Bài 22. Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết trang 96, 97, 98 Vật lý 12 Kết nối tri thức: Chiếc tem thư phát hành năm 1971 có in hình Rutherford và phương trình phản ứng hạt nhân...

Câu hỏi:

Chiếc tem thư phát hành năm 1971 có in hình Rutherford và phương trình phản ứng hạt nhân được thực hiện lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1909. Người ta đã thực hiện thí nghiệm phát hiện phản ứng hạt nhân như thế nào? Các hạt nhân có thể biến đối thành các hạt nhân khác không?

Hướng dẫn giải :

Tìm hiểu trên Internet và vận dụng kiến thức cá nhân

Lời giải chi tiết :

- Quá trình:

+ Chùm hạt α được bắn phá vào lá vàng.

+ Hầu hết hạt α đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.

+ Một số ít hạt α bị lệch hướng mạnh, thậm chí bật ngược lại.

+ Những hạt α bị lệch hướng được ghi nhận trên màn huỳnh quang.

- Hạt nhân có thể biến đổi thành các hạt nhân khác thông qua các phản ứng hạt nhân.

Câu hỏi:

So sánh tổng số điện tích, tổng số nucleon của các hạt nhân trước và sau khi tương tác trong thí nghiệm như mô tả ở Hình 22.2.

Hướng dẫn giải :

Quan sát hình 22.2

Lời giải chi tiết :

Tổng số điện tích và tổng số nucleon đều không thay đổi sau khi tương tác.

Câu hỏi:

Hãy trình bày sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hóa học

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết 2 loại phản ứng

Lời giải chi tiết :

- Bản chất:

+ Phản ứng hóa học: Xảy ra sự thay đổi liên kết giữa các nguyên tử, dẫn đến tạo thành phân tử mới. Không thay đổi cấu tạo hạt nhân.

+ Phản ứng hạt nhân: Xảy ra sự thay đổi cấu tạo hạt nhân, tạo thành hạt nhân mới. Có thể kèm theo sự thay đổi năng lượng.

- Năng lượng:

+ Phản ứng hóa học: Năng lượng liên kết hóa học thường nhỏ hơn nhiều so với năng lượng liên kết hạt nhân. Năng lượng giải phóng hoặc thu vào thường nhỏ hơn nhiều.

+ Phản ứng hạt nhân: Năng lượng liên kết hạt nhân rất lớn. Năng lượng giải phóng hoặc thu vào rất lớn.

Câu hỏi:

1. Hãy viết biểu thức liên hệ giữa các số khối và biểu thức liên hệ giữa các điện tích của các hạt nhân trong phản ứng hạt nhân:

\({}_{{Z_1}}^{{A_1}}{X_1} + {}_{{Z_2}}^{{A_2}}{X_2} \to {}_{{Z_3}}^{{A_3}}{X_3} + {}_{{Z_4}}^{{A_4}}{X_4}\)

2. Khi bắn phá \({}_{92}^{235}U\) bằng neutron \({}_0^1n\) người ta thấy chúng hợp nhất thành hạt nhân X, ngay sau đó hạt nhân X phân rã thành \({}_{42}^{99}Mo\), ba hạt neutron và một hạt nhân Y.

a) Viết các phương trình phản ứng hạt nhân mô tả trong quá trình trên.

b) Sử dụng bảng hệ thống tuần hoàn hãy xác định tên gọi và kí hiệu các hạt nhân X và Y.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết :

1.

Biểu thức liên hệ giữa các số khối: \({A_1} + {A_2} = {A_3} + {A_4}\) Biểu thức liên hệ giữa các điện tích: \({Z_1} + {Z_2} = {Z_3} + {Z_4}\)

2.

a)

Hợp nhất: \({}_{92}^{235}U + {}_0^1n \to {}_{92}^{236}X\)

Phân rã: \({}_{92}^{236}X \to {}_{42}^{99}Mo + 3{}_0^1n + {}_{50}^{134}Y\)

b) \({}_{92}^{236}X\)là \({}_{92}^{236}U\)

\({}_{50}^{134}Y\)là \({}_{50}^{134}Sn\)

Câu hỏi:

Vì sao để tách được các nucleon ra khỏi hạt nhân cần một năng lượng lớn?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết năng lượng liên kết

Lời giải chi tiết :

Để tách được các nucleon (proton và neutron) ra khỏi hạt nhân, cần phải cung cấp một năng lượng lớn để vượt qua các lực liên kết hạt nhân. Lực liên kết hạt nhân là lực hút giữa các nucleon trong hạt nhân, là một trong những lực mạnh nhất trong tự nhiên.

Câu hỏi:

1. Nêu mối liên hệ giữa độ bền vững của hạt nhân và năng lượng liên kết riêng.

2. Giá trị năng lượng liên kết riêng E_lkr của nhiều hạt nhân được biểu diễn trên đồ thị Hình 22.3. Em hãy:

a) Chỉ ra hai hạt nhân bền vững nhất, ước lượng E_lkr của chúng.

b) Xác định năm hạt nhân nhẹ (A ≤ 30) và bốn hạt nhân nặng (A ≥ 160) có E_lkr ≤ 8,2 MeV.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết năng lượng liên kết

Lời giải chi tiết :

1. E_lkr lớn cho thấy lực liên kết giữa các nuclon trong hạt nhân mạnh hơn. Lực liên kết mạnh hơn giúp hạt nhân chống lại sự phân rã. Hạt nhân có Elkr nhỏ có lực liên kết yếu hơn, dễ bị phân rã thành các hạt nhân khác để giải phóng năng lượng.

