số này ta có: n Z l 0 1 2 m 0 −1 0 1 −2 −1 0 1 2 s 1 1 z + − 2 2 * n,Ġ, m, sz là : 1 1 4; 0; 0; 4; 0; 0; − 2 2 1 1 4; 1; − 1; 4; 1; −1; − 2 2 1 1 4; 1; 0; 4; 1; 0; − 2 2 1 1 4; 1; 1; 4; 1; 1; − 2 2 1 1 4; 2; − 2; 4; 2; −2; − 2 2 1 1 4; 2; − 1; 4; 2; −2; − 2 2 1 1 4; 2; 0; 4; 2; 0; − 2 2 1 1 4; 2; 1; 4; 2; 1; − 2 2 99 100
51. 1 1 4; 2; 2; 4; 2; 2; − 2 2 Vậy viết theo cách này có 18 hàm sóng khác nhau. 2) Viết theo hệ số lượng tử n,Ġ, j, mj với: n: số lượng tử chính l : soá löôïng töû quó ñaïo töø 0 ñeán n-1 j : số lượng tử nộiĠ mj : số lượng tử toàn phần : mj từ j đến +j. Ta có những giá trị tương ứng như sau: n z l 0 1 2 j 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 mj 1 1 1 1 1 1 1 1 1 − − ; -1 ; - -1 ;- ; ;1 -2 ;-1 ;- 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ; ;1 ; ;1 ;2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( Ta có các hàm sóng tương ứng như sau: 1 1 1 1 3; 0; ; 3; 0; ; − 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 1; ; 3; 1; ; − 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 1; 1 ; − 1 3; 1; 1 ; − 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 1; 1 ; 3; 1; 1 ; 1 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 2; 1 ; − 1 3; 2; 1 ; − 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 2; 1 ; 3; 2; 1 ; 1 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 2; 2 ; − 2 3; 2; 2 ; − 1 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 2; 2 ; − 3; 2; 2 ; 2 2 2 2 1 1 1 1 3; 2; 2 ; 1 3; 2; 2 ; 2 2 2 2 2 Như vậy, viết theo hệ số lượng tử này ta cũng được 18 hàm sóng khác nhau. Vậy cách viết theo 2 hệ là như nhau. 2 2 6 2 6 Aγ; Z = 18 : 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 6 2 6 10 2 6 Kr; Z = 36 : 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p Đều là khí 4.12. SC; Z = 21 : 1s2 2s22p63s23p64s23d1 4.13. 6 lớp; 12 phân lớp; Z = 55 Số e- trong từng lớp, phân lớp Lớp 1 2 3 4 5 6 Tên K L N O P Q Số e- 2 8 18 18 8 1 Phân s s p s p d s p d s p s lớp Số e+- 2 2 6 2610 2610 26 1 4.14. a) 9 b) 4 c) 2 d) 3 e) 5 101 102
52. 1 4.15. 14 electron; m = ±3; ±2; ±1; 0; sz = ± 2 4.16. Khí tơ là những khí mà số e- của chúng chiếm đầy các lớp (hoặc phân lớp). Tức đã bảo hoà, không thể nhận thêm được nửa. Vì vậy nó trở về phương diện hoạt động hóa học. He 1s2 Z = 2 Ne 1s2 2s22p6 Z = 10 Aγ 1s2 2s22p63s23p6 Z = 18 Kr 1s2 2s22p63s23p64s23d104p6 Z = 36 Xe 1s2 2s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6 Z = 54 4.17. Li 1s22s1 Z = 3 Na 1s22s22p63s1 Z = 11 K 1s22s22p63s23p64s1 Z = 19 Rb 1s22s22p63s23p64s23d104p65s1 Z = 37 4.18. F 