Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 CTST bài 2: Phản ứng hạt nhân

Câu hỏi khởi động

Nhân loại luôn đi tìm những nguồn năng lượng xanh, sạch và chỉ phí thấp, nhưng năng lượng hoá thạch rẻ thì gây ô nhiễm môi trường, năng lượng tái tạo sạch thường có chỉ phí cao, năng lượng hạt nhân gây nên các rủi ro về phóng xạ. Những hạn chế trên sẽ được khắc phục khi công nghệ Mặt Trời nhân tạo phát triển thành công. Mặt Trời nhân tạo là lò phản ứng hạt nhân, thúc đẩy phản ứng xảy ra giữa 2 hạt nhân tritium và deuterium, nhằm giải phóng năng lượng phục vụ cho nhân loại. Phản ứng hạt nhân là gì? Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong lĩnh vực nào?

Phản ứng hạt nhân là phản ứng có sự biển đổi ở hạt nhân nguyên tử (kèm theo độ hụt khối giữa các hạt nhân nguyên tử).

Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong sản xuất điện năng (các nhà máy điện nguyên tử), trong y học (chụp X-Quang) hay trong hóa học (tạo ra các nguyên tố nhân tạo),...

1. Phóng xạ tự nhiên

Câu hỏi 1. Trong tự nhiên, có nhiều đồng vị không bền như 3H(tritium), 14C, 40K,...chúng bị biến đối thành hạt nhân nguyên tử khác, hiện tượng này gọi là gì.

Câu hỏi 2. Quan sát Hình 2.1 và đọc thông tin, cho biết đồng vị uranium nào tồn tại phổ biến trong tự nhiên?

Câu hỏi luyện tập

Xét 2 quá trình sau:

(1) Đốt cháy than củi (carbon) sẽ phát ra nhiệt lượng nấu chín thực phẩm;

(2) Đồng vị 14C phân huỷ theo phản ứng:

$_{6}^{14}\textrm{C}$ → $_{7}^{14}\textrm{N}$ + β.

Quá trình nào là phóng xạ tự nhiên? Giải thích.

Câu hỏi 3. Tia phóng xạ có những loại nào? Cho biết đặc điểm của từng loại.

Câu hỏi 4. Đặc điểm của hạt nhân nguyên tử xảy ra phóng xạ β và β+ khác nhau như thể nào? So sánh khối lượng và điện tích của hạt β, β+.

Câu hỏi 5. Trong 3 loại phóng xạ q, B, y, loại phóng xạ nào khác biệt cơ bản với 2 loại còn lại? Nêu sự khác biệt đó.

Câu hỏi luyện tập:

Khi chiểu chùm tia phóng xạ (∝, β, γ) đi vào giữa 2 bản điện cực, hướng đi của các tia phóng xạ thay đổi như thế nào?

Câu hỏi 6. Quan sát và nhận xét số khối, điện tích của các thành phần trước và sau phóng xạ hạt nhân.

Câu hỏi luyện tập

Vận dụng định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích hoàn thành các phản ứng hạt nhân

$_{92}^{238}\textrm{U}$ → $_{Z}^{A}\textrm{Th}$ + $_{2}^{4}\textrm{He}$.

$_{93}^{239}\textrm{U}$ → $_{Z}^{A}\textrm{Pu}$ + $_{-1}^{0}\textrm{e}$.

Câu hỏi 1. Hiện tượng hạt nhân nguyên tử không bền, tự biến đổi thành hạt nhân nguyên tử khác, đồng thời phát ra tia phóng xạ gọi là hiện tượng phóng xạ tự nhiên.

Câu hỏi 2. Uranium tồn tại trong tự nhiên 2 loại đồng vị phổ biến, 235U chiếm 0,711%, 238U chiếm 99,284% (và một lượng rất nhỏ 234U).

Câu hỏi luyện tập

(1) Đốt cháy than củi, xảy ra phản ứng hoá học như sau: C + O2 → CO2 đồng thời toả ra nhiệt lượng. Quá trình biến đổi chất từ C thành CO2 không làm biến đổi hạt nhân nguyên tử carbon, nên không là quá trình phóng xạ.

(2) Đồng vị 14C phân huỷ theo phản ứng: $_{6}^{14}\textrm{C}$ → $_{7}^{14}\textrm{N}$ + β.

có sự biến đổi hạt nhân carbon thành nitrogen và phát bức xạ β, là quá trình phóng xạ tự nhiên.

Câu hỏi 3. 

Tia phóng xạ bao gồm hạt alpha (∝), beta (β) và bức xạ điện từ gamma (γ).

