Tài liệu Vật lý: Ôn tập phản ứng hạt nhân

GV. Nguyễn Đức Hiệp 1 1 Chủ đề 3 HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ  Vấn đề 1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử. Sự phóng xạ  Vấn đề 2. Phản ứng hạt nhân Kiến thức - Nêu được phản ứng phân hạch là gì, viết được một phương trình ví dụ về phản ứng này. - Nêu được phản ứng dây chuyền là gì và các điều kiện để phản ứng này xảy ra. - Nêu được các bộ phận chính của nhà máy điện hạt nhân. - Nêu được phản ứng nhiệt hạch là gì và điều kiện để phản ứng này xảy ra. Nêu được các ưu điểm của năng lượng nhiệt hạch. Kĩ năng - Viết được phương trình phản ứng hạt nhân và tính được năng lượng toả ra hay thu vào trong phản ứng hạt nhân. VẤN ĐỀ 2 Ôn Phản ứng hạt nhân 2 A. CÁC VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT CƠ BẢN 1. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN a) Định nghĩa Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân. b) Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Trong một phản ứng hạt nhân, các đại lượng sau đây được bảo toàn : số nuclôn, điện tích, năng lượng toàn phần và động lượng. Khối lượng không được bảo toàn. c) Năng lượng trong phản ứng hạt nhân Trong phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng m0 của các hạt ban đầu có thể khác với tổng khối lượng m của các hạt sinh ra. - Nếu m0 > m thì phản ứng tỏa năng lượng : W = (m0  m)c 2 . - Nếu m0 < m thì phản ứng thu năng lượng : W' = W. 2. HAI LOẠI PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TOẢ NĂNG LƯỢNG a) Phân hạch là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân trung bình (kèm theo một vài nơtron phát ra).  Các sản phẩm của phân hạch là những hạt nhân chứa nhiều nơtron và phóng xạ —.  Phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển được tạo ra trong lò phản ứng (ứng với hệ số nhân nơtron k = 1). GV. Nguyễn Đức Hiệp 3 3 Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng hạt nhân dây chuyền b) Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. Phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao. Ví dụ : phản ứng tổng hợp heli 2 3 4 1 1 1 2 0 H H He n   + 17,5 MeV 2 7 4 4 1 1 3 2 2 0 H Li He He n    + 15,1 MeV  Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch : nhiệt độ cao (khoảng 50 đến 100 triệu độ) ; mật độ hạt nhân n phải đủ lớn ; thời gian duy trì nhiệt độ cao phải đủ dài.  Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao.  Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu điểm không gây ô nhiễm (sạch) và nguyên liệu dồi dào sẽ là nguồn năng lượng trong tương lai. 3. NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN Bộ phận chính của nhà máy điện hạt nhân là lò phản ứng hạt nhân. Chất tải nhiệt sơ cáp, sau khi chạy qua vùng tâm lò, sẽ chảy qua bộ phận trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt cho lò sinh hơi. Hơi nước làm chạy tua bin phát điện. 4 Ôn Phản ứng hạt nhân 4 Hình 2.2. Sơ đồ đơn giản của nhà máy điện hạt nhân. B. PHƢƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN Dạng 1 : Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Phƣơng pháp giải : Vận dụng : Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Trong một phản ứng hạt nhân, các đại lượng sau đây được bảo toàn : số nuclôn, điện tích, năng lượng toàn phần và động lượng. Khối lượng không được bảo toàn. Các quy tắc dịch chuyển  Trong phân rã , hạt nhân con lùi hai ô trong bảng tuần hoàn so với hạt nhân mẹ : A A 4Z Z 2X Y     Trong phân rã – hoặc + hạt nhân con tiến hoặc lùi một ô : A A Z Z 1 X Y    ; A A Z Z 1 X Y     Trong phân rã  hạt nhân không biến đổi mà chỉ chuyển xuống mức năng lượng dưới. Phóng xạ  thường đi kèm trong các phóng xạ , – hoặc +. GV. Nguyễn Đức Hiệp 5 5 Ví dụ 2.1. Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây : a) 238 A 234 92 Z 90 U X Th  b) 234 234 A 90 91 Z Th Pa X  c) A 212 4 0 Z 83 2 1 X Bi 4( He) e   Hướng dẫn giải Áp dụng các định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích. a) Bảo toàn số khối : 238 = A + 234  A = 4 Bảo toàn điện tích : 92 = Z + 90  Z = 2 Vậy, hạt nhân X là 4 2 He . 238 4 234 92 2 90 U He Th  b) 234 234 0 90 91 1 Th Pa e  c) 238 212 4 0 90 83 2 1 Th Bi 4( He) e   Ví dụ 2.2. Trong dãy phân rã phóng xạ 235 207 92 82 X Y có bao nhiêu hạt a và  được phát ra ? Đó là hạt  hay + ? Hướng dẫn giải 235 4 0 207 92 2 k 82 X x( He) y( e) Y   trong đó, k = 1 (+1 ứng với + ; 1 ứng với ) - Bảo toàn số nulôn : 235 = 4x + 0 + 207  x = 7. - Bảo toàn điện tích : 92 = 2x + ky + 82  ky = 4. Suy ra : y = 4 ; k = 1 ứng với . Vậy : có 7 hạt a và 4 hạt . 6 Ôn Phản ứng hạt nhân 6 Dạng 2 : Năng lƣợng trong phản ứng hạt nhân Phƣơng pháp giải : Trong phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng m0 của các hạt ban đầu có thể khác với tổng khối lượng m của các hạt sinh ra. - Nếu m0 > m thì phản ứng tỏa năng lượng : W = (m0  m)c 2 . - Nếu m0 < m thì phản ứng thu năng lượng : W' = W. Ví dụ 2.3 : Cho phản ứng hạt nhân  + 27 13 Al  30 15 P + n Khối lượng của các hạt nhân là m = 4,0014 u, m( 27 13 Al ) = 26,97435 u, m( 30 15 P ) = 29,97005 u, mn = 1,008670 u, 1 u = 931,5 MeV/c2, 1 MeV = 1,6.1013 J. Năng lượng mà phản ứng này tỏa ra hay thu vào là bao nhiêu ? Hướng dẫn giải Ta có : W = (mp + mn  m  mAl)c 2 = (29,97005 + 1,008670  26,97435  4,0014).931,5 W   2,76 MeV. (Phản ứng thu năng lượng). Ví dụ 2.4 : Một hạt nhân X phóng xạ bị phân rã phóng ra hạt . Chứng minh rằng động năng của hạt nhân sau phân rã luôn nhỏ hơn động năng của hạt . Hướng dẫn giải Xét phản ứng phân rã  : X   + Y Định luật bảo toàn động lượng p = pY  p 2  = p 2 Y hay : 2mWđ () = 2mYWđ (Y) GV. Nguyễn Đức Hiệp 7 7  ( ) (Y) W W ® ® =  Xm m > 1  Wđ () > Wđ (Y). Ví dụ 2.5 : Bắn hạt  vào hạt nhân 14 7 N đứng yên, ta có phản ứng :  + 14 7 N  17 8 O + p. Giả sử các hạt sinh ra có cùng một vận tốc. Tính động năng các hạt sinh ra theo động năng W của hạt . Cho m = 4,0015 u, mN = 13,9992 u, mO = 16,9947 u. Hướng dẫn giải Vì các hạt sinh ra sau phản ứng có cùng vận tốc nên theo định luật bảo toàn động lượng ta có mv = (m0 + mp)v  v 2 = 2 2 0 p m W (m m )    Từ đó ta có : W0 = 1 2 m0v 2 = 0 2 0 p m m W (m m )    = 17 81 W Wp = 1 2 mpv 2 = p 2 0 p m m W (m m )    = 1 81 W. C. BÀI TẬP TỰ LUẬN C.2.1. Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây : a) 4 A 1 17 2 Z 1 8 He X p O   b) 234 A 0 90 Z 1 Th Y e  C.2.2. Xác định các hệ số x, y trong các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây : a) 238 212 4 0 90 83 2 1 Th Bi x( He) y( e)   b) 238 206 92 92 U Pb x y     C.2.3. Cho phản ứng hạt nhân 3 1 T + X   + n. X là hạt nhân nào sau đây? 8 Ôn Phản ứng hạt nhân 8 C.2.4. Cho phản ứng hạt nhân 25 12 Mg + X  22 11 N + , X là hạt nhân nào sau đây ? C.2.5. Trong quá trình biến đổi hạt nhân, hạt nhân 238 92 U chuyển thành hạt nhân 234 92 U đã phân rã bao nhiêu hạt , bao nhiêu êlectron ? C.2.6. Tính năng lượng tỏa ra trong quá trình phóng xạ anpha của 210 84 Po . Cho biết m( 210 84 Po ) = 209,98285 u ; m( 206 82 Pb ) = 205,97440 u ; m( 4 2 He ) = 4,00260 u. C.2.7. Urani 238 93 U có chu kì bán rã 4,5.10 9 năm, phóng xạ  thành thôri 234 90 Th . Hỏi sau 2 chu kì bán rã có bao nhiêu gam 4 2 He tạo thành ? Biết ban đầu urani có 23,8 g. C.2.8. Xét phản ứng sau : 21 D + 3 1 T  4 2 He + n. Phản ứng trên tỏa hay thu năng lượng và bao nhiêu ? Cho biết độ hụt khối khi tạo thành các hạt nhân 2 1 D , 3 1 T và 4 2 He lần lượt là mD = 0,0024 u ; mT = 0,0087 u ; mHe = 0,0305 u. Cho 1 u = 931,5 MeV/c 2 . C.2.9. Xét phản ứng sau : 21 D + 3 1 T  4 2 He + n + W Tính tỉ số ® W W giữa động năng của nơtron sinh ra và năng lượng toả ra của phản ứng hạt nhân. C.2.10. Trong nước thường có khoảng 0,015% nước nặng (D2O). Người ta dùng đơteri (D) làm nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch. a) Trong 1 kg nước thường chứa bao nhiêu hạt nhân đơteri ? b) Với 1 kg nước thường, ta có thể thu được bao nhiêu năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch ? D. CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM  Phản ứng hạt nhân 1. Trong số các phản ứng phân rã ,  và , hạt nhân bị phân rã sẽ mất nhiều năng lượng hơn cả ở loại phân rã nào ? GV. Nguyễn Đức Hiệp 9 9 A. . B. —. C. g. D.  và . 2. Cho phản ứng hạt nhân 27 3013 15A X P l . Hạt nhân X tạo ra từ phản ứng này là A. pôzitron. B. êlectron. C. prôtôn. D. nơtron. 3. Kí hiệu các dạng phóng xạ như sau : (1) Phóng xạ  ; (2) Phóng xạ  ; (3) Phóng xạ + ; (4) Phóng xạ . Ở dạng phóng xạ nào kể trên, hạt nhân bị phân rã chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn ? A. (1). B. (4). C. (2) và (3). D. (1) và (2). 4. Cho phản ứng hạt nhân 19 9 F + p  16 8 O + X, X là hạt nào sau đây ? A. . B. . C. +. D. n. 5. Kí hiệu các đại lượng : (I) số nuclôn ; (II) điện tích ; (III) khối lượng ; (IV) năng lượng ; (V) động năng ; (VI) số nơtron. Trong một phản ứng hạt nhân, các đại lượng nào kể trên được bảo toàn? A. I , II và VI. B. I, II, III, IV và VI. C. I, II, IV và V. D. I, II và IV. 6. Trong phóng xạ + hạt prôtôn biến đổi theo phương trình nào dưới đây? A. p  n + e+ + n. B. p  n + e+. C. n  p + e— + n. D. n  p + e—. 7. Xét chuỗi phóng xạ sau đây : 238 92 U  234 90 Th  234 91 Pa  234 92 U  230 90 Th  226 88 Ra ,   206 82 Pb Đồng vị 238 92 U biến đổi thành 206 82 Pb sau bao nhiêu phóng xạ  và  ? A. 8 phóng xạ , 6 phóng xạ —. B. 7 phóng xạ , 5 phóng xạ . C. 10 phóng xạ , 8 phóng xạ —. D. 7 phóng xạ , 6 phóng xạ . 8. Xác định các hạt X trong phản ứng sau đây : 12 12 0 7 6 1 N C e X     A. . B. —. C. +. D. 0 0  . 10 Ôn Phản ứng hạt nhân 10 9. Cho phản ứng hạt nhân 3 1 H + 2 1 H   + n + 17,6 MeV. Biết số Avôgađrô NA = 6,02.10 23 mol -1. Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 1 g khí hêli là bao nhiêu ? A. 423,8.10 7 J. B. 645,3.10 7 J. C. 423,8.10 9 J. D. 645,3.10 9 J. 10. Hạt  có khối lượng 4,0015 u, khối lượng của prôtôn là 1,0073 u và khối lượng của nơtron là 1,0087 u, số Avôgađrô NA = 6,02.10 23 mol 1 , 1 u = 931,5 MeV/c 2 , 1 MeV = 1,6.10 -13 J. Năng lượng tỏa ra khi tạo thành 1 mol khí hêli là A. 4,54.10 12 J. B. 3,5.10 12 J. C. 2,74.10 12 J. D. 2,84 MeV. 11. Hạt nhân triti (T) và đơteri (D) tham gia phản ứng nhiệt hạch sinh ra hạt  và hạt nơtron. Cho biết độ hụt khối của hạt nhân triti là mT = 0,0087 u; của hạt nhân đơteri là mD = 0,0024 u, của hạt nhân X là m = 0,0305 u ; 1 u = 931,5 MeV/c 2 , 1 MeV = 1,6.10 13 J. Năng lượng tỏa ra từ phản ứng trên là bao nhiêu ? A. 2,89.10 12 J. B. 2,89.10 —6 J. C. 1,806 MeV. D. 0,186 MeV. 12. Trong phóng xạ nào dưới đây, động năng của hạt nhân sau phân rã luôn lớn động năng của hạt  ? A. . B. —. C. g. D. +. 13. Cho phản ứng hạt nhân 1 6 0 3 n Li T 4,8MeV     . Cho biết mn = 1,0087 u ; mT = 3,016 u ; m = 4,0015 u ; 1 u = 931 MeV/c 2 . Khối lượng của hạt nhân Li có giá trị bằng A. 6,1139 u. B. 6,0869 u . C. 6,411 u. D. 6,0139 u. 14. Hạt nhân 238 92 U đứng yên phóng xạ . Biết hạt  có động năng W = 1,5 MeV. Coi như tỉ số khối lượng các hạt nhân bằng tỉ số các hạt nhân bằng tỉ số các khối tương ứng. Năng lượng tỏa ra từ phản ứng là A. 1,715 MeV. B. 3,225 MeV. C. 1,526 MeV. D. 2,5 MeV. 15. Bắn hạt  vào hạt nhân 14 7 N đứng yên, ta có phản ứng :  + 14 7 N  17 8 O + p. GV. Nguyễn Đức Hiệp 11 11 Giả sử các hạt sinh ra có cùng một vận tốc. Cho m = 4,0015 u, mN = 13,9992 u, mO = 16,9947 u. Tỉ số động năng O p W W của hạt nhân 17 8 O và hạt prôtôn là A. 17 : 1. B. 1 : 17. C. 1 : 4. D. 4 : 1. 16. Người ta dùng prôtôn bắn vào hạt nhân đứng yên 7 3 Li là thu được hai hạt giống nhau có cùng động năng. Hai hạt giống nhau có cùng động năng là các hạt A. hêli. B. triti. C. đơtêri . D. prôtôn. 17. Một hạt nhân A Z X ban đầu đứng yên phóng xạ phát ra hạt  có vận tốc v và hạt nhân con A' Z' Y . Tỉ số vận tốc Y v v  giữa hạt  và hạt nhân Y là A.  A 1 4 . B.  4 A 4 . C. 2 A 4 . D. A 1 4 .  Phản ứng phân hạch - Phản ứng nhiệt hạch 18. Phản ứng nhiệt hạch là A. Phản ứng phân tích một hạt nhân ở nhiệt độ cao. B. Phản ứng phân chia hạt nhân nặng ở nhiệt độ cao thành hạt nhân nhẹ bền vững hơn. C. Phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn ở nhiệt độ rất cao. D. Phản ứng phóng xạ ở nhiệt độ cao. 19. Phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch là hai phản ứng hạt nhân trái ngược nhau vì A. một phản ứng toả và một phản ứng thu năng lượng. B. một phản ứng là tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, phản ứng kia là sự vỡ một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹ hơn. C. một phản ứng diễn ra rất chậm và phản ứng xảy ra rất nhanh. D. một phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp, phản ứng kia xảy ra ở nhiệt độ cao. 12 Ôn Phản ứng hạt nhân 12 20. Sự phân hạch là sự vỡ một hạt nhân nặng A. thường xảy ra một cách tự phát. B. thành hai hạt nhân nhẹ hơn, do hấp thụ một nơtron. C. thành hai hạt nhân nhẹ hơn và một vài nơtron, sau khi hấp thụ một nơtron chậm. D. thường xảy ra ở trạng thái kích thích và ở nhiệt độ rất cao. 21. Trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng của các hạt tham gia A. được bảo toàn. B. tăng. C. tăng hay giảm tuỳ theo phản ứng. D. giảm. 22. Phản ứng hạt nhân toả năng lượng nếu độ hụt khối các hạt nhân tạo thành sau phản ứng A. không đổi. B. giảm đi. C. lớn hơn một giá trị giới hạn. D. tăng lên. 23. Phản ứng tổng hợp các hạt nhân nhẹ xảy ra ở A. nhiệt độ bình thường. B. nhiệt độ thấp. C. nhiệt độ rất cao. D. áp suất rất cao. 24. Gọi k là hệ số nhân nơtron, thì điều kiện cần và đủ để phản ứng dây chuyển có thể xảy ra là A. k > 1. B. k = 1. C. k < 1. D. k  1. 