Tailieumoi.vn giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 12 Bài 22: Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết chi tiết sách Kết nối tri thức giúp học sinh xem và so sánh lời giải từ đó biết cách làm bài tập môn Vật lí 12. Mời các bạn đón xem:

Giải bài tập Vật Lí 12 Bài 22: Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

Khởi động trang 96 Vật Lí 12: 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 đổi thành các hạt nhân khác không?

Lời giải:

Rutherford đã cho chùm hạt alpha (${}_2^4\mathrm{He}$), phóng ra từ nguồn phóng xạ ${}_{84}^{210}Po$ đặt tại P, bắn phá hạt nhân ${}_7^{14}N$ có trong không khí được dẫn theo đường nạp và hút khí A (Hình 22.1). Kính hiển vi K dùng để quan sát vết sáng được tạo ra do hạt nhân đập vào màn phủ huỳnh quang S. Từ kết quả thí nghiệm, ông cho rằng có hạt nhân ${}_1^{1}H$ trong sản phẩm. Tuy nhiên, ông chưa đưa ra được kết luận về bản chất diễn biến của quá trình tương tác trên.

I. Phản ứng hạt nhân

Hoạt động trang 97 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Tổng số điện tích (9), tổng số nucleon (18) của các hạt nhân trước và sau khi tương tác bằng nhau.

Câu hỏi trang 97 Vật Lí 12: Hãy trình bày sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hoá học.

Lời giải:

Hoạt động 1 trang 97 Vật Lí 12: 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:

${}_{{\mathrm{Z}}_1}^{{\mathrm{A}}_1}{\mathrm{X}}_1{+}_{{\mathrm{Z}}_2}^{{\mathrm{A}}_2}{\mathrm{X}}_2{\to }_{{\mathrm{Z}}_3}^{{\mathrm{A}}_3}{\mathrm{X}}_3{+}_{{\mathrm{Z}}_4}^{{\mathrm{A}}_4}{\mathrm{X}}_4$

Lời giải:

Bảo toàn số nucleon (số khối): A₁ + A₂ = A₃ + A₄

Bảo toàn điện tích: Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

Hoạt động 2 trang 97 Vật Lí 12: Khi bắn phá ${}_{92}^{235}\mathrm{U}$ bằng neutron ${}_0^1\mathrm{n}$ người ta thấy chúng hợp nhất thành hạt nhân X, ngay sau đó hạt nhân X phân rã thành ${}_{42}^{99}\mathrm{Mo}$, 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.

Lời giải:

a) Phương trình phản ứng hạt nhân:

${}_{92}^{235}U{+}_0^{1}n{\to }_{92}^{236}X$

${}_{92}^{236}X{\to }_{42}^{99}Mo+3_0^{1}n{+}_{50}^{134}Y$

b) Dựa vào bảng hệ thống tuần hoàn thì X là Uranium (U) là một đồng vị của ${}_{92}^{235}U$ và Y là thiếc (Sn).

II. Năng lượng liên kết

Câu hỏi trang 98 Vật Lí 12: Vì sao để tách được các nucleon ra khỏi hạt nhân cần một năng lượng lớn?

Lời giải:

Muốn phá vỡ một hạt nhân X ta phải cung cấp một năng lượng đúng bằng năng lượng mà hệ các hạt đã tỏa ra khi hạt nhân được tạo thành (năng lượng liên hết hạt nhân). Mà các nucleon liên kết với nhau bởi lực hạt nhân có cường độ rất lớn.

Hoạt động 1 trang 98 Vật Lí 12: Nêu mối liên hệ giữa độ bền vững của hạt nhân và năng lượng liên kết riêng.

Lời giải:

Hạt nhân có E_lkr càng lớn thì càng bền vững và ngược lại.

