Vật lí hạt nhân: Toàn bộ Lý thuyết trọng tâm Chương 4 (Vật lí 12 kntt), Công thức và Yêu cầu cần đạt được khi ôn thi THPT

📘 Tóm tắt lý thuyết Vật lí 12 – Chương 4: Vật lí hạt nhân

Bộ sách: Kết nối tri thức với cuộc sống  |  Dành cho: Học sinh ôn thi THPT Quốc gia

Vật lí hạt nhân: Toàn bộ Lý thuyết trọng tâm Chương 4 (Vật lí 12 kntt), Công thức và Yêu cầu cần đạt được khi ôn thi THPT - Blog góc vật lí

📑 Mục lục

▼

• Giới thiệu chương
• 1. Cấu trúc hạt nhân
• 2. Độ hụt khối và năng lượng liên kết
• 3. Phản ứng hạt nhân
• 4. Hiện tượng phóng xạ
• 5. Định luật phóng xạ
• 6. Đồng vị phóng xạ và ứng dụng
• 7. Công nghiệp hạt nhân

• 📌 Yêu cầu cần đạt  |  📝 Bảng công thức

Hệ thống hóa kiến thức trọng tâm Chương 4 – Vật lí hạt nhân. Bạn sẽ nắm vững cấu trúc hạt nhân, độ hụt khối, năng lượng liên kết, các loại phản ứng hạt nhân, hiện tượng phóng xạ, định luật phóng xạ và ứng dụng của năng lượng hạt nhân. Đây là nội dung quan trọng chiếm tỉ trọng lớn trong các đề thi THPT Quốc gia.

1. Cấu trúc hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ hai loại hạt là proton (kí hiệu \(p\)) và neutron (kí hiệu \(n\)), gọi chung là nucleon.

• Proton: mang điện tích \(+e = 1,6.10^{-19}\,\text{C}\), khối lượng \(m_p \approx 1,00728\,\text{amu}\).
• Neutron: không mang điện, khối lượng \(m_n \approx 1,00866\,\text{amu}\).

Kí hiệu hạt nhân: \({}_Z^A X\), trong đó:

• \(Z\): số proton (số hiệu nguyên tử).
• \(A\): số khối (tổng số nucleon).
• \(N = A - Z\): số neutron.

Đồng vị: là các hạt nhân có cùng số proton \(Z\) nhưng khác số neutron \(N\) (khác \(A\)).

Kích thước hạt nhân: \(R \approx 1,2.10^{-15} A^{1/3}\,\text{m}\).

2. Độ hụt khối và năng lượng liên kết

Độ hụt khối \(\Delta m\) của hạt nhân là hiệu giữa tổng khối lượng các nucleon và khối lượng hạt nhân:

$$ \Delta m = \big[ Z m_p + (A-Z) m_n \big] - m_X $$

Năng lượng liên kết \(E_{lk}\) là năng lượng tối thiểu để tách hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ:

$$ E_{lk} = \Delta m \cdot c^2 $$

với \(c = 3.10^8\,\text{m/s}\) là tốc độ ánh sáng.

Năng lượng liên kết riêng \(\varepsilon = \dfrac{E_{lk}}{A}\) đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có \(\varepsilon\) càng lớn thì càng bền. Các hạt nhân trung bình (\(A \approx 50 \div 90\)) có \(\varepsilon\) lớn nhất, khoảng 8,8 MeV/nucleon.

3. Phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là quá trình tương tác giữa các hạt nhân dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

Các định luật bảo toàn:

• Bảo toàn số khối: \(A_1 + A_2 = A_3 + A_4\).
• Bảo toàn điện tích: \(Z_1 + Z_2 = Z_3 + Z_4\).
• Bảo toàn năng lượng toàn phần và động lượng.

Phản ứng phân hạch: Hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn và tỏa năng lượng lớn.

Ví dụ: \({}_0^1 n + {}_{92}^{235}U \rightarrow {}_{56}^{144}Ba + {}_{36}^{89}Kr + 3{}_0^1 n + 200\,\text{MeV}\)

Phản ứng tổng hợp hạt nhân: Hai hạt nhân nhẹ kết hợp thành hạt nhân nặng hơn, tỏa năng lượng.