25. Trong các nhà máy điện nguyên tử hoạt động bình thường hiện nay, phản ứng nào xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân của nhà máy để cung cấp năng lượng cho nhà máy hoạt động ? A. Phản ứng phân hạch dây chuyền được khống chế ở mức vượt hạn. B. Phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát. C. Phản ứng phân hạch dây chuyền được khống chế ở mức tới hạn. D. Phản ứng phân hạch dây chuyền được khống chế ở mức dưới hạn. GV. Nguyễn Đức Hiệp 13 13 Bài kiểm tra chủ đề 3 (Thời gian làm bài : 1 tiết) Câu 1. Lực hạt nhân không có đặc điểm nào dưới đây ? A. Có cường độ tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các nuclôn. B. Có bản chất khác lực hấp dẫn hoặc lực điện từ. C. Là loại lực mạnh nhất trong các lực đã biết. D. Có bán kính tác dụng rất nhỏ, cỡ bằng kích thước hạt nhân. Câu 2. Phát biểu nào sau đây sai khi nói về tia  ? A. Tia  thực chất là hạt nhân 4 2 He . B. Khi đi trong không khí, tia  làm ion hóa không khí và mất dần năng lượng. C. Tia  phóng ra từ hạt nhân với tốc độ của ánh sáng. D. Khi đi qua điện trường giữa hai bản tụ điện, tia  bị lệch về phía bản âm của tụ điện. Câu 3. Có 1 kg chất phóng xạ 60 27 Co với chu kì bán rã T = 5,33 năm, sau bao lâu có 984,375 g của chất phóng xạ đã bị phân rã. A. 60 năm. B. 16 năm. C. 48 năm. D. 32 năm. Câu 4. Một hạt nhân có năng lượng liên kết càng lớn thì A. càng dễ bị phá vỡ B. độ hụt khối càng lớn C. năng lượng liên kết riêng càng lớn D. năng lượng liên kết riêng càng nhỏ. Câu 5. Người ta dùng prôtôn bắn phá hạt nhân 9 4 Be đứng yên. Phản ứng cho ta hạt  và hạt nhân X. Biết động năng của prôtôn WP = 5,4 MeV, của hạt  là W = 4,5 MeV. Vận tốc của prôtôn và của hạt  vuông góc nhau. Lấy khối lượng của một hạt nhân tính bằng đơn vị u có giá 14 Ôn Phản ứng hạt nhân 14 trị bằng số khối A của chúng. Động năng của hạt X là A. 3,9 MeV. B. 3,0 MeV. C. 1,65 MeV. D. 0,9 MeV. Câu 6. Trong chuỗi phóng xạ 238 92 U  222 86 Rn , số hạt phóng xạ  và hạt phóng xạ  lần lượt là A. 2 và 4. B. 4 và 2 . C. 6 và 6. D. 6 và 4. Câu 7. Hạt nhân 1 1 A Z X phóng xạ và biến thành một hạt nhân 2 2 A Z Y bền. Coi khối lượng của hạt nhân X, Y bằng số khối của chúng tính theo đơn vị u. Biết chất phóng xạ 1 1 A Z X có chu kì bán rã là T. Ban đầu có một khối lượng chất 1 1 A Z X, sau 2 chu kì bán rã, thì tỉ số giữa khối lượng của chất Y và khối lượng của chất X là bao nhiêu ? A. 2 1 A 3 . A B. 1 2 A 3 . A C. 2 1 A 4 . A D. 1 2 A 4 . A Câu 8. Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây : a) 238 206 4 0 92 Z 2 1 U X x( He) 6( e)   b) 210 206 84 82 Po Pb X  Câu 9. Cho phản ứng hạt nhân 3 2 1 1 H H   + n + 17,6 MeV. Biết số Avôgađrô NA = 6,02.10 23 mol 1. Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 1 g khí hêli là bao nhiêu ? Câu 10. 222 86 Rn là chất phóng xạ , phần năng lượng tỏa ra chuyển thành động năng của hạt  chiếm tỉ lệ bao nhiêu phần trăm ?