WebLab STEM

Vật lý · 9. Vật lý hạt nhân & Phóng xạ

Hạt nhân nguyên tử, năng lượng liên kết và phân rã phóng xạ

Khảo sát độ hụt khối, năng lượng liên kết riêng, định luật phân rã phóng xạ theo hàm mũ và các phản ứng hạt nhân.

40 phútPhiên bản nội dung: 2.1
Bắt đầu lộ trình tương tácMở thí nghiệm mô phỏng

Câu hỏi dẫn đường

Tại sao tổng khối lượng của các hạt proton và neutron riêng lẻ luôn lớn hơn khối lượng của hạt nhân mà chúng hợp thành?

Phạm vi chương trình

GDPT 2018 Vật lý 12 (Chương 5: Năng lượng hạt nhân); Cambridge A-Level Physics 9702 (Topic 23); AP Physics 2.

Phạm vi và giới hạn mô hình

Mô hình áp dụng cho phân rã phóng xạ tự nhiên và phản ứng hạt nhân cơ bản; không bao gồm mô hình sắc động lực học lượng tử (QCD).

Mục tiêu học tập

  • Tính độ hụt khối Δm và năng lượng liên kết E_lk = Δm·c²; đánh giá độ bền vững hạt nhân qua năng lượng liên kết riêng.
  • Vận dụng định luật phân rã phóng xạ N(t) = N₀·2^(−t/T) = N₀·e^(−λt) và tính chu kỳ bán rã T.
  • Viết đúng phương trình phóng xạ α, β⁻, β⁺, γ và phân biệt phản ứng phân hạch và nhiệt hạch.

Kiến thức cần biết trước

  • Cấu tạo nguyên tử (số khối A, số proton Z, số neutron N = A − Z).
  • Hệ thức Einstein E = mc² và đơn vị khối lượng nguyên tử amu (1 u ≈ 931,5 MeV/c²).

Kiến thức trọng tâm

Độ hụt khối & Năng lượng liên kết

Khi liên kết thành hạt nhân, một phần khối lượng chuyển hóa thành năng lượng tỏa ra: Δm = [Z·m_p + (A − Z)·m_n] − m_hn. Năng lượng liên kết riêng E_lkr = E_lk / A đặc trưng cho độ bền vững hạt nhân (lớn nhất ở các hạt nhân trung bình quanh Fe-56 đạt ≈ 8,8 MeV/nucleon).

Định luật phân rã phóng xạ

Số hạt nhân chưa phân rã giảm theo hàm mũ thời gian: N(t) = N₀ e^(−λt) với hằng số phóng xạ λ = ln 2 / T ≈ 0,693 / T. Độ phóng xạ H(t) = λ·N(t) đo bằng Becquerel (1 Bq = 1 phân rã/giây).

Bản chất các tia phóng xạ

Tia α là dòng hạt nhân He-4 mang điện +2e; tia β⁻ là dòng electron; tia β⁺ là dòng positron; tia γ là sóng điện từ photon năng lượng cực cao không mang điện tích và có khả năng đâm xuyên mạnh nhất.

Ví dụ mẫu có giải thích

Đồng vị I-131 có chu kỳ bán rã T = 8 ngày. Sau 24 ngày (t = 3T), tỉ lệ số hạt nhân còn lại là N/N₀ = (1/2)³ = 1/8 = 12,5%. Phần trăm số hạt nhân đã bị phân rã thành chất khác là 100% − 12,5% = 87,5%.

Ngộ nhận cần tránh

  • Chu kỳ bán rã là hằng số vật lý đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ, hoàn toàn không phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm hay tác động hóa học bên ngoài.
  • Độ bền vững của hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng liên kết riêng (E_lk / A), chứ không phụ thuộc vào năng lượng liên kết toàn phần E_lk.

Quy trình thí nghiệm mô phỏng: Phân rã phóng xạ và chu kỳ bán rã

  1. Khởi động mô phỏng buồng đếm Geiger-Müller và nạp mẫu phóng xạ với số hạt ban đầu N₀ = 10 000.
  2. Chạy tiến trình thời gian và ghi lại số lượng hạt nhân mẹ còn lại theo các khoảng thời gian t = T, 2T, 3T, 4T.
  3. Vẽ đồ thị N theo t dạng hàm mũ và vẽ ln(N) theo t để kiểm chứng độ dốc tuyến tính bằng −λ.