Hoạt động 2 trang 98 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

a) Dựa vào đồ thị thấy Fe và As là hạt nhân bền vững nhất. E_lkr của Fe khoảng 8,7 MeV, của As khoảng 8,6 MeV.

b) Năm hạt nhân nhẹ (A ≤ 30) và có E_lkr < 8,2 MeV là: Li, Be, B, He, N

Bốn hạt nhân nặng (A ≥ 160) và có E_lkr < 8,2

Câu hỏi trang 99 Vật Lí 12: Hãy tính độ hụt khối của hạt nhân oxygen ${}_8^{16}\mathrm{O}$, biết khối lượng hạt nhân oxygen là ${\mathrm{m}}_{\mathrm{O}}\approx 15,99492$

Lời giải:

Độ hụt khối:

$\mathrm{\Delta m}=\left[{\mathrm{Zm}}_{\mathrm{p}}+(\mathrm{A}-\mathrm{Z}){\mathrm{m}}_{\mathrm{n}}\right]-{\mathrm{m}}_{\mathrm{O}}$

$=\left[8.1,00728+(16-8).1,00866\right]-15,99492=0,1326\mathrm{amu}$

MeV là: Hf, Au, Bi, U

Hoạt động trang 100 Vật Lí 12: Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

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

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

Lời giải:

1 amu = 1,66054.10^-27 kg

a) Độ hụt khối:

$\Delta m=\left[Z{m}_p+(A-Z)m_n\right]-m_{He}$

$=\left[2.1,00728+(4-2).1,00866\right]-4,00015=0,032amu$

Năng lượng liên kết:

$E_{lk}=\Delta m.c^2=0,032.1,{66054.10}^{-27}.{\left({3.10}^8\right)}^2=4,{78.10}^{-12}\text{}J=29,9MeV$

Năng lượng liên kết riêng: $E_{lkr}=\frac{E_{lk}}{A}=\frac{29,9}{4}=7,475MeV/nucleon$

b) 1 amu = 931,5 MeV/c²

III. Phản ứng phân hạch hạt nhân

Hoạt động trang 101 Vật Lí 12: Sự phân hạch hạt nhân là gì? Nêu đặc điểm phản ứng phân hạch của uranium.

Lời giải:

- Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn. Hai hạt nhân này, hay còn gọi là sản phẩm phân hạch, có số khối trung bình và bền vững hơn so với hạt nhân ban đầu.

- Đặc điểm của phản ứng phân hạch của Uranium: Sau mỗi phản ứng phân hạch có một số neutron được giải phóng, số neutron này lại tham gia và các phản ứng phân hạch tiếp theo.

Câu hỏi 1 trang 101 Vật Lí 12: Nêu đặc điểm của phản ứng phân hạch dây chuyền.

Lời giải:

- Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch của uranium (hoặc plutonium ...) lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân uranium (hoặc plutonium ...) khác ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân hạch tiếp diễn thành một dây chuyền. Số phân hạch tăng lên rất nhanh trong một thời gian rất ngắn, ta có phản ứng phân hạch dây chuyền.

- Gọi k là số neutron trung bình được giải phóng sau mỗi phân hạch đến kích thích các hạt nhân ${}_{92}^{235}U$ khác để tạo nên những phản ứng phân hạch mới hình thành dây chuyền phản ứng. Khi k < 1 ứng với phản ứng phân hạch dây chuyền tắt dần, k > 1 ứng với phân hạch dây chuyền tự duy trì.

Câu hỏi 2 trang 101 Vật Lí 12: Tính năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn 1 kg ${}_{92}^{235}\mathrm{U}$ . Biết mỗi phân hạch toả ra năng lượng 200 MeV.

Lời giải:

Số hạt nhân ${}_{92}^{235}\mathrm{U}$ có trong 1 kg là: $\mathrm{N}=\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{A}}.{\mathrm{N}}_{\mathrm{A}}=\frac{1000}{235}.6,02{.10}^{23}=2,56{.10}^{24}$

Số phản ứng hạt nhân bằng với số hạt nhân ${}_{92}^{235}\mathrm{U}$, nên năng lượng toả ra là:

$\mathrm{W}=2,56{.10}^{24}.200=5,12{.10}^{26}\mathrm{MeV}$.

