Bài 2. Năng lượng hạt nhân trang 94, 95, 96 Vật lý 12 Cánh diều: Các proton mang điện tích dương nên đẩy nhau theo định luật Coulomb...

Câu hỏi:

Các proton mang điện tích dương nên đẩy nhau theo định luật Coulomb. Nguyên nhân nào khiến các proton và neutron vẫn có thể liên kết chặt chẽ với nhau trong hạt nhân?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức về các loại lực

Lời giải chi tiết :

Nguyên nhân khiến các proton và neutron vẫn có thể liên kết chặt chẽ với nhau trong hạt nhân

- Lực hạt nhân là lực chính giữ cho các proton và neutron liên kết chặt chẽ với nhau trong hạt nhân.

- Năng lượng liên kết, số hiệu nguyên tử và số neutron cũng đóng vai trò quan trọng trong sự liên kết của hạt nhân.

Câu hỏi:

Cho biết khối lượng của hạt nhân \({}_6^{12}C\) là 11,99993 u. Sử dụng số liệu trong bảng 1.1 trang 92, tính độ hụt khối của hạt nhân \({}_6^{12}C\).

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính độ hụt khối

Lời giải chi tiết :

Độ chênh lệch giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là ∆m

độ hụt khối = tổng khối lượng các nucleon – khối lượng hạt nhân

\(\Delta m = Z.{m_p} + (A - Z).{m_n} - {m_X} = 6.1,00728 + (12 - 6).1,00866 - 11,99993 = 0,09571amu\)

Câu hỏi:

Tính 1 MeV/c² ra đơn vị kilôgam.

Hướng dẫn giải :

Sử dụng quan hệ khối lượng năng lượng trong định luật tương đối của Albert Einstein

Lời giải chi tiết :

\(m = \frac{E}{{{c^2}}} = \frac{{1MeV}}{{{c^2}}} = \frac{{{{10}^6}eV}}{{{c^2}}} = \frac{{{{10}^6}.1,{{6.10}^{ - 19}}}}{{{{({{3.10}^8})}^2}}} = 1,{78.10^{ - 30}}kg\)

Câu hỏi:

Tính năng lượng liên kết của hạt nhân \({}_6^{12}C\) ra đơn vị MeV và đơn vị J

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính năng lượng liên kết

Lời giải chi tiết :

Năng lượng liên kết của hạt nhân \({}_6^{12}C\) được tính theo công thức:

\(\begin{array}{l}{W_{lk}} = \Delta m.{c^2}\\ = \left( {Z.{m_p} + (A - Z).{m_n} - {m_X}} \right){c^2}\\ = \left( {6.1,00728 + (12 - 6).1,00866 - 11,99993} \right).{\left( {{{3.10}^8}} \right)^2}.1,{6605.10^{ - 27}}\\ = 1,{43.10^{ - 11}}J\end{array}\)

Câu hỏi:

Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân \({}_6^{12}C\).

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính năng lượng liên kết riêng

Lời giải chi tiết :

\({W_{lkr}} = \frac{{{W_{lk}}}}{A} = \frac{{0,9571.931,5}}{{12}} = 7,4295MeV/nucleon\)

Câu hỏi:

Dựa vào Hình 2.3, sắp xếp các hạt nhân sau theo thứ tự độ bền vững tăng dần:

\({}_3^6Li,{}_6^{12}C,{}_7^{14}N,{}_{10}^{20}Ne\)

Hướng dẫn giải :

Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho một nucleon. Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

Lời giải chi tiết :

Dựa vào hình 2.3 ta có thể sắp xếp được độ bền vững của các hạt nhân trên theo thứ tự tăng dần như sau: \({}_3^6Li,{}_7^{14}N,{}_6^{12}C,{}_{10}^{20}Ne\)

Câu hỏi:

Hạt nhân \({}_{26}^{56}Fe\) có năng lượng liên kết riêng bằng 8,8 MeV/nucleon là một trong những hạt nhân bền vững nhất trong tự nhiên. Tính độ hụt khối của hạt nhân này.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính độ hụt khối thông qua công thức tính năng lượng liên kết

Lời giải chi tiết :

\(\begin{array}{l}{W_{lk}} = 8,8A = 8,8.56 = 492,8MeV\\ \Rightarrow {W_{lk}} = \Delta m{c^2} = 492,8 \Rightarrow \Delta m = \frac{{{W_{lk}}}}{{{c^2}}} = 492,8MeV/{c^2}\end{array}\)

Câu hỏi:

Ta có thể áp dụng hệ thức Einstein (2.2) để tính năng lượng tỏả ra của phản ứng phân hạch hạt nhân \({}_{92}^{235}U\) trong Hình 2.4. Trước phản ứng, tổng khối lượng các hạt là

m_trước = m_n + m_U

Sau phản ứng, tổng khối lượng các hạt là

m_sau = m_Kr + m_Ba + 3m_n

Thông qua phản ứng, khối lượng của hệ đã giảm đi một lượng là:

m_trước - m_sau

Như vậy, phản ứng đã tỏả ra một năng lượng là

E_tỏa = (m_trước - m_sau)c²

Cho biết khối lượng nguyên tử của các hạt trong phản ứng phân hạch Hình 2.4 như trong bảng dưới đây:

Tính năng lượng toả ra của phản ứng đó ra đơn vị MeV.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng hệ thức Einstein