Ví dụ: \({}_1^2 H + {}_1^3 H \rightarrow {}_2^4 He + {}_0^1 n + 17,6\,\text{MeV}\)

4. Hiện tượng phóng xạ

Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến thành hạt nhân khác.

Các loại tia phóng xạ:

• Tia \(\alpha\): là dòng hạt nhân \({}_2^4 He\). Có khả năng ion hóa mạnh, đâm xuyên kém (bị chặn bởi tờ giấy).
• Tia \(\beta^-\): là dòng electron \(_{-1}^0 e\) (hoặc positron \(_{+1}^0 e\) cho \(\beta^+\)). Ion hóa trung bình, đâm xuyên mạnh hơn \(\alpha\).
• Tia \(\gamma\): là bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn. Ion hóa yếu, đâm xuyên mạnh (cần chì dày để chặn).

Phương trình phân rã:

• Phóng xạ \(\alpha\): \({}_Z^A X \rightarrow {}_{Z-2}^{A-4} Y + {}_2^4 He\)
• Phóng xạ \(\beta^-\): \({}_Z^A X \rightarrow {}_{Z+1}^A Y + {}_{-1}^0 e + \bar{\nu}\)
• Phóng xạ \(\beta^+\): \({}_Z^A X \rightarrow {}_{Z-1}^A Y + {}_{+1}^0 e + \nu\)

5. Định luật phóng xạ

Số hạt nhân phóng xạ còn lại tại thời điểm \(t\):

$$ N_t = N_0 \cdot 2^{-t/T} = N_0 \cdot e^{-\lambda t} $$

Trong đó:

• \(N_0\): số hạt nhân ban đầu.
• \(T\): chu kì bán rã – thời gian để một nửa số hạt nhân ban đầu bị phân rã.
• \(\lambda = \dfrac{\ln 2}{T}\): hằng số phóng xạ.

Độ phóng xạ (hoạt độ phóng xạ) \(H\) là số hạt nhân phân rã trong một giây:

$$ H_t = \lambda N_t = H_0 \cdot e^{-\lambda t} $$

Đơn vị: becquerel (Bq) – \(1\,\text{Bq} = 1\) phân rã/giây. \(1\,\text{Ci} = 3,7.10^{10}\,\text{Bq}\).

6. Đồng vị phóng xạ và ứng dụng

• Carbon-14 (\({}^{14}C\)): dùng để xác định niên đại cổ vật (chu kì bán rã 5730 năm).
• Iodine-131 (\({}^{131}I\)): chẩn đoán và điều trị bệnh tuyến giáp.
• Technetium-99m (\({}^{99m}Tc\)): dùng trong chụp ảnh y học hạt nhân (SPECT, PET).

7. Công nghiệp hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân: sử dụng năng lượng từ phản ứng phân hạch để đun nước, tạo hơi đẩy tua-bin phát điện. Ưu điểm: công suất lớn, ít phát thải khí nhà kính. Nhược điểm: chất thải phóng xạ, nguy cơ sự cố.

Y học hạt nhân: sử dụng đồng vị phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh (chụp PET, SPECT, xạ trị ung thư).

Bảo quản thực phẩm: chiếu xạ tiêu diệt vi khuẩn, kéo dài thời hạn sử dụng.

📌 Yêu cầu cần đạt theo sách Kết nối tri thức

• Mô tả được cấu tạo hạt nhân, viết kí hiệu và xác định số proton, neutron.
• Nêu được khái niệm độ hụt khối, năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng.
• Viết được phương trình phản ứng hạt nhân và vận dụng các định luật bảo toàn.
• Phân biệt các loại tia phóng xạ, viết phương trình phân rã.
• Vận dụng định luật phóng xạ để tính chu kì bán rã, độ phóng xạ, tuổi của mẫu vật.
• Nêu được ứng dụng của năng lượng hạt nhân trong điện hạt nhân, y học, bảo quản thực phẩm.