1s22s22p5 Z = 9 Cl 1s22s22p63s23p5 Z = 17 Br 1s22s22p63s23p64s23d104p5 Z = 35 4.19. Sc 1s22s22p63s23p64s23d1 Z = 21 Ti 1s22s22p63s23p64s23d2 Z = 22 V 1s22s22p63s23p64s23d3 Z = 23 4.20. Đó là Rn (Z = 86) Radon 4.21. Đó là Cs (Z = 55) Xezi Cs 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s1 4.22. Đó là I Z = 53 Iot 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p5 4.23. Be 1s22s2 Z = 4 Mg 1s22s22p63s2 Z = 12 Ca 1s22s22p63s23p64s2 Z = 20 Sr 1s22s22p63s23p64s23d104p65s2 Z = 38 4.24. Fe Z = 26 103 104
53. Phần II : VẬT LÝ HẠT NHÂN Chương I Hạt nhân nguyên tử và đặc tính của nó 1.1. a) Số proton đều là 6 cón số nơtron lần lượt bằng 4, 5, 6, 7, 8, 9 -15 b) R 3,2.10 m. 1.2. 6,2 lần 1.3. Hạt nhân nguyên tử Hydro không chứa Nơtron. Nó chính là hạt proton. 1.4. Với H' ( R = Ro = 1,4.10-15m với Al27 ( R =Ġ 1.5. Được 1H3, 3Li7, 7N15 1.6. Với 6C12 (E = ( 92,15Mev; ( = ( 7,68Mev/n 16 8O ∆E = − 127,6Mev; ε = − 7,97Mev/n 7 3Li ∆E = − 39,24Mev; ε = − 5,6Mev/n 1.7. Xem 1.6 – Cacbon bền hơn 1.8. ( 8,3 Mev/n và ( 7,9 Mev/n 1.9. − 160,7Mev 1.10. 34,97dvklnt (hay u) 1.11. Tự chứng minh 1.12. Khối lượng nguyên tử của nguyên tố Cl : 35,46 1.13. Hàm lượng tương ứng của các đồng vị Bo là 20% và 80% 1.14. ( 76,3 Mev và ( 8,5Mev 1.15. ( 178,6 Mev và ( 180,4Mev. Hạt nhân 92U238 bền hơn hạt nhân 92U235. 1.16. − 6,38Mev/n; − 8,75Mev/n; − 8,56Mev/n 1.17. ∆E = 12,42Mev Hướng dẫn: Sau khi biết 1 nơtron, hạt nhân 11Na23 trở thành 11Na22. Năng lượng bứt nơtron khỏi hạt nhân, 11Na23 bằng năng lượng liên kết của Nơtron với hạt nhân 11Na22. Có thể thay khối lượng hạt nhân bằng khối lượng của các nguyên tử trung hòa (theo bảng tra cứu), vì số electron ở cac lớp vỏ của các nguyên tử Na22 và Na23 là như nhau. 1.18. với 2He4 là 23,8Mev Với 6C12 là 7,26Mev ρt 1.19. R = R≈ 15,85.103 m T ρhn Hướng dẫn : Tính mật độ khối lượng chất hạt nhân: M ρ= hn vôùi M = m .A hn 3 hn p πR3 4 hn -15 Rhn = (1,5.10 ).A 105 106
54. 17 3 ρhn = 1,18.10 kg/m Thế khối lượng mặt trời qua mật độ khối lượng của nó. 1.20. 0,71Mev 1.21. Với 2He3 (E = ( 7,72Mev với 1H3 (E = ( 8,48Mev Ta thấy năng lượng liên kết của 2He3 nhỏ hơn của 1H3 một lượng (0,76Mev), xấp xỉ bằng năng lượng do lực đẩy Colomb của hạt nhân 2He3 ở bài trên. 1.22. a) − 8,55 Mev; d) − 7,9Mev 1.23. Hướng dẫn: Xét về mặt bảo toàn Nuclon hạt nhân 8O16 có thể tách ra làm 4 hạt nhân 2He4 16 4 8O = 4.2He Năng lượng liên kết của 8O16 = ( 127,2Mev của 2He4 = ( 28,3Mev của 4 hệ 2He4 = ( 113,2Mev Vậy năng lượng liên kết của 4 hệ 2He4 cao hơn của 8O16, do đó 8O16 có thể tách ra thành 4 mảnh 2He4, nếu ta cung cấp cho nó một năng lượng: A = − ∆(Eo − 4∆EHe) = 14Mev 1.24. a) ∆E = − 12,06J b) Σ = − 1,3.10-12J c) A = 226.103Kwh 1.25. a) 15,6Mev b) 12,14Mev Liên kết proton yếu hơn vì còn chịu tương tác đẩy Coulomb. 107 108
