Mở đầu trang 105 Vật Lí 12: Các phản ứng hạt nhân đang diễn ra hằng ngày trong lò phản ứng của các nhà máy điện hạt nhân, cung cấp điện năng phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Ngoài ra, phản ứng hạt nhân cũng xảy ra trong lõi Mặt Trời trong hàng tỉ năm, góp phần vào quá trình hình thành và duy trì sự sống trên Trái Đất. Các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân và trong lõi của Mặt Trời lần lượt là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch. Việc hiểu rõ các tính chất của các phản ứng hạt nhân này là rất quan trọng để có thể kiểm soát và sử dụng hiệu quả, phục vụ cho sự phát triển của nhân loại.

Lời giải:

Việc hiểu rõ các tính chất của các phản ứng hạt nhân này là rất quan trọng để có thể kiểm soát và sử dụng hiệu quả, phục vụ cho sự phát triển của nhân loại.

Câu hỏi 1 trang 105 Vật Lí 12: Tìm hiểu và trình bày một phương án để tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân của các nguyên tố khác.

Lời giải:

Phương án tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân chì: Năm 1980, các nhà khoa học đã thành công trong việc biến chì thành vàng tuy nhiên lượng vàng tạo ra là rất nhỏ. Họ sử dụng một máy gia tốc hạt với năng lượng cực lớn để bắn các chùm hạt nhân với vận tốc ánh sáng kéo 3 proton ra khỏi hạt nhân của nguyên tử chì. Khi mất đi 3 proton thì đương nhiên chì sẽ biến thành vàng.

${}_{82}^{206}Pb\to {}_{79}^{197}Au+3{}_1^{1}p+6{}_0^{1}n$

Câu hỏi 2 trang 105 Vật Lí 12: So sánh sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hóa học

Lời giải:

- Phản ứng hóa học: Chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi làm cho phân tử này biến đổi thành phân tử khác. Các nguyên tử nguyên tố không thay đổi

- Phản ứng hạt nhân: Có sự biến đổi hạt nhân nguyên tử làm cho nguyên tử nguyên tố này biến đổi thành nguyên tử nguyên tố khác

→ Phản ứng hóa học chỉ gây ra sự thay đổi ở lớp vỏ các nguyên tử, còn phản ứng hạt nhân có sự thay đổi trong hạt nhân.

Câu hỏi 3 trang 106 Vật Lí 12: Viết phương trình phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford khi sử dụng chùm hạt a chiếu vào ${}_7^{14}N$. Kiểm chứng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong thí nghiệm trên.

Lời giải:

Phương trình: ${}_7^{14}N+{}_2^4\alpha \to {}_8^{17}O+{}_1^{1}H$

Trong phương trình trên, điện tích và số khối được bảo toàn.

Luyện tập trang 106 Vật Lí 12: Xác định số hiệu nguyên tử và số khối còn thiếu của hạt nhân trong các phản ứng sau:

a) ${}_7^{14}N+{}_0^{1}n\to {}_{?}^{?}C+{}_1^{1}H$

b) ${}_{92}^{238}U\to {}_{?}^{?}Th+{}_2^{4}He$

c) ${}_{12}^{25}Mg+{}_2^{4}He\to {}_{?}^{?}Al+{}_1^{1}H$

d) ${}_{84}^{210}Po\to {}_{?}^{?}Pb+{}_2^{4}He$

e) ${}_{?}^{?}Be+{}_2^{4}He\to {}_6^{12}C+{}_0^{1}n$

f) ${}_8^{16}O+{}_0^{1}n\to {}_{?}^{?}O$

Lời giải:

a) ${}_7^{14}N+{}_0^{1}n\to {}_6^{14}C+{}_1^{1}H$

b) ${}_{92}^{238}U\to {}_{90}^{234}Th+{}_2^{4}He$

c) ${}_{12}^{25}Mg+{}_2^{4}He\to {}_{13}^{28}Al+{}_1^{1}H$

d) ${}_{84}^{210}Po\to {}_{82}^{206}Pb+{}_2^{4}He$

e) ${}_4^{9}Be+{}_2^{4}He\to {}_6^{12}C+{}_0^{1}n$

f) ${}_8^{16}O+{}_0^{1}n\to {}_8^{17}O$

Câu hỏi 4 trang 107 Vật Lí 12: Khi được bắn phá bởi một neutron nhiệt, ${}_{92}^{235}U$ có thể phân hạch để tạo ra ${}_{54}^{140}Xe$ và ${}_{38}^{94}Sr$ cùng với một số hạt neutron. Hãy viết phương trình của phản ứng phân hạch này và xác định số neutron được tạo ra.