• Hạt ∝ ($_{2}^{4}\textrm{He}$) là hạt nhân helium gồm 2 proton, 2 neutron và không có electron.
• Hạt β ($_{-1}^{0}\textrm{e}$) có điện tích -1 và số khối bằng 0.
• Hạt β+ ($_{+1}^{0}\textrm{e}$) còn gọi là positron, có cùng khối lượng với electron và mang điện tích +1.
• Bức xạ γ không làm thay đổi hạt nhân trước và sau khi phát bức xạ, nhưng làm giảm năng lượng của hạt nhân.

Câu hỏi 4.

Phóng xa β xảy ra trong các hạt nhân có nhiều neutron, khi neutron chuyển thành proton và electron có năng lượng cao.

Phóng xạ β+ xảy ra trong các hạt nhân có nhiều proton, khi proton chuyển thành neutron và positron có năng lượng cao.

Hạt β và hạt β+ có cùng khối lượng với electron (me = 9,11x10-28  g);

β có điện tích âm (—1), β+ có điện tích dương (+1).

Câu hỏi 5.

Gamma (γ) có đặc điểm khác 2 loại phóng xạ còn lại, là hạt không có khối lượng, không

mang điện tích và có tính đâm xuyên mạnh.

Vì vậy, sau khi phát ra phóng xạ y, số khối và điện tích hạt nhân không đổi, nhưng làm giảm năng lượng của hạt nhân.

Câu hỏi luyện tập:

Khi chiếu chùm tia phóng xạ đi vào gữa 2 bản điện cực, hạt ∝ mang điện tích dương, sau khi ra khỏi 2 bản điện cực sẽ bị lệch về cực âm, hạt β mang điện tích âm sẽ bị lệch về cực

dương, tia γ không mang điện tích nên truyền thằng. Có thế mô tả như hình dưới.

Câu hỏi 6:  

Phóng xạ ∝: Sau phóng xạ ∝, điện tích hạt nhân nguyên tử giảm 2 đơn vị và số khối giảm 4 đơn vị.

Phóng xạ β: Sau phóng xạ β, điện tích hạt nhân nguyên tử tăng 1 đơn vị, số khối không đổi.

Phóng xạ β+: Sau phóng xạ β+, điện tích hạt nhân nguyên tử giảm 1 đơn vị, số khối không đổi.

Phóng xạ γ  không làm thay đổi điện tích hạt nhân nguyên tử và số khối của hạt nhân.

Câu hỏi luyện tập

$_{92}^{238}\textrm{U}$ → $_{Z}^{A}\textrm{Th}$ + $_{2}^{4}\textrm{He}$

Áp dụng định luật bảo toàn số khối ta có: 238 = A + 4 → A = 234

Áp dụng bảo toàn điện tích ta có: 92 = Z + 2 → Z = 90 

Phương trình phản ứng hạt nhân: $_{92}^{238}\textrm{U}$ → $_{90}^{234}\textrm{Th}$ + $_{2}^{4}\textrm{He}$.

$_{93}^{239}\textrm{U}$ → $_{Z}^{A}\textrm{Pu}$ + $_{-1}^{0}\textrm{e}$.

Áp dụng định luật bảo toàn số khối ta có: 239 = A + 0 → A = 239

Áp dụng bảo toàn điện tích ta có: 93 = Z - 1 → Z = 94 

Phương trình phản ứng hạt nhân:

$_{93}^{239}\textrm{U}$ → $_{94}^{239}\textrm{Pu}$ + $_{-1}^{0}\textrm{e}$.

2. Phản ứng hạt nhân

Câu hỏi 7. Phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford và Chadwick có khác biệt cơ bản nào với sự phóng xạ tự nhiên?

Câu hỏi 8. Nêu sự khác nhau cơ bản của phản ứng hạt nhân với phản ứng hoá học.

Câu hỏi 9. Quan sát Hình 2.4 và Ví dụ 1, hãy so sánh số khối của các mảnh phân hạch với số khối của hạt nhân ban đầu.

Câu hỏi 10. Phản ứng nhiệt hạch được xem là phản ứng ngược lại với phản ứng phân hạch. Giải thích.

Câu hỏi 11. Đồng vị phóng xạ nhân tạo được tạo ra như thế nào?

Câu hỏi 12. Trong Ví dụ 2, đồng vị nào là đồng vị phóng xạ nhân tạo?

Câu hỏi luyện tập: So sánh điểm giống và khác nhau của phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo.

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 7. 