55. Chương II Phân và phóng xạ 2.1. 8( và 6(- 2.2. n = 1 − e-λt Hướng dẫn : soá haït nhaân bò phaân raõ trong t giaây Xác suất n = soá haït nhaân coù ôû thôøi ñieåm ban ñaàu ∆N n = No 2.3. 63% -λt 2.4. m = moe Gợi ý: khối lượng 1 chất bằng khối lượng của một nguyên tử nhân với số nguyên tử có trong khối chất đó : m N(A 2.5.Ġ mẩu ban đầu 2.6. ( 700 hạt 2.7. = 2.108 phân rã 2.8. T = 1660 năm 2.9. T = 2.75 năm hay 1023 ngày 2.10. ( = 10-7 prã/s hay 0,04prã/h 2.11. ( = 5.10-18/s; ( = 2.1017s; T = 4.5.109năm 2.12. 0,5.1014hạt 2.13. ≈ 177 gam 2.14. ≈ 53g 2.15. a) 0,707No và 0,031No -5 b) 6,1.10 No 2.16. 231,25.107pr/s hay 62,5mCi 2.17. ( 1,1.104prã/s 2.18. ( 1,2.109năm 2.19. 6.109năm 2.20. t = T = 5570năm 2.21. 5280 năm Gợi ý : Hoạt độ phóng xạ ban đầu Ao là hoạt độ phóng xạ cân bằng của C14 đo được ở các chất hữu cơ sống. Khi chất hữu cơ chết, quá trình hấp thụ cacbon ngừng, hoạt độ phóng xạ sẽ giảm theo qui luật: -λt A = Aoe 2.22. 12.400năm 2.23. 3,31 micro curie (µCi) hay 1,22.105prã/s 109 110
56. 2.24. 12.444 năm 2.25. 9 lần 2.26. 10,3giờ 2.27. T = 3,8ngày; A = 0,31.1023prã/ngày hay A = 3,58.1011Bq 2.28. a) 48phút b) 5,3giờ 2.29. 1803năm 2.30. 16.710năm 2.31. 45,2ngày Gợi ý: ( Số lượng hạt Po còn lại sau thời gian t là N = Noe-(t ứng với khối lượng −λt N.210 No e .210 mpo == NNAA ( Số lượng hạt chỉ tạo thành sau thời gian t bằng số polomi phân rã: (N = No(1-e-(t) tương ứng với khối lượngĠ ta có tỷ số :Ġ 2.32. T = 4,7giờ 111 112
57. Chương III : Tương tác hạt nhân – Năng lượng hạt nhân 14 14 3.1. 7N (n, p) 6C 3.2. Đều được : Phản ứng 1) do Cockesoft và Walton tiến hành năm 1932. Phản ứng 2) do Rutherford tiến hành năm 1919. 3.3. m(n) = 1,008628 dvk/nt 3.4. a) không. b) 1,57Mev 3.5. 7,26Mev 3.6. Q > 0 nên có U235 phân rã được 3.7. a) − 1,64Mev; b) 6,28Mev; c) − 2,79Mev; d) 3,11Mev 3.8. a) 4Mev; b) 3,26Mev; c) 18,3Mev; d) 17,6Mev 3.9. Hướng dẫn: Coulomb là năng lượng cần thiết đê đưa một proton tới bờ của hạt nhân: ĐặtĠ; với ro = 1,4fm Ze Ze2 Z EK== K. = (1,03Mev)() c ∆ 1 1 r(A3 + 1) A + o 3 (chú ý: Nếu hệ CGS : K = 1) Với 8O16 : 2,34Mev 93 41Nb : 7,64Mev 209 83Bi : 12,33Mev 3.10. Với 8O16(p,d) 8O15; Wn = 14,28Mev 93 93 41N (p,d)41N ; Wn = 6,69Mev 209 208 83Bi (p,d)83Bi ; Wn = 5,26Mev 3.11. Dn = 2,44 Mev 3.12. 3.13. λ' = 0,022Ao 3.14.Ġ; n truyền cho p một nửa năng lượng của nó. 3.15. 21 lần 3.16. Q = 8,2.1017brg hay 8,2.1010J hay 5,3.1023Mev 3.17. 12,4kg 3.18. Q = 4,2.1014J hay 26,3.1026Mev 3.19. a) Q = 5,13.1026Mev ≈ 2,3.107KWh b) 2800tấn 3.20. ϕ = 54o 3.21. Q = 40,35.1026Mev hay 113 114