Lời giải:

${}_{92}^{238}U+{}_0^{1}n\to {}_{54}^{140}Xe+{}_{38}^{94}Sr+2{}_0^{1}n$

Số hạt neutron được tạo ra là 2 hạt.

Vận dụng trang 108 Vật Lí 12: Tìm hiểu và trình bày một số ứng dụng của phản ứng phân hạch.

Lời giải:

- Ứng dụng quan trọng nhất của loại phản ứng này có thể được tìm thấy trong các lò phản ứng hạt nhân. Động năng của quá trình sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng, làm nóng các khối nhiên liệu. Năng lượng nhiệt này làm ấm dòng nước, khiến hơi nước được tạo ra và sử dụng để làm quay tua-bin máy phát điện. Nhiệt phân hạch của một gam nhiên liệu Uranium có thể so sánh với sức nóng đốt cháy hàng chục đến hàng trăm tấn than.

- Bom phân hạch, thường được gọi là bom nguyên tử, là một lò phản ứng phân hạch được thiết kế để giải phóng càng nhiều năng lượng càng tốt và nhanh nhất có thể.

Câu hỏi 5 trang 108 Vật Lí 12: Khi được đặt trong nhiệt độ phù hợp, hai hạt nhân ${}_1^{2}H$ có thể kết hợp để tạo ra hạt nhân ${}_Z^{A}X$ cùng với một proton. Hãy xác định ${}_Z^{A}X$.

Lời giải:

${}_1^{2}H+{}_1^{2}H\to {}_1^{3}H+{}_1^{1}p$

Luyện tập trang 109 Vật Lí 12: So sánh phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch.

Lời giải:

- Phản ứng phân hạch là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn

- Phản ứng nhiệt hạch là quá trình hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân nặng hơn

→ Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân vỡ ra, còn trong phản ứng nhiệt hạch, các hạt nhân kết hợp lại. Đây là 2 quá trình ngược nhau.

Vận dụng trang 109 Vật Lí 12: Tìm hiểu và trình bày sơ lược về các phản ứng nhiệt hạch để tạo ra năng lượng trong lõi của Mặt Trời.

Lời giải:

Sở dĩ Mặt trời phát ra nguồn năng lượng khổng lồ như thế, đó là nhờ phản ứng hạt nhân nguyên tử của Mặt trời. Mặt trời vốn chứa rất nhiều nguyên tố hydro. Ở tâm Mặt trời dưới điều kiện nhiệt độ cao (15 triệu°C), áp suất cao, các hạt nhân nguyên tử hydro tác dụng lẫn nhau kết hợp với nhân nguyên tử heli nên đồng thời phóng thích ra lượng ánh sáng và lượng nhiệt vô tận như thế.

Vận dụng trang 110 Vật Lí 12: Thảo luận để đánh giá được một số tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại.

Lời giải:

- Thứ nhất, góp phần thúc đẩy tăng trưởng kinh tế và hạn chế tình trạng khai thác quá mức các nguồn tài nguyên gây tổn hại "các dịch vụ tự nhiên" như đa dạng sinh học, nguồn nước ngọt, không khí sạch và đất canh tác cũng như đe dọa sự phát triển bền vững. IAEA đã phát triển phương pháp mới, cho phép phân tích đồng thời và đồng bộ các tương tác phức tạp giữa thời tiết, sử dụng đất, các chiến lược năng lượng và nước..., nhằm tạo điều kiện thuận lợi giúp các nước dễ thích nghi hơn với các tình huống mới.

- Thứ hai, giúp xác định và xây dựng bản đồ các nguồn nước ngầm khả thi và nhanh hơn so với các công nghệ khác, từ đó nhân loại có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn nước sạch và an toàn. Công nghệ hạt nhân cũng cải thiện hiệu quả các hệ thống thủy lợi hiện đang sử dụng tới 70% nguồn nước ngọt của thế giới. 

- Thứ ba, giúp các nước sử dụng năng lượng hạt nhân an toàn và bền vững hơn, giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và tác động của biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh nhu cầu điện của thế giới được dự báo tăng từ 60-100% vào năm 2030, năng lượng hạt nhân với sự giám sát trực tiếp của IAEA sẽ góp phần tăng cường hòa bình và an ninh trên thế giới. 

- Thứ tư, góp phần tăng sản lượng lương thực, đánh giá để bảo tồn và nâng cao độ phì nhiêu của các nguồn đất và quản lý nguồn nước trong bối cảnh an ninh lương thực vẫn là thách thức lớn của toàn cầu trong thập kỷ tới. 

- Thứ năm, giúp nhận thức và bảo vệ tốt hơn các đại dương của thế giới thông qua giám sát quá trình axít hóa trong các đại dương. Công nghệ hạt nhân cũng là công cụ để phát triển bức tranh tổng thể về các đại dương.

