Độ hụt khối và năng lượng liên kết

Như chúng ta đã được học thời phổ thông:

• Nguyên tử có kích thước cỡ 10^-10m, tức là 1 angstrom Å
• Rất sâu bên trong lớp vỏ electron (mang điện -) của nguyên tử là hạt nhân, với kích thước vào cỡ vài femtomet ( 1 fm = 10^-15 m)
• Các hạt nhân lại được hợp thành bởi các hạt proton (mang điện +) và neutron (không mang điện).  Trường hợp đặc biệt: hạt nhân của nguyên tử H bền chỉ có 1 hạt proton, không có neutron. Các hạt proton và neutron được gọi là các nucleon. Chúng có kích thước vào cỡ xấp xỉ 1 femtomet. (0.85fm)

Các hạt nucleus liên kết với nhau bằng lực hạt nhân để tạo thành một hạt nhân, vì thế chúng có năng lượng liên kết. Năng lượng này bằng bao nhiêu thì chúng ta phải liên hệ đến công thức của Einstein và khái niệm độ hụt khối.

Công thức nổi tiếng của Einstein:     E = m*c^2 

(E là năng lượng, m là khối lượng kg, c là vận tốc ánh sáng m/s)

Độ hụt khối

Khối lượng nguyên tử < Z*mp+ (A-Z)*mn

Z= Số nguyên tử (bằng với điện tích hạt nhân, và là số hạt proton)

A= Số khối nguyên tử (là số nucleus trong hạt nhân, bằng tổng số hạt proton lẫn neutron)

Vd như trong hình phía trên, 11Li chính là hạt nhân Pb có tổng số hạt p và n bằng 208, hạt nhân Li bình thường thường là 7Li và 6Li.

Hiểu một cách đơn giản thì tổng khối lượng của từng hạt p và n đơn lẻ sẽ lớn hơn khối lượng của hạt nhân mà chúng tạo thành. Chênh lệch về khối lượng này gọi là độ hụt khối, và năng lượng liên kết trong hạt nhân sẽ được tính theo công thức của Einstein, với m thay bằng độ hụt khối, và khi đó E sẽ là năng lượng liên kết.

Năng lượng liên kết của mỗi đồng vị nguyên tố có thể sẽ chênh lệch nhiều. Vì thế có đồng vị bền và đồng vị không bền. Đồng vị không bền sẽ bị phân rã phóng xạ biến thành hạt nhân nguyên tố khác và giải phóng năng lượng.

Năng lượng được giải phóng dưới nhiều dạng, trong đó chủ yếu dưới dạng động năng của các hạt sản phẩm (hay nhiệt năng) và do đó có thể được khai thác.

Để đặc trưng cho độ bền của các đồng vị, khái niệm năng lượng liên kết riêng được đặt ra;

Năng lượng liên kết riêng = Năng lượng liên kết / Số khối hạt nhân

Đồ thị trên có trục dọc là năng lượng liên kết riêng, trục ngang là số khối của hạt nhân. Chúng ta có thể quan sát sự biến thiên khi số khối tăng. Và nửa sau của đồ thị thuộc về các đồng vị có thể phản ứng phân hạch.

Chúng ta có thể nêu vài ví dụ tiêu biểu, đó là 235U, 239Pu... Đó là các đồng vị phóng xạ rất phổ biến trong công nghiệp quân sự hay nhà máy điện hạt nhân.

*Đơn vị electron volt là đơn vị năng lượng. Vì năng lượng của các tương tác hạt nhân rất nhỏ, nên đơn vị Joules là quá lớn để đo.
Đổi đơn vị từ Joules sang ev như sau:
E ev = E / điện tích nguyên tố = E / (1.6*10^-19)