Giải SGK Vật Lí 12 Cánh Diều Bài 2: Năng lượng hạt nhân

Mở đầu: Các proton mang điện tích dương nên đẩy 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?

Lời giải:

- Nguyên nhân khiến các proton và neutron vẫn có thể liên kết chặt chẽ với nhau trong hạt nhân là giữa các proton và neutron tồn tại lực hạt nhân.

I. Năng lượng liên kết hạt nhân

Luyện tập 1: Cho biết khối lượng của hạt nhân ${}_6^{12}C$ là 11,99993 u. Sử dụng số liệu trong bảng 1.1 trang 92, tính độ hụt khối của hạt nhân ${}_6^{12}C$.

Lời giải:

Câu hỏi 1: Tính 1 MeV/c2 ra đơn vị kilôgam.

Lời giải:

- Ta 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 $126C$ ra đơn vị MeV và đơn vị J.

Lời giải:

Độ hụt khối của hạt nhân ${}_6^{12}C$ được sử dụng ở kết quả bài trên.

$\Delta m=0,09571u$

Năng lượng liên kết:

${\text{W}}_{lk}=\Delta m{c}^2=0,09571.931,5=89,15MeV=89,15.1,{6.10}^{-13}=1,{43.10}^{-11}J$

Luyện tập 3: Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ${}_6^{12}C$

Lời giải:

Câu hỏi 2: Dựa vào Hình 2.3, sắp xếp các hạt nhân sau theo thứ tự độ bền vững tăng dần: ${}_3^{6}Li{,}_6^{12}C{,}_7^{14}N{,}_{10}^{20}Ne$

Lời giải:

Thứ tự độ bền vững tăng dần: ${}_3^{6}Li,{}_7^{14}N,{}_6^{12}C,{}_{10}^{20}Ne$

Luyện tập 4: Hạt nhân ${}_{26}^{56}Fe$ 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.

Lời giải:

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

Mà năng lượng liên kết được tính bằng công thức: 

Do đó hạt nhân này có độ hụt khối là:

Vậy hạt nhân đó có độ hụt khối là: .

II. Sự phân hạch và sự tổng hợp hạt nhân

Tìm hiểu thêm: Ta có thể áp dụng hệ thức Einstein (2.2) đề tính năng lượng toả ra của phản ứng phân hạch hạt nhân ${}_{92}^{235}U$ trong Hình 2.4. Trước phản ứng, tổng khối lượng các hạt là:

mtrước = mn + mU.

Sau phản ứng, tổng khối lượng các hạt là: msau = mKr + mBa + 3mn.

Thông qua phản ứng, khối lượng của hệ đã giảm đi một lượng là: mtrước - msau

Như vậy, phản ứng đã toả ra một năng lượng là Etoả = (mtrước - msau)c2

Cho biết khối lượng nguyên tử của các hạt trong phản ứng phân hạch Hình 2.4 như trong bảng dưới đây:

Tính năng lượng toả ra của phản ứng đó ra đơn vị MeV.

Lời giải:

Năng lượng toả ra:

$\begin{array}{c}E=(m_{tr}-m_s)c^2=\left[(m_n+m_U)-(m_{Kr}+m_{Ba}+3m_n)\right]c^2\\ =\left[(1,0087u+235,0439u)-(91,9262u+140,9144u+3.1,0087u)\right]c^2=173,17MeV\end{array}$

Luyện tập 5: Năng lượng toả ra khi 1,000 kg ${}_{92}^{235}U$ 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 NA = 6,02.1023 nguyên tử/mol. Mỗi kg than đá khi đốt cháy hoàn toàn toả ra 27.106 J năng lượng nhiệt.

Lời giải:

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

1000kg = 106g, số mol của lượng trên là: =4254,52 mol.

Số hạt nhân  tương ứng: 

Lượng năng lượng khi phân hạch 1000kg  là:

A = 

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:

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

III. Công nghiệp hạt nhân

Luyện tập 6: Arktika là tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân của Nga. Với chiều dài 173 m, cao 15 m, 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 ${}_{92}^{235}U$, mỗi phân hạch sinh ra trung bình 203 MeV; tính khối lượng ${}_{92}^{235}U$ mà lò phản ứng tiêu thụ trong 1 ngày. Cho số Avogadro NA = 6,02. 1023 nguyên tử/mol và khối lượng mol nguyên tử của ${}_{92}^{235}U$  là 235 g/mol.

Lời giải:

Công suất mà 2 lò phản ứng hạt nhân tạo ra: $\text{P}=2.175=350MW$

Năng lượng mà 2 lò này tạo ra trong 1 ngày đêm:

$E=\text{P}.t={350.10}^6.86400=3,{024.10}^{13}J$

Số phân hạch xảy ra: $N=\frac{3,{024.10}^{13}}{203.1,{6.10}^{-13}}=9,{3.10}^{23}$

Số phân hạch bằng với số hạt nhân ${}_{92}^{235}U$, nên khối lượng hạt nhân ${}_{92}^{235}U$ cần dùng là:

$m=n.A=\frac{N}{N_A}.A=\frac{9,{3.10}^{23}}{6,{02.10}^{23}}.235=363,04g$

Vận dụng: 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.

Lời giải:

Ngày nay, 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. 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.