2.

a) Hai hạt nhân bền vững nhất là Fe và As

b) 5 hạt nhân nhẹ có E_lkr ≤ 8,2 MeV: F, C, He, B, Be

4 hạt nhân nặng có E_lkr ≤ 8,2 MeV: Hf, Au, Bi, U

Câu hỏi:

Hãy tính độ hụt khối của hạt nhân oxygen \({}_8^{16}O\) biết khối lượng hạt nhân oxygen là m₀ ≈ 15,99492 amu.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính độ hụt khối

Lời giải chi tiết :

\(\Delta m = \left( {Z{m_p} + (A - Z){m_n}} \right) - {m_X} = \left( {8.1,007276 + (16 - 8).1,008665} \right) - 15,99492 = 0,028678amu\)

Câu hỏi:

Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

a) Tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân \({}_2^4He\)

b) Tìm hệ số chuyển đổi giữa các đơn vị amu và MeV/c².

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết năng lượng liên kết riêng

Lời giải chi tiết :

a) \({E_{lk}} = \Delta m{c^2} = (2.1,007276 + 2.1,008665 - 4,03188){.3.10^8} = 600MeV\)

\({E_{lkr}} = \frac{{{E_{lk}}}}{A} = \frac{{600}}{4} = 150MeV\)

b) 1 amu = 931,5 MeV/c²

Câu hỏi:

Sự phân hạch hạt nhân là gì? Nêu đặc điểm phản ứng phân hạch của uranium.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết phân hạch

Lời giải chi tiết :

- Phân hạch hạt nhân là quá trình một hạt nhân nặng (như uranium) bị neutron bắn phá và vỡ thành hai hạt nhân con nhẹ hơn (như krypton và barium).

Đặc điểm:

- Đồng vị phân hạch:

+ \({}^{235}U\) là đồng vị duy nhất có thể phân hạch tự nhiên.

+ \({}^{238}U\) có thể phân hạch bởi neutron nhanh.

- Năng lượng:

+ Năng lượng phân hạch của uranium trung bình là 200 MeV mỗi hạt nhân.

+ Năng lượng này gấp hàng triệu lần năng lượng giải phóng trong các phản ứng hóa học.

- Neutron:

+ Phản ứng phân hạch của uranium giải phóng trung bình 2-3 neutron.

+ Số neutron này có thể duy trì chuỗi phản ứng phân hạch.

- Sản phẩm:

+ Phản ứng phân hạch của uranium tạo ra nhiều hạt nhân con khác nhau, bao gồm krypton, barium, strontium, cesium, v.v.

+ Các sản phẩm phân hạch này thường là chất phóng xạ.

Câu hỏi:

1. Nêu đặc điểm của phản ứng phân hạch dây chuyền.

2. Tính năng lượng tỏa ra khi phân hạch hoàn toàn 1 kg \({}_{92}^{235}U\). Biết mỗi phân hạch tỏa ra năng lượng 200 MeV.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết phân hạch

Lời giải chi tiết :

1. Đặc điểm của phản ứng phân hạch dây chuyền:

- Định nghĩa: Phản ứng phân hạch dây chuyền là một chuỗi các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp, trong đó neutron được giải phóng từ một phản ứng phân hạch kích hoạt phản ứng phân hạch tiếp theo.

- Điều kiện:

+ Phản ứng phân hạch dây chuyền chỉ xảy ra khi hệ số nhân neutron (k) lớn hơn hoặc bằng 1.

+ Hệ số nhân neutron (k) là số neutron trung bình được tạo ra bởi một phản ứng phân hạch.

+ Loại: Phản ứng phân hạch dây chuyền có thể là:

Kiểm soát: được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện năng.

Không kiểm soát: xảy ra trong bom nguyên tử.

- Nguy cơ: Phản ứng phân hạch dây chuyền không kiểm soát có thể dẫn đến tai nạn hạt nhân.

2. Năng lượng tỏa ra khi phân hạch hoàn toàn 1 kg \({}_{92}^{235}U\)là:

\(E = N.{E_{toa}} = \frac{{1000}}{{235}}.6,{022.10^{23}}.200.1,{6.10^{ - 13}} = 8,{2.10^{13}}J\)

Câu hỏi:

1. Sự tổng hợp hạt nhân là gì? Nêu điều kiện xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân.

2. So sánh định tính phản ứng tổng hợp hạt nhân và phản ứng phân hạch về các đặc điểm: nhiên liệu phản ứng và điều kiện xảy ra phản ứng.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết tổng hợp và phân hạch

Lời giải chi tiết :

1.

- Định nghĩa: Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình kết hợp hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.

- Điều kiện:

+ Nhiệt độ cao (trên 10 triệu độ Kelvin) để các hạt nhân có đủ năng lượng để vượt qua lực đẩy điện và kết hợp với nhau.

+ Mật độ hạt nhân cao để tăng khả năng va chạm giữa các hạt nhân.

+ Thời gian giam giữ hạt nhân đủ lâu để phản ứng xảy ra.

2.