IV. Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Câu hỏi 1 trang 103 Vật Lí 12: Sự tổng hợp hạt nhân là gì? Nêu điều kiện xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Lời giải:

- Phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

- Điều kiện xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân:

+ Nhiệt độ cần cho phản ứng khoảng 10⁷ đến 10⁸ K.

+ Mật độ hạt nhân n phải đủ lớn, đồng thời thời gian Δt duy trì nhiệt độ cao cũng phải đủ dài. J. D. Lawson (Lau-sơn, nhà khoa học người Anh) đã chứng minh điều kiện: n.Δt > 10¹⁴ s/cm³.

Câu hỏi 2 trang 103 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Em có thể trang 103 Vật Lí 12: • Nêu được nguyên tắc để biến một chất bất kì thành một chất mong muốn.

• Nêu được tiềm năng khai thác sử dụng năng lượng hạt nhân.

• Giải thích được vì sao phản ứng phân hạch và tổng hợp hạt nhân toả năng lượng.

• Giải thích nguồn gốc vạn vật.

Lời giải:

- Nguyên tắc để biến một chất bất kì thành một chất mong muốn là xảy ra phản ứng hạt nhân.

- Tiềm năng khai thác sử dụng năng lượng hạt nhân: Năng lượng hạt nhân là năng lượng rất lớn thu được trong một phản ứng hạt nhân. Năng lượng hạt nhân khi hoạt động không phát thải khí độc hại như CO₂ và metan, những chất nguy hiểm khác – nguyên nhân gây hiện tượng biến đổi khí hậu.

- Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn nên cần năng lượng lớn để phá vỡ lực liên hết hạt nhân vì vậy tỏa nhiệt lớn.

- Phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn vì các hạt nhân đều mang điện tích dương nên muốn chúng hợp lại thì phải cung cấp cho chúng một động năng đủ lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện làm chúng kết hợp với nhau. Nên phản ứng này cũng tỏa năng lượng rất lớn.

- Nguồn gốc vạn vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc phân tử, tạo ra các nguyên tử, nguyên tố mới nhờ các phản ứng hạt nhân.

Lý thuyết Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

I. Phản ứng hạt nhân

1. Thí nghiệm phát hiện phản ứng hạt nhân

Rutherford đã cho chùm hạt alpha ($2_{4}He$), phóng ra từ nguồn phóng xạ ${84}_{210}Po$ đặt tại P, bắn phá hạt nhân $7_{14}N$ có trong không khí được dẫn theo đường nạp và hút khí A (Hình 22.1). Kính hiển vi K dùng để quan sát vết sáng được tạo ra do hạt nhân đập vào màn phủ huỳnh quang S. Từ kết quả thí nghiệm, ông cho rằng có hạt nhân $1_{1}H$ trong sản phẩm. Tuy nhiên, ông chưa đưa ra được kết luận về bản chất diễn biến của quá trình tương tác trên.

Năm 1925, Patrick Blackett (Pa-trích Bơ-lách-két) đã sử dụng buồng sương để chụp được dấu vết tương tác này, đó chính là vết sương rẽ nhánh trong Hình 22.2. Buồng sương là một buồng hơi ở trạng thái siêu bão hòa, có thể tạo ra các vệt sương đủ to dọc theo đường đi của các hạt mang điện chuyển động mà mắt thường có thể nhìn thấy được. Kết quả phân tích hình ảnh của vết sương rẽ nhánh là bằng chứng giúp ông đi tới kết luận: Trong một số trường hợp, hạt $2_{4}He$ bắn phá vào hạt nhân $7_{14}N$ đã tạo ra hai hạt nhân mới đó là $8_{17}O$ và $1_{1}H$

2. Các loại phản ứng hạt nhân

Người ta gọi quá trình biến đổi hạt nhân này thành hạt nhân khác là phản ứng hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân thường được chia làm hai loại:

- Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với các hạt khác (ví dụ: hạt nhân, neutron, ... ) tạo ra các hạt nhân mới. Ví dụ: phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp hạt nhân.

- Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân mới. Ví dụ: hiện tượng phân rã hạt nhân ${92}_{238}U$ được công bố lần đầu tiên trên thế giới bởi Henri Becquerel.

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

Phương trình phản ứng hạt nhân:

${Z_1}_{A_1}{X}_1+{}_{Z_2}^{A_2}{X}_2\to {}_{Z_3}^{A_3}{X}_3+{}_{Z_4}^{A_4}{X}_4$

- Định luật bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nucleon của các hạt trước phản ứng bằng tổng số nucleon của các hạt tạo thành sau phản ứng. Bảo toàn số nucleon cũng là bảo toàn số khối A.

A₁ + A₂ = A₃ + A₄

- Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt trước phản ứng bằng tổng đại số các điện tích của các hạt tạo thành sau phản ứng.

Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

II. Năng lượng liên kết

1. Lực hạt nhân và năng lượng liên kết riêng

- Lực tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân là lực hút, gọi là lực hạt nhân, có tác dụng liên kết các nucleon với nhau.

- Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện, nó không phụ thuộc vào điện tích của nucleon. So với lực điện từ và lực hấp dẫn, lực hạt nhân có cường độ rất lớn.

- Tương tác hạt nhân chỉ đáng kể khi các hạt nucleon nằm cách nhau một khoảng rất ngắn, bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của hạt nhân. Nói một cách khác, bán kính tác dụng của lực hạt nhân cỡ 10^-15 m. Muốn tách nucleon ra khỏi hạt nhân, cần phải tốn năng lượng để thắng lực hạt nhân.

- Năng lượng tối thiểu dùng để tách toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân bằng năng lượng liên kết hạt nhân E_lk.

- Mức độ bền vững của hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng liên kết riêng: $E_{\text{lkr}}=\frac{E_{\text{lk}}}{A}$

Hạt nhân có E_lkr càng lớn thì càng bền vững.

2. Độ hụt khối

Độ chênh lệch giữa tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng m, của hạt nhân gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là Δm:

$\Delta m=Z{m}_{\text{p}}+(A-Z)m_{\text{n}}-m_{\text{x}}$

3. Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng

- Năng lượng liên kết hạt nhân bằng năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân đó thành các nucleon riêng lẻ:

$E_{\text{lk}}=\Delta m\cdot c^2=\left(Z{m}_{\text{p}}+(A-Z)m_{\text{n}}-m_{\text{x}}\right)c^2$

- Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho một nucleon. Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.

$E_{\text{lkr}}=\frac{E_{\text{lk}}}{A}$

III. Phản ứng phân hạch hạt nhân

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn. Hai hạt nhân này, hay còn gọi là sản phẩm phân hạch, có số khối trung bình và bền vững hơn so với hạt nhân ban đầu.

1. Sự phân hạch uranium

Dùng neutron nhiệt bắt phá hạt nhân ${92}_{235}U$, kết quả thu được các hạt nhân sản phẩm có số khối nhỏ hơn và giải phóng một số neutron.

Phương trình phản ứng: $0_{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{92}^{236}{U}^{*}\to {}_{39}^{95}Y+{}_{53}^{138}I+3_0^{1}n$

Phản ứng toả ra năng lượng khoảng 200 MeV dưới dạng động năng của các hạt nhân sản phẩm.

2. Phản ứng phân hạch dây chuyền

Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch của uranium (hoặc plutonium, ... ) có thể kích thích các hạt nhân khác trong mẫu chất phân hạch tạo nên những phản ứng phân hạch mới. Kết quả là các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp tạo ra phản ứng dây chuyền và toả ra năng lượng rất lớn.

IV. Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

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.

Xem thêm các bài giải bài tập Vật Lí lớp 12 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 20. Bài tập về từ trường

Bài 21. Cấu trúc hạt nhân

Bài 22. Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

Bài 23. Hiện tượng phóng xạ

Bài 24. Công nghiệp hạt nhân

Bài 25. Bài tập về vật lí hạt nhân