An toàn và lưu ý

  • Nguồn phóng xạ thực tế có nguy cơ ion hóa sinh học; luôn tuân thủ nguyên tắc ALARA (giảm thời gian phơi nhiễm, tăng khoảng cách, dùng tấm chắn chì dày).

Bằng chứng cần thu thập

  • Bảng dữ liệu thời gian t, số hạt còn lại N và độ phóng xạ tương ứng H.
  • Đồ thị phân rã phóng xạ bán logarit xác định chính xác chu kỳ bán rã T.
Mở thí nghiệm mô phỏng
📋 Nhúng thí nghiệm này vào bài giảng điện tử (Dành cho Giáo viên & LMS)

Sao chép đoạn mã iframe dưới đây để nhúng mô phỏng tương tác này vào Google Sites, LMS Moodle, Canvas, Microsoft Teams hoặc blog học tập:

<iframe src="https://visuallab.win/physics-lab/?experiment=alevel-radioactive&lang=vi" width="100%" height="560" frameborder="0" allow="fullscreen" loading="lazy"></iframe>

Kiểm tra đầu vào

1. Đại lượng nào sau đây đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân nguyên tử?

  1. Năng lượng liên kết riêng (E_lk / A)
  2. Năng lượng liên kết toàn phần
  3. Số khối A
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: Năng lượng liên kết riêng (E_lk / A)

Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững (cần nhiều năng lượng nhất để tách 1 nucleon ra).

2. Trong phân rã hạt nhân beta trừ (β⁻), hạt nhân phóng ra hạt electron và hạt vi mô nào đi kèm?

  1. Phản neutrino (antineutrino)
  2. Neutrino
  3. Positron
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: Phản neutrino (antineutrino)

Để bảo toàn số lepton và spin, phân rã beta trừ n → p + e⁻ + ν̄_e luôn kèm theo một phản neutrino.

Luyện tập vận dụng

1. Một chất phóng xạ có chu kỳ bán rã T = 10 ngày. Ban đầu có 80 g chất này. Sau 30 ngày, khối lượng còn lại là bao nhiêu?

  1. 10 g
  2. 20 g
  3. 40 g
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: 10 g

t = 30 ngày = 3T. Khối lượng còn lại m = 80 × (1/2)³ = 80 / 8 = 10 g.

2. Độ hụt khối của hạt nhân Heli (He-4) là Δm = 0,0304 u. Cho 1 u = 931,5 MeV/c². Năng lượng liên kết của He-4 xấp xỉ bằng?

  1. 28,3 MeV
  2. 7,08 MeV
  3. 113 MeV
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: 28,3 MeV

E = Δm × 931,5 = 0,0304 × 931,5 ≈ 28,32 MeV (năng lượng liên kết riêng xấp xỉ 28,3/4 ≈ 7,1 MeV/nucleon).

3. Hạt nhân U-238 phóng xạ hạt α biến đổi thành hạt nhân Thori (Th). Số khối và số hiệu nguyên tử của Th là bao nhiêu?

  1. A = 234, Z = 90
  2. A = 236, Z = 91
  3. A = 234, Z = 92
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: A = 234, Z = 90

Phân rã α: số khối giảm 4 (238 − 4 = 234), số hiệu nguyên tử giảm 2 (92 − 2 = 90).

Nguồn kiểm tra chuyên môn

  1. Cambridge IGCSE Physics 0625 — đề cương và tài liệu chính thức
  2. Cambridge AS & A Level Physics 9702 — đề cương chính thức
  3. OpenStax Physics — giáo trình Vật lý trung học đã bình duyệt
  4. BIPM — Hệ đơn vị quốc tế SI, ấn bản 9

Nội dung được duy trì theo các nguồn trích dẫn bên dưới. Mô phỏng là mô hình học tập và không thay thế quy trình an toàn của phòng thí nghiệm thực.

Đơn vị xuất bản nội dung
WebLab STEM
Phụ trách kỹ thuật
Đức Tiến — Kỹ sư Điều khiển và Tự động hóa