Giải chi tiết Vật lí 12 KNTT bài 22: Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

KHỞI ĐỘNG

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?

Bài làm chi tiết:

Mục đích của thí nghiệm này là: chứng minh sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử và khám phá khả năng biến đổi của các hạt nhân.

Cách thực hiện thí nghiệm phát hiện phản ứng hạt nhân: 

- Bắn phá lá vàng mỏng bằng hạt alpha là hạt nhân Heli có năng lượng cao.

- Quan sát hướng di chuyển của các hạt alpha sau khi đi qua lá vàng.

Kết quả:

- Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.

- Một số ít hạt alpha bị lệch hướng mạnh, thậm chí quay ngược lại.

Giải thích: 

- Hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng vì hạt nhân nguyên tử có kích thước rất nhỏ so với kích thước nguyên tử.

- Một số ít hạt alpha bị lệch hướng mạnh hoặc quay ngược lại khi đi qua gần hạt nhân, chứng tỏ hạt nhân có điện tích dương tập trung rất mạnh và có khả năng đẩy lùi hạt alpha.

Ông đã đưa ra kết luận như sau: Trong một số trường hợp, hạt bắn phá vào hạt nhân đã tạo ra hai hạt nhân mới đó là và

I. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Hoạt động: So sánh tổng số điện tích, tổng số nucleon của các hạt nhân trước và sau khi tương tác trong thi nghiệm như mô tả ở Hình 22.2

Bài làm chi tiết:

So sánh tổng số điện tích, tổng số nucleon của các hạt nhân trước và sau khi tương tác:

Trước khi tương tác:

- Tổng số điện tích:

+ Hạt nhân Nitơ (N) có 7 proton (+7) và 7 electron (-7), tổng điện tích bằng 0.

+ Hạt nhân Helium (He) có 2 proton (+2) và 2 electron (-2), tổng điện tích bằng +2.

+ Tổng số điện tích của hệ thống là 0 + 2 = +2.

- Tổng số nucleon: 

+Hạt nhân N có 7 proton + 7 neutron = 14 nucleon.

+ Hạt nhân He có 2 proton + 2 neutron = 4 nucleon. 

+Tổng số nucleon của hệ thống là 14 + 4 = 18.

Sau khi tương tác: 

- Tổng số điện tích:

+ Hạt nhân Oxy (O) có 8 proton (+8) và 8 electron (-8), tổng điện tích bằng 0.

+ Hạt nhân Hydro (H) có 1 proton (+1) và 1 electron (-1), tổng điện tích bằng 0.

+ Tổng số điện tích của hệ thống là 0 + 0 = 0.

- Tổng số nucleon:

+ Hạt nhân O có 8 proton + 8 neutron = 16 nucleon.

+ Hạt nhân H có 1 proton + 1 neutron = 2 nucleon.

+ Tổng số nucleon của hệ thống là 16 + 2 = 18.

Câu hỏi: Hãy trình bày sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hoá học.

Bài làm chi tiết:

Trình bày sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hoá học:

Hoạt động 1: 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:

Bài làm chi tiết:

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 :

Áp dụng định luật bảo toàn số khối:

Định luật bảo toàn điện tích:

Hoạt động 2: Khi bắn phá bằng neutron người ta thấy chúng hợp nhất thành hạt nhân X, ngay sau đó hạt nhân X phân rã thành , 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.

Bài làm chi tiết:

a) Phương trình phản ứng hạt nhân:

b) Bảo toàn số khối của phương trình 1: 235+1 = A_X

Bảo toàn điện tích của phương trình 1: 92+0= Z_X

X là đồng vị của uranium

Bảo toàn số khối của phương trình 2: 236 = 99+3.1 + A_Y

Bảo toàn điện tích của phương trình 2: 92 = 42 + 0 + Z_Y

II. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT

Câu hỏi 1: Vì sao để tách được các nucleon ra khỏi hạt nhân cần một năng lượng lớn?

Bài làm chi tiết:

Để tách được các nucleon ra khỏi hạt nhân cần một năng lượng lớn bởi vì:

 Các nucleon liên kết với nhau bởi lực hạt nhân mạnh. Lực hạt nhân mạnh là một trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên, và nó là lực mạnh nhất giữ cho các hạt nhân nguyên tử liên kết với nhau. Để tách được các nucleon ra khỏi hạt nhân, cần phải cung cấp đủ năng lượng để thắng được lực hạt nhân mạnh. Năng lượng này được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân. Năng lượng liên kết hạt nhân càng lớn thì càng khó tách các nucleon ra khỏi hạt nhân.

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

Bài làm chi tiết:

Mức độ bền vững của một hạt nhan phụ thuộc vào năng lượng liên kết riêng, năng lượng này được tính theo công thức: . Hạt nhân có càng lớn thì càng bền vững và ngược lại.

Hoạt động 2: Giá trị năng lượng liên kết riêng 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 của chúng.

b) Xác định năm hạt nhân nhẹ (A 30) và bốn hạt nhân nặng (A160) có 

< 8,2 MeV.

Bài làm chi tiết:

a) Hai hạt nhân bền vững nhất là : .

MeV, MeV

b) Năm hạt nhân nhẹ (A 30) là:

Bốn hạt nhân nặng (A160) là:

Câu hỏi 2: Hãy tính độ hụt khối của hạt nhân oxygen , biết khối lượng hạt nhân oxygen là amu.

Bài làm chi tiết:

amu. 