- Thứ sáu, cung cấp các chẩn đoán chính xác và quan trọng giúp phát hiện và điều trị các bệnh lây nhiễm và không lây nhiễm. Hàng triệu người trên thế giới hàng ngày đang phụ thuộc vào các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh từ ứng dụng của công nghệ hạt nhân như dược phẩm phóng xạ... Sử dụng an toàn và phối hợp tốt công nghệ hạt nhân trong điều trị bệnh đang góp phần tích cực nâng cao sức khỏe và ổn định xã hội trên thế giới.

Tác hại:

- Kể từ khi quân đội Mỹ ném hai quả bom nguyên tử xuống thành phố Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) trong Thế chiến thứ II, cướp đi sinh mạng của hàng vạn người, nhân loại luôn đứng trước nguy cơ chiến tranh hạt nhân có thể hủy diệt sự sống trên trái đất.

- Bên cạnh đó, nguy cơ khủng bố phát tán chất phóng xạ; sự cố do các nhà máy điện hạt nhân, phương tiện sử dụng năng lượng hạt nhân,… gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng, kéo theo những hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, môi trường và sức khỏe con người, v.v.

- Nhận thức sâu sắc vấn đề đó, cộng đồng quốc tế đã ra sức đấu tranh nhằm cấm việc phát triển, thử nghiệm, sản xuất, tàng trữ, chuyển giao, sử dụng và đe doạ sử dụng vũ khí hạt nhân, tiến tới thủ tiêu loại vũ khí nguy hiểm này. Tuy nhiên, đến nay, số quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân không những không giảm mà còn tăng thêm. Nguy hiểm hơn là, một số quốc gia lợi dụng thành tựu của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đẩy nhanh nghiên cứu, phát triển, hiện đại hóa kho vũ khí hạt nhân, làm cho chúng “thông minh” hơn, sức hủy diệt cao hơn và có thể lẩn tránh được sự giám sát của luật pháp quốc tế.

- Mặt khác, một số quốc gia, trong đó có các nước trong khu vực đã xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân; nguy cơ rò rỉ, phát tán phóng xạ do sự cố như ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản, năm 2011 là một ví dụ, làm gia tăng nguy cơ sự cố bức xạ, hạt nhân, v.v.

- Tình hình trên đặt ra yêu cầu bức thiết, đòi hỏi chúng ta phải tích cực xây dựng, củng cố tiềm lực mọi mặt, nâng cao khả năng phòng, chống vũ khí hạt nhân và ứng phó có hiệu quả sự cố bức xạ và hạt nhân, làm giảm thiệt hại tới mức thấp nhất về người và tài sản, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc trong tình hình mới.

Bài tập

Bài 1 trang 110 Vật Lí 12: Chọn câu đúng về phản ứng phân hạch hạt nhân.

A. Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sản phẩm sau phân hạch luôn bằng tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phân hạch.

B. Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sản phẩm sau phân hạch luôn lớn hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phân hạch.

C. Tổng số proton của các hạt sau phân hạch luôn bằng tổng số proton của các hạt trước phân hạch.

D. Tổng số nucleon của các hạt sau phân hạch luôn bằng tổng số nucleon của các hạt trước phân hạch

Lời giải:

Định luật bảo toàn nucleon: tổng số nucleon của các hạt tương tác bằng tổng số nucleon của các hạt sản phẩm.

Đáp án D

Bài 2 trang 110 Vật Lí 12: Quá trình đầu tiên trong chuỗi phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở Mặt Trời là quá trình tổng hợp ${}_1^{2}H$ từ hai proton (sản phẩm sau phản ứng còn có hạt positron ${}_1^{0}e$ và neutrino ${\nu }_e$, được học trong Bài 17). Hãy viết phương trình phản ứng nhiệt hạch này.

Lời giải:

${}_1^{1}p+{}_1^{1}p\to {}_1^{2}H+{}_1^{0}e+{\nu }_{e^{\prime }}$

Bài 3 trang 110 Vật Lí 12: Tính năng lượng tỏa ra khi 100 g ${}_2^{3}He$ được tạo thành trong phản ứng nhiệt hạch:

${}_1^{2}H+{}_1^{2}H\to {}_2^{3}He+{}_0^{1}n$, biết rằng mỗi phản ứng này toả ra năng lượng khoảng 3,27 MeV. So sánh với năng lượng tỏa ra khi phân hạch hoàn toàn 100 g ${}_{92}^{235}U$, biết trung bình mỗi phản ứng phân hạch của ${}_{92}^{235}U$ tỏa ra năng lượng khoảng 200 Mev.