📝 Hệ thống công thức ứng dụng

Công thức	Ý nghĩa
\(\Delta m = [Zm_p + (A-Z)m_n] - m_X\)	Độ hụt khối
\(E_{lk} = \Delta m \cdot c^2\)	Năng lượng liên kết
\(\varepsilon = E_{lk}/A\)	Năng lượng liên kết riêng
\(N_t = N_0 \cdot 2^{-t/T}\)	Định luật phóng xạ
\(H_t = \lambda N_t\)	Độ phóng xạ
\(\lambda = \ln 2 / T\)	Hằng số phóng xạ
\(R = 1,2.10^{-15} A^{1/3}\,\text{m}\)	Bán kính hạt nhân

🧪 10 câu trắc nghiệm – Vận dụng ngay

Click vào nút "Xem đáp án" để kiểm tra kết quả sau khi làm bài.

Câu 1: Hạt nhân \({}_{92}^{238}U\) có số neutron là:

• A. 92
• B. 146
• C. 238
• D. 330

✅ Đáp án: B (\(N = A - Z = 238 - 92 = 146\))

Câu 2: Đơn vị của độ phóng xạ là:

• A. vêbe (Wb)
• B. tesla (T)
• C. becquerel (Bq)
• D. henry (H)

✅ Đáp án: C

Câu 3: Tia \(\alpha\) là dòng hạt nhân:

• A. \({}_{2}^{4}He\)
• B. \({}_{-1}^{0}e\)
• C. \({}_{+1}^{0}e\)
• D. bức xạ điện từ

✅ Đáp án: A

Câu 4: Chu kì bán rã của một chất phóng xạ là thời gian để:

• A. số hạt nhân ban đầu giảm còn một nửa
• B. số hạt nhân ban đầu giảm còn một phần tư
• C. số hạt nhân ban đầu giảm còn một phần tám
• D. tất cả hạt nhân ban đầu phân rã hết

✅ Đáp án: A

Câu 5: Phản ứng phân hạch là:

• A. hai hạt nhân nhẹ kết hợp thành hạt nhân nặng
• B. một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ
• C. hạt nhân tự phát phát ra tia phóng xạ
• D. hạt nhân hấp thụ neutron

✅ Đáp án: B

Câu 6: Đồng vị là các hạt nhân có cùng:

• A. số khối A
• B. số proton Z
• C. số neutron N
• D. khối lượng

✅ Đáp án: B

Câu 7: Năng lượng liên kết của hạt nhân được tính bằng:

• A. \(E_{lk} = \Delta m \cdot c^2\)
• B. \(E_{lk} = m \cdot c^2\)
• C. \(E_{lk} = \Delta m / c^2\)
• D. \(E_{lk} = m / c^2\)

✅ Đáp án: A

Câu 8: Tia \(\gamma\) là:

• A. dòng hạt nhân helium
• B. dòng electron
• C. dòng positron
• D. bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn

✅ Đáp án: D

Câu 9: Hằng số phóng xạ \(\lambda\) liên hệ với chu kì bán rã \(T\) theo công thức:

• A. \(\lambda = \ln 2 / T\)
• B. \(\lambda = T / \ln 2\)
• C. \(\lambda = \ln 2 \cdot T\)
• D. \(\lambda = 1 / T\)

✅ Đáp án: A

Câu 10: Trong y học hạt nhân, đồng vị nào sau đây được dùng để chụp ảnh PET?

• A. \({}^{14}C\)
• B. \({}^{18}F\)
• C. \({}^{60}Co\)
• D. \({}^{235}U\)

✅ Đáp án: B (\({}^{18}F\) là đồng vị phóng xạ positron dùng trong PET)

🔗 Xem lại các chương khác

Để có cái nhìn tổng quan, mời bạn xem lại loạt bài tóm tắt lý thuyết các chương:

• 📖 Chương 1: Vật lí nhiệt
• 📖 Chương 2: Khí lí tưởng
• 📖 Chương 3: Từ trường

📌 CHúc các em ôn thi tốt nghiệp thpt đạt hiệu quả cao nhất với seri 4 bài viết này trên Blog Góc vật lí.

---

Blog Góc Vật lí – Đồng hành cùng học sinh ôn thi THPT Quốc gia môn Vật lí.
📧 Liên hệ: compabua@gmail.com