Mở đầu: Các phản ứng hạt nhân đang diễn ra hằng ngày trong lò phản ứng của các nhà máy điện hạt nhân, cung cấp điện năng phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Ngoài ra, phản ứng hạt nhân cũng xảy ra trong lõi Mặt Trời trong hàng tỉ năm, góp phần vào quá trình hình thành và duy trì sự sống trên Trái Đất. Các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân và trong lõi của Mặt Trời lần lượt là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch. Việc hiểu rõ các tính chất của các phản ứng hạt nhân này là rất quan trọng để có thể kiểm soát và sử dụng hiệu quả, phục vụ cho sự phát triển của nhân loại.
Lời giải:
- Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.
- Phản ứng hạt nhân tự phát là hạt nhân kém bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác bền vững hơn.
- Phản ứng hạt nhân kích thích là phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác với nhau chủ yếu thông qua quá trình va chạm và biến đổi tạo thành các hạt nhân mới.
- Phản ứng phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn.
- Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực cao.
1. Phản ứng hạt nhân
Thảo luận 1: Tìm hiểu và trình bày một phương án để tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân của các nguyên tố khác.
Lời giải:
Phương án tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân chì: Năm 1980, các nhà khoa học đã thành công trong việc biến chì thành vàng tuy nhiên lượng vàng tạo ra là rất nhỏ. Họ sử dụng một máy gia tốc hạt với năng lượng cực lớn để bắn các chùm hạt nhân với vận tốc ánh sáng kéo 3 proton ra khỏi hạt nhân của nguyên tử chì. Khi mất đi 3 proton thì đương nhiên chì sẽ biến thành vàng.
82206Pb → 79197Au + 311p + 601n
Thảo luận 2: So sánh sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hoá học.
Lời giải:
Thảo luận 3: Viết phương trình phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford khi sử dụng chùm hạt α chiếu vào . Kiểm chứng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong thí nghiệm trên
Lời giải:
Phương trình:
Trong phương trình trên điện tích và số khối được bảo toàn.
Luyện tập: Xác định số hiệu nguyên tử và số khối còn thiếu của hạt nhân trong các phản ứng sau:
Lời giải:
a) 714N + 01n → 614C +11H b) 92238U → 90234Th + 24He
c) 1225Mg + 24He → 1328Al + 11H d) 84210Po → 82206Pb + 24He
e) 49Be + 24He → 612C + 01n f) 816O + 01n → 817O
2. Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch
Thảo luận 4: Khi được bắn phá bởi một neutron nhiệt, có thể phân hạch để tạo ra và cùng với một số hạt neutron. Hãy viết phương trình của phản ứng phân hạch này và xác định số neutron được tạo ra.
Lời giải:
Phương trình: có 2 neutron được tạo ra.
Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày một số ứng dụng của phản ứng phân hạch
Lời giải:
- Ứng dụng quan trọng nhất của loại phản ứng này có thể được tìm thấy trong các lò phản ứng hạt nhân. Động năng của quá trình sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng, làm nóng các khối nhiên liệu. Năng lượng nhiệt này làm ấm dòng nước, khiến hơi nước được tạo ra và sử dụng để làm quay tua-bin máy phát điện. Nhiệt phân hạch của một gam nhiên liệu Uranium có thể so sánh với sức nóng đốt cháy hàng chục đến hàng trăm tấn than.
- Bom phân hạch, thường được gọi là bom nguyên tử, là một