• Sự phóng xạ tự nhiền là quá trình tự biến đổi hạt nhân không bền vững xảy ra trong
• tự nhiên, gọi là đồng vị phóng xạ tự nhiên.
• Dựa trên lí thuyết, nguyên tố phóng xạ phân rã ra đồng vị bền và hạt ∝, thì có thể dùng
• hạt ∝ bắn phá vào hạt nhân bền để nghiên cứu, bắt đầu bằng các hạt nhân nhẹ. Trong thí nghiệm của Rutherfor, ông dùng hạt ∝ bắn phá hạt nhân 14N,thí nghiệm của Chadwick dùng hạt ∝ bắn phá hạt nhân 9Be. Đây là phản ứng hạt nhân nhân tạo.

Câu hỏi 8. 

Phản ứng hạt nhân không phải là phản ứng hoá học, là khi hạt nhân bị biến đổi thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác (kèm theo độ hụt khối giữa các hạt nhân nguyên tử). Phản ứng hoá học tạo ra sự biến đổi giữa các chất, không làm thay đổi thành phần các nguyên tố tham gia, vận dụng được định luật bảo toàn khối lượng.

Câu hỏi 9.

Các mảnh phân hạch được tạo ra có số khối nhỏ hơn số khối của hạt nhân mẹ ban đầu. Cùng hạt nhân mẹ có thể tạo ra các mảnh phân hạch cùng nguyên tố, khác số khối; khác nguyên tố...

$_{0}^{1}\textrm{n}$ + $_{92}^{235}\textrm{U}$ →  $_{92}^{236}\textrm{U}$ → $_{56}^{141}\textrm{Ba}$ + $_{36}^{92}\textrm{Kr}$ + 3$_{0}^{1}\textrm{n}$.

$_{0}^{1}\textrm{n}$ + $_{92}^{235}\textrm{U}$ →$_{92}^{236}\textrm{U}$ → $_{56}^{144}\textrm{Ba}$ + $_{36}^{90}\textrm{Kr}$ + 2$_{0}^{1}\textrm{n}$.

$_{0}^{1}\textrm{n}$ + $_{92}^{235}\textrm{U}$ →  $_{92}^{236}\textrm{U}$ → $_{39}^{95}\textrm{Y}$ + $_{53}^{138}\textrm{I}$ + 3$_{0}^{1}\textrm{n}$.

Câu hỏi 10.

Phản ứng phân hạch là khi một hạt nhân mẹ bị vỡ thành các mãnh phân hạch là các hạt nhân con có số khối nhỏ hơn; đối với phản ứng nhiệt hạch, là quá trình 2 hạt nhân nhẹ hợp lại để tạo thành hạt nhân mới nặng hơn.

Câu hỏi 11. 

Khi thực hiện bản phá (thường dùng hạt ∝) vào các hạt nhân của đồng vị bền để tạo ra các đồng vị kém bền, gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị này phân rã để tạo hạt nhân khác đồng thời phát bức xạ, quá trình này giống hiện tượng phóng xa tự nhiên.

Câu hỏi 12. 

Khi bản phá 27AI bằng hạt ∝, tạo ra đồng vị  30P không bền, phát phóng xạ  β+  và tạo thành 30Si

$_{2}^{4}\textrm{He}$ + $_{13}^{27}\textrm{Al}$ →  $_{15}^{30}\textrm{P}$ + $_{0}^{1}\textrm{n}$ và $_{15}^{30}\textrm{Si}$ + β+ 

Vậy, đồng vị 30P là đồng vị phóng xạ.

Câu hỏi luyện tập

Điểm giống nhau: Đều là phản ứng biến đổi hạt nhân, trong quá trình biến đổi phát ra tia phóng xạ.

Điểm khác nhau

3. Ứng dụng của đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân

Câu hỏi 13. Tìm hiểu những thông tin về ứng dụng đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân, nhận xét vai trò của đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân trong các lĩnh vực y học, công nghiệp, khoa học, ...

Câu hỏi 14. Phương pháp dùng đồng vị 14C để xác định tuổi của cổ vật, các mẫu hoá thạch có niên đại khoảng 75 000 nằm, nhưng không dùng để xác định tuổi của đá trong lớp địa chất Trái Đất, mà sử dụng đồng vị 238U. Giải thích.

Câu hỏi vận dụng

Hãy nêu một số vận dụng khác khi ứng dụng các đồng vị phóng xạ vào thực tiễn mà em biết. 

Câu hỏi 13.

Đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân có nhiều ứng dụng hữu ích trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Y học: ứng dụng kỹ thuật y học hạt nhân trong chẩn đoán và điều trị bệnh, sử dụng dược chất phóng xạ vào cơ thể người bệnh, xạ trị, ...