Lời giải:

Số hạt He có trong 100 g ${}_2^{3}He$ là: $N_{He}=\frac{m_{He}}{A_{He}}.N_A=\frac{100}{3}.6,{022.10}^{23}=2,{0073.10}^{25}$

Năng lượng tỏa ra khi 100 g ${}_2^{3}He$ tạo thành là: $E_1=2,{0073.10}^{25}.3,2.1,{6.10}^{-13}=0,{1.10}^{15}J$

100 g ${}_{92}^{235}U$ phân hạch tạo ra số phản ứng là: $N_U=\frac{m_U}{A_U}.N_A=\frac{100}{235}.6,{022.10}^{23}=2,{563.10}^{23}$

Năng lượng tỏa ra khi 100 g ${}_{92}^{235}U$ phân hạch là:$E_2=200N_U=200.2,{563.10}^{23}.1,{6.10}^{-13}=8,{2.10}^{12}J$

Vậy 100 g ${}_2^{3}He$ được tạo thành từ phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn gấp khoảng 12 lần năng lượng tỏa ra khi 100 g ${}_{92}^{235}U$bị phân hạch hoàn toàn

Lý thuyết Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

1. Phản ứng hạt nhân

Khái niệm và phân loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân được phân thành hai loại:

- Phản ứng hạt nhân tự phát: hạt nhân kém bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác bền vững hơn.

- Phản ứng hạt nhân kích thích: trong đó các hạt nhân tương tác với nhau chủ yếu thông qua quá trình va chạm và biến đổi tạo thành các hạt nhân mới.

Các phản ứng hạt nhân phổ biến có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình sau:

${}_{Z_1}^{A_1}X+{}_{Z_2}^{A_2}Y\to {}_{Z_3}^{A_3}C+{}_{Z_4}^{A_4}D$

trong đó X và Y là các hạt nhân tương tác, C và D là các hạt sản phẩm. Một số phản ứng hạt nhân có thể tạo ra nhiều hơn hai hạt sản phẩm.

Định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lí, trong phản ứng hạt nhân, điện tích và số khối được bảo toàn:

1. Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm.

A₁ + A₂ = A₃ + A₄

2. Định luật bảo toàn số nucleon: Tổng số nucleon (số khối) của các hạt tương tác bằng tổng số nucleon (số khối) của các hạt sản phẩm.

Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

2. Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng phân hạch của hạt nhân có thể được tạo ra bằng cách bắn phá các hạt nhân nặng bằng neutron (Hình 16.1).

Phương trình phản ứng: ${}_0^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{92}^{236}{U}^{*}\to {}_{39}^{95}Y+{}_{53}^{138}I+3_0^{1}n$

k là số neutron trung bình còn lại sau mỗi phản ứng phân hạch

- Nếu k < 1: phản ứng dây chuyền không xảy ra.

- Nếu k = 1: phản ứng dây chuyền tới hạn, mật độ neutron không đổi. Đây là phản ứng dây chuyền được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân để tạo ra năng lượng.

- Nếu k > 1: phản ứng dây chuyền vượt hạn, mật độ neutron tăng liên tục theo thời gian. Phản ứng dây chuyền không điều khiển được và xảy ra trong các vụ nổ hạt nhân.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch)

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực cao.

Ví dụ một phương trình phản ứng tổng hợp hạt nhân:

${}_1^{2}H+{}_1^{2}H\to {}_2^{3}He+{}_0^{1}n$

Phản ứng này toả năng lượng khoảng 4 MeV

Điều kiện để xảy ra phản ứng là ở nhiệt độ rất cao cỡ 10⁷ đến 10⁸ K, mật độ đủ lớn, thời gian phản ứng đủ dài.

3. Một số ngành công nghiệp hạt nhân trong đời sống

Phản ứng phân hạch có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp năng lượng, đó là các nhà máy phát điện sử dụng năng lượng hạt nhân.

Công nghệ hạt nhân còn có một số ứng dụng thực tiễn khác như:

- Trong y học: những kiến thức về vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Ví dụ: hiệu ứng huỷ cặp electron - positron (phản hạt của electron) được ứng dụng trong máy “chụp cắt lớp phát xạ positron"

- Trong nông nghiệp: cải tạo giống cây trồng có các đặc tính mới như: năng suất cao, chất lượng dinh dưỡng tốt, hình dáng đẹp (như cúc Chrysanthemum đột biến trong Hình 16.6), ...

- Trong công nghiệp: kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo mật độ vật liệu mà không phá huỷ mẫu vật, kiểm tra chất lượng mối hàn, ...

- Trong khảo cổ: xác định tuổi và thành phần cấu tạo chất của các mẫu vật.

- Trong thực phẩm: diệt vi sinh vật để khử trùng thực phẩm; làm chậm quá trình chín giúp trái cây được bảo quản lâu hơn ở điều kiện bình thường.