Độ hụt khối của hạt nhân oxygen là:

Hoạt động: Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

a) Tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân .

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

Bài làm chi tiết:

a) Năng lượng liên kết của hạt nhân  là: 

Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân là: 

MeV

III.  PHẢN ỨNG HẠCH HẠT NHÂN

Hoạt động: Sự phân hạch hạt nhân là gì? Nêu đặc điểm phản ứng phân hạch của uranium.

Bài làm chi tiết:

- 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 phản ứng phân hạch của uranium là:

+ Hạt nhân uranium: Uranium có nhiều đồng vị, trong đó đồng vị uranium-235 (235U) dễ bị phân hạch bởi neutron.

+ Quá trình phân hạch của hạt nhân này là dùng neutron nhiệt (động năng nhỏ hơn 0,1 eV)  bắn vào.Kết quả cho thấy hạt nhân vỡ thành hai hạt nhân có khối lượng nhỏ hơn. Kèm theo quá trình phan hạch này là một số neutron được giải phóng.

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

Câu hỏi 1: Nêu đặc điểm của phản ứng phân hạch dây truyền.

Bài làm chi tiết:

Đặc điểm của phản ứng phân hạch dây truyền:

 - 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: các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp tạo ra phản ứng dây truyền và toả ra năng lượng rất lớn.

Câu hỏi 2: Tính năng lượg toả ra khi phân hạch hoàn toàn 1 kg . Biết mỗi phân hạch toả ra năng lượng 200 MeV.

Bài làm chi tiết:

Số nguyên tử có trong 1 kg = 1000 g là: 

nguyên tử

Năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn 1000 g là 

Etoả ra MeV

IV. PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN

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

Bài làm chi tiết:

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

Điều kiện xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân:

- Nhiệt độ rất cao mới tổng hợp được.

- Ở nhiệt độ cao, các hạt nhân có đủ năng lượng động năng đủ lớn để thắng lực đẩy tĩnh điện Coulomb giữa chúng.

- Mật độ hạt nhân cao: Khi mật độ hạt nhân cao, các hạt nhân có nhiều khả năng va chạm với nhau hơn, dẫn đến việc hình thành hạt nhân mới. 

- Thời gian duy trì nhiệt độ cao ( vào khoảng 10⁷ đến 10⁸) cũng đủ dài.

Câu hỏi 2: 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.

Bài làm chi tiết:

Em có thể:

- 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.

Bài làm chi tiết:

- Để biến một chất bất kỳ thành một chất mong muốn, ta cần dựa trên nguyên tắc của hóa học:

+ Phản ứng hóa học: Biến đổi chất dựa trên các phản ứng hóa học, ví dụ: phản ứng cộng, phản ứng thế, phản ứng phân hủy, phản ứng tổng hợp... Lựa chọn phản ứng phù hợp với tính chất hóa học của chất ban đầu và chất mong muốn.

+ Năng lượng: Cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học xảy ra, ví dụ: nhiệt độ, ánh sáng, chất xúc tác... Kiểm soát lượng năng lượng phù hợp để tránh phản ứng xảy ra theo hướng không mong muốn.

+ Điều kiện phản ứng: Tạo điều kiện thích hợp cho phản ứng hóa học xảy ra hiệu quả, ví dụ: nồng độ, dung môi, thời gian... Theo dõi và điều chỉnh các điều kiện trong quá trình phản ứng để đạt hiệu quả tối ưu.

- Tiềm năng khai thác năng lượng hạt nhân: Năng lượng hạt nhân có tiềm năng khai thác to lớn.

+Về hiệu suất: Năng lượng hạt nhân có hiệu suất cao hơn nhiều so với các dạng năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ. Lượng nhiên liệu hạt nhân nhỏ có thể tạo ra lượng năng lượng lớn.

+ Độ sạch: Năng lượng hạt nhân không tạo ra khí thải nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường. Giảm thiểu tác động đến biến đổi khí hậu.

- Độ ổn định: Cung cấp nguồn năng lượng ổn định, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.

- Phản ứng phân hạch và tổng hợp hạt nhân tỏa năng lượng vì:

+ Phản ứng phân hạch: Phá vỡ hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhỏ hơn, giải phóng năng lượng liên kết dưới dạng nhiệt và bức xạ. 

+ Phản ứng tổng hợp hạt nhân: Kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng liên kết dưới dạng nhiệt và bức xạ. 

- Nguồn gốc vạn vật.

+ Giả thuyết thần tạo: Cho rằng vạn vật được tạo ra bởi một đấng tối cao, hay thần linh. Có nhiều tôn giáo và tín ngưỡng khác nhau trên thế giới với những câu chuyện riêng về sự sáng tạo của thần linh. Ví dụ: Kinh thánh trong Thiên Chúa giáo nói rằng Thiên Chúa đã tạo ra vũ trụ và vạn vật trong 6 ngày.

+ Giả thuyết khoa học: Dựa trên các nghiên cứu khoa học và lý thuyết vật lý để giải thích nguồn gốc của vũ trụ và vạn vật. Một số giả thuyết khoa học phổ biến bao gồm: Vụ nổ Big Bang: Cho rằng vũ trụ khởi nguồn từ một vụ nổ lớn khoảng 13,8 tỷ năm trước.

- Giả thuyết kết hợp: Kết hợp cả yếu tố thần tạo và khoa học để giải thích nguồn gốc vạn vật. Cho rằng thần linh đã sử dụng các quy luật khoa học để tạo ra vũ trụ và vạn vật.