Lời giải chi tiết :

Trước phản ứng, tổng khối lượng các hạt là

m_trước = m_n + m_U = 1,0087 + 235,0439 = 236,0526 u

Sau phản ứng, tổng khối lượng các hạt là

m_sau = m_Kr + m_Ba + 3m_n = 91,9262 + 140,9144 + 3.1,0087 = 235,8667 u

Như vậy, phản ứng đã tỏả ra một năng lượng là

E_tỏa = (m_trước - m_sau)c² = (236,0526 - 235,8667) c² = 173,166 MeV

Câu hỏi:

Năng lượng tỏả ra khi 1,000 kg \({}_{92}^{235}U\) bị phân hạch hoàn toàn theo phản ứng trong Hình 2.4 tương đương với năng lượng toả ra khi đốt cháy bao nhiêu tấn than đá? Cho biết: khối lượng mol nguyên tử của uranium là 235,0439 g/mol; số Avogadro N_A = 6,02.10²³ nguyên tử/mol.

Mỗi kg than đá khi đốt cháy hoàn toàn toả ra 27.10⁶ J năng lượng nhiệt.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lý thuyết phân hạch

Lời giải chi tiết :

Phản ứng phân hạch của hạt nhân \({}_{92}^{235}U\) như trong Hình 2.4 tỏa ra năng lượng xấp xỉ bằng 173 MeV. Năng lượng này được gọi là năng lượng phân hạch, do đó để tính năng lượng tỏa ra khi 1000kg \({}_{92}^{235}U\) bị phân hạch hoàn toàn ta cần biết có bao nhiêu hạt nhân \({}_{92}^{235}U\) đã bị phân hạch. Ta có:

\(n = \frac{m}{M} = \frac{{{{10}^6}}}{{235,0439}} = 4254,52mol\)

\(N = n.{N_A} = 4254,52.6,{02.10^{23}} = 2,{56.10^{27}}\)hạt

\(A = 2,{56.10^{27}}.173.1,{602.10^{ - 13}} = 7,{1.10^{16}}J\)

Mà mỗi kg than đá khi đốt cháy hoàn toàn toả ra 27.10⁶ J năng lượng nhiệt, số kg than đá cần thiết để sinh ra lượng nhiệt tương ứng như trên là:

\(\frac{{7,{{1.10}^{16}}}}{{{{27.10}^6}}} = 2,{6.10^9}kg\)

Câu hỏi:

Arktika là tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân của Nga. Với chiều dài 173 m, cao 15 m, tàu được trang bị hai lò phản ứng hạt nhân, mỗi lò có công suất 175 MW, giúp tàu phá lớp băng dày đến 3 m.

Nếu lò phản ứng này sử dụng năng lượng từ sự phân hạch của \({}_{92}^{235}U\), mỗi phân hạch sinh ra trung bình 203 MeV; tính khối lượng \({}_{92}^{235}U\) mà lò phản ứng tiêu thụ trong 1 ngày. Cho số Avogadro N_A = 6,02.10²³ nguyên tử/mol và khối lượng mol nguyên tử của \({}_{92}^{235}U\) là 235 g/mol.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính công, khối lượng

Lời giải chi tiết :

Công mà mỗi lò phản ứng hạt nhân của tàu đó tạo ra trong một ngày:

\(N = \frac{{1,{{512.10}^{13}}}}{{3,{{25206.10}^{ - 11}}}} = 4,{65.10^{23}}\) hạt

\(n = \frac{N}{{{N_A}}} = \frac{{4,{{65.10}^{23}}.2}}{{6,{{02.10}^{23}}}} = 1,545mol\)

Do đó khối lượng \({}_{92}^{235}U\) cần thiết cho cả 2 lò để tàu hoạt động trong một ngày là: \(m = n.M = 1,545.235 = 363,075g\)

Câu hỏi:

Tìm tài liệu như hình ảnh, bài báo,… và dựa vào các tài liệu đó thảo luận với bạn bè về vai trò của một số ngành công nghiệp hạt nhân trong khoa học và đời sống

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức đời sống

Lời giải chi tiết :

Ngày nay, công nghệ hạt nhân không chỉ là một phần quan trọng của ngành công nghiệp, mà còn đóng vai trò không thể phủ nhận trong việc cải thiện đời sống và tiến bộ khoa học. Dưới đây là những ứng dụng và vai trò của ngành công nghiệp hạt nhân trong cuộc sống hàng ngày và trong lĩnh vực khoa học:

Y tế: Chẩn đoán và điều trị ung thư

Năng lượng:

+ Phát điện hạt nhân.

+ Nghiên cứu và phát triển năng lượng hạt nhân mới.

Khoa học:

+ Nghiên cứu vật lý hạt nhân.

+ Ứng dụng trong nghiên cứu vật lý khác.

Môi trường và bảo vệ:

+ Xử lý chất thải hạt nhân.

+ Giảm lượng khí thải carbon.

Những ứng dụng và vai trò của ngành công nghiệp hạt nhân đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện đời sống của con người, từ cung cấp năng lượng sạch đến cải thiện phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh tật. Tuy nhiên, cần phải chú ý đến các vấn đề liên quan đến an toàn, bảo vệ môi trường và quản lý chất thải hạt nhân để đảm bảo rằng các ứng dụng này được sử dụng một cách an toàn và bền vững.