Trong công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học đồng vị phóng xạ được sử dụng trong chụp X - quang công nghiệp, tìm kiếm các khuyết tật trong vật, sử dụng đồng vị phóng xạ trong theo dõi quá trình hấp thụ các nguyên tố trong phân bón hoặc làm thay đổi cấu trúc gene để tạo giống mới, sử dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải, thăm dò vật chất gây ô nhiễm từ dược phẩm phóng xạ...

Xác định niên đại cổ vật

14C là đồng vị phóng xạ được dùng trong xác định niên đại của vật

Sử dụng năng lượng của phản ứng hạt nhân chủ yếu được sử dụng từ phản ứng nhiệt hạch  235U (năng lượng điện sử dụng trên toàn thế giới từ phản ứng hạt nhân chiếm từ 10% đến 15%)

Năng lượng từ phản ứng hạt nhân là nguồn năng lượng không tạo ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính

Câu hỏi 14.

Đồng vị 14C có chu kì bán huỷ 5730 năm, để xác định tuổi các cố vật có niên đại 75 000 năm. Tuổi của các mẫu đá trong lớp địa chất Trái Đất có thể lên đến hàng tỉ năm nên không thể dùng đồng vị 14C, thay vào đó là đồng vị 238U có chu kì bán huỷ 4,5 tỉ năm (thời gian để mẫu 238U phản huỷ hoàn toàn khoảng 58 tỉ năm).

Câu hỏi vận dụng 

ví dụ: phản ứng hạt nhân của Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cung cấp các đồng vị phóng xạ trong lĩnh vực y tế như 131I, 32P, 51Cr, 60Co, 53Sm, 177Lu, 192Ir,... trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

BÀI TẬP

1. Cho hai phản ứng hạt nhân:

$_{92}^{238}\textrm{U}$ →  $_{90}^{234}\textrm{U}$ → $_{2}^{4}\textrm{He}$ (1)

$_{92}^{238}\textrm{U}$ + $_{0}^{1}\textrm{n}$ →  $_{93}^{239}\textrm{Np}$ + $_{-1}^{0}$β.    (2)

Phản ứng hạt nhân nào là phản ứng phóng xạ nhân tạo, phản ứng hạt nhân nào là phản ứng phóng xạ tự nhiên?

2. Viết các phương trình phản ứng hạt nhân cho quá trình:

a) phát xạ 1 hạt β+ của $_{6}^{11}\textrm{C}$

b) Phóng xạ 1 hạt β của 99Mo (đồng vị molybdenum-99).

c) Phóng xạ 1 hạt ∝ kèm γ từ $_{74}^{185}\textrm{W}$

3. Tìm hạt X trong các phản ứng hạt nhân sau:

4. 238U sau một loạt biến đổi phóng xạ ∝ và β tạo thành đồng vị 206Pb. Phương trình phản ứng hạt nhân xảy ra như sau:

$_{92}^{238}\textrm{U}$ → $_{82}^{206}\textrm{Pb}$ + x $_{2}^{4}\textrm{He}$  + y$_{-1}^{0}\textrm{e}$

(x, y là số lần phóng xạ)

Xác định số lần phóng xạ ∝ và β của 238U trong phản ứng trên.

1. Phản ứng (1) là quá trình phóng xạ tự nhiên, vì đồng vị $^{238}$U tự phóng xạ ∝ và hạt nhân $^{234}$Th.

Phản ứng (2) là phản ứng hạt nhân nhân tạo, vì đồng vị $^{238}$U do hạt neutron bắn phá, tạo ra hạt nhân mới $^{239}$Np và phóng xạ β

2.

a) Phát xạ 1 hạt β+ của $_{6}^{11}\textrm{C}$:

$_{6}^{11}\textrm{C}$ → $_{5}^{11}\textrm{B}$ + $_{+1}^{0}$β+

b) Phóng xạ 1 hạt β của 99Mo:

$_{42}^{99}\textrm{Mo}$ → $_{43}^{99m}\textrm{Tc}$ + $_{-1}^{0}$β

c) Phóng xạ ∝ kèm theo γ từ $_{74}^{185}\textrm{W}$: 

$_{74}^{185}\textrm{W}$ → $_{72}^{181}\textrm{Hf}$ + $_{2}^{4}$∝ + γ

3. Vận dụng bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích trong các phản ứng hạt nhân để xác định X

4. Bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích trong chuỗi phóng xạ, ta có hệ phương trình

Phương trình phản ứng hạt nhân:

$_{92}^{238}\textrm{U}$ → $_{82}^{206}\textrm{Pb}$ + 8 $_{2}^{4}\textrm{He}$  + 6$_{-1}^{0}\textrm{e}$