Giải chi tiết Vật lí 12 Cánh diều bài 2 Năng lượng hạt nhân

MỞ ĐẦU 

Các proton mang điện tích dương nên lấy 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?

Bài làm chi tiết:

Các proton và neutron liên kết chặt chẽ trong hạt nhân vì tác động hạt nhân mạnh, vượt qua lực đẩy Coulomb giữa proton tích dương, giữ cho chúng ổn định trong hạt nhân.

I. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Luyện tập 1. Cho biết khối lượng của hạt nhân 612C là 11,99993 u. Sử dụng số liệu trong bảng 1.1 trang 92, tính độ hụt khối của hạt nhân 612C.

Bảng 1.1. Khối lượng của các nucleon và hạt nhân tính theo amu

Bài làm chi tiết:

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

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

Δm=Z.mp+A-Z.mn-mX

Trong đó:

  mp là khối lượng hạt proton;

  mn là khối lượng hạt neutron;

  mX là khối lượng hạt nhân ZAX.

Do đó độ hụt khối của hạt nhân 612C nói trên là :

Δm=Z.mp+A-Z.mn-mX

• Δm=6.1,00728+12-6.1,00866-11,99993
• Δm=0,09571 (amu)

Vậy Δm=0,09571 amu.

Câu 1: Tính 1 MeV/c² ra đơn vị kilogam.

Bài làm chi tiết:

Sử dụng quan hệ khối lượng năng lượng trong định luật tương đối của Albert Einstein: E=mc², trong đó E là năng lượng, m là khối lượng, và c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Do đó khối lượng của 1 MeV/c² ra đơn vị kilogam là:

Luyện tập 2: Tính năng lượng liên kết của hạt nhân 612C ra đơn vị MeV và đơn vị J.

Bài làm chi tiết:

Năng lượng liên kết của hạt nhân 612C được tính bằng việc áp dụng công thức:

Wlk=∆m.c2

Với Δm=Z.mp+A-Z.mn-mX

Δm=6.1,00728+12-6.1,00866-11,99993

Δm=0,09571 (amu)

Mà 1 amu = 931,5  MeV/c^2, do đó năng lượng liên kết của hạt nhân 612C ra đơn vị MeV là:

Wlk=∆m.c2

• Wlk=0,09571.931,5=89,154 MeV.

Ta lại có 1 amu = 1,6605.10^-27 kg, do đó năng lượng liên kết của hạt nhân 612C ra đơn vị J là: 
Wlk=∆m.c2

=> Wlk=0,09571.1,6605.10-27.3.1082=1,43.10-11 J

Câu 3: Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân .

Bài làm chi tiết:

Năng lượng liên kết riêng được tính bằng áp dụng công thức: WlkA, do đó năng lượng liên kết riêng của hạt nhân là:

WlkA=89,15412=7,4295 MeV/nucleon

Với Wlk=89,154 MeV được tính ở bài trên.

Vậy năng lượng liên kết riêng của hạt nhân là 7,4295 MeV/nucleon.

Câu 2: Dựa vào Hình 2.3, sắp xếp các hạt nhân sua theo thứ tự độ bền vững tăng dần: 

36Li,   612C,   714N,   1020Ne.

Bài làm chi tiết:

Năng lượng liên kết tính cho một nucleon là năng lượng liên kết riêng. 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.

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: 36Li,   714N,   612C,   1020Ne.   

Câu 4: Hạt nhân 2656Fe 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. 

Bài làm chi tiết:

Hạt nhân trên có năng lượng liên kết riêng bằng 8,8 MeV/nucleon, do đó 2656Fe có năng lượng liên kết là:

Wlk=8,8.A=8,8.56=492,8 MeV

Mà năng lượng liên kết được tính bằng công thức: 
Wlk=∆m.c2

Do đó hạt nhân này có độ hụt khối là:
∆m=Wlkc2=492,8 MeV/c2

Vậy hạt nhân đó có độ hụt khối là: ∆m=492,8 MeV/c2.

II. SỰ PHÂN HẠCH VÀ SỰ TỔNG HỢP HẠT NHÂN 

Vận dụng 1: Năng lượng toả ra khi 1,000 kg 92235U 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.

Bài làm chi tiết:

Phản ứng phân hạch của hạt nhân 92235U 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 92235U bị phân hạch hoàn toàn ta cần biết có bao nhiêu hạt nhân 92235U đã bị phân hạch. Ta có:

1000kg = 10⁶g, số mol của lượng 92235U trên là: n=mM=106235,0439=4254,52 mol.

Số hạt nhân 92235U tương ứng: 

N=n.NA=4254,52.6,02.1023=25612,2104.1023 hạt

Lượng năng lượng khi phân hạch 1000kg 92235U là:

A = 25612,2104.1023.173.1,602.10-13=7,098322.1016J

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:

7,098322.101627.106=2,63.109 kg

Vậy để tỏa ra năng lượng tương đương với việc phân hạch hoàn toàn 1000 kg 92235U ta cần đốt cháy khoảng 2.63 triệu tấn than đá.

III. CÔNG NGHIỆP HẠT NHÂN

Luyện tập 5: Arktika là tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân của Nga. Với chiều dài 173 m, cao 15m, 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 92235U , mỗi phân hạch sinh ra trung bình 203 MeV; tính khối lượng 92235U mà lò phản ứng tiêu thụ trong 1 ngày. Cho Avogadro N_A=6,02.10 nguyên tử/mol và khối lượng mol nguyên tử của U là 235 g/mol.

Hình 2.8. Hình ảnh tàu phá băng hạt nhân Arktika được in trên con tem bưu chính của Nga.

Bài làm chi tiết:

Trong một ngày, công mà mỗi lò phản ứng hạt nhân của tàu đó tạo ra: 

A=175.106.24.3600=1,512.1013J

Một phản ứng phân hạch 92235U tạo ra công là:

A=203.1,602.10-13=3,25206.10-11J

Mỗi phản ứng phân hạch cần 1 hạt nhân 92235U, do đó số hạt nhân cần thiết cho một lò trong một ngày là:

N=1,512.10133,25206.10-11=4,65.1023 hạt

Số mol 92235U cần thiết cho cả 2 lò:

n=NNA=4,65.1023.26,02.1023=1,545 mol

Do đó khối lượng 92235U cần thiết cho cả 2 lò để tàu hoạt động trong một ngày là:

m=n.M=1,545.235=363,075g

Vậy khối lượng 92235U mà 2 lò phản ứng tiêu thụ trong 1 ngày là 363,075g.

Vận dụng 2: Tìm tài liệu như tranh ảnh, bài báo,... và dựa vào các tài liệu đó thảo luận với bạn về vai trò của một số ngành công nghiệp hạt nhân trong khoa học và đời sống. 

Bài làm chi tiết:

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 trong xã hội ngày nay. 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.