58. 3.22. − Chu trình proton – proton (hay chu trình Critchfield): Q = 26,7Mev hay 4,3.10-12J Tóm tắt : 41(H)' ( 2He4 + 2e+ + IJ + 3( Trong mặt trời phần đóng góp của 2 chu trình là như nhau. ( Trong các sao có nhiệt độ thấp hơn mặt trời: chu trình p – p trội hơn. ( Trong các sao sáng hơn mặt trời (nóng hơn) : chu trình Cacbon trội hơn. Tuy nhiên các chu trình này không thể sử dụng ở phòng thí nghiệm được vì chúng xảy ra rết chậm. ( Các năng lượng trên có thể bị thất thoát chút đỉnh do nitrơ (() bay ra khỏi mặt trời. 3.23. ≈ 6.10-12J 3.24. a) 6.1011kg/s b) (m = 1,369.1014tấn ∆m = 6,8.10−14 M c) mHe = 9,73.1015tấn mH = mHe + (m = 9,86.1015tấn 3.25. T = 3,6.1010năm Gợi ý: 1 năm ( 3,15.107s 3.27. T = 8,35.109Ko 3.28. Q = 23,8Mev 115 116
59. ĐÁP SỐ VÀ HƯỚNG DẪN PHẦN I : VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Chương I : TÍNH CHẤT LƯỢNG TỬ CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ 1.1. Đáp số : V = 7,30.105 m/s. 1.2. Đáp số : Không thể xảy ra 1.3. Đáp số : 1) A = 4,52 ev 2) V = 9,10.107 m/s và D = 3,80.10-19J. 1.4. Đáp số : ( =Ġ = 12,4Ao và Ġ = 2,42.1017S-1 1.5. Đáp số : P =Ġ = 12MeV/c. 1.6. Hướng dẫn : Khi Electron bay vào vùng tác dụng của trường lực hạt nhân sẽ bức xạ photon có tần số xác định. Dựa vào qui luật bảo toàn: tổng năng lượng trước bằng tổng năng lượng sau : Eđầu = Esau 2 2 D + moC = moC + h ν Suy ra D = Ũ cụ thể là 20Kev = Ũ vậyĠ= 4,84S-1. 1.7. Đáp số : Theo định luật bảo toàn năng lượng : Eđầu = Esau hC 15ev = suy ra λ = 827Ao λ 1.8. Hướng dẫn : Hạt chuyển động với vận tốc lớn vào cở bằng hoặc lớn hơn 30% vận tốc ánh sáng, phải áp dụng qui luật tương đối tính. Theo thuyết tương đối : m = Ġ với mo- là khối lượng nghỉ. Ta bình phương hai vế của biểu thức sau đó nhân cho C2 ta có : 2 2 2 2 2 2 mc - m v = mo c 2 4 2 2 2 2 4 mc - m v c = mo c 2 2 2 2 2 2 E – (pc) = Eo ⇒ E = Eo + (pc) Năng lượng nghỉ của Electron : 2 Eo = moc = 0,511Mev Động năng : D = E – Eo = mc2 – moc2 ( D + moc2 = mc2 Vậy : E = D + moc2 nên ta có : (0,30 + 0,511)2 = (0,511)2 + (PC)2 Kết quả : P = 3,47 MeV/c E = P.C = 3,47 MeV/c.C = 3,47 Mev 1.9. Hướng dẫn: Mỗi photon mang năng lượng E = Ũ= 6,6.10-34.103,7.106 = 6,88.10-26J. Số lượng tử trong một đơn vị thời gian được xác định : Soá löôïng 200KW 2.105 J / s N = = ==2,91.1030 photon / s thôøi gian E 6,88.10−26 J 1.10. Hướng dẫn : Áp dụng phương trình Einstein : Ũ = A +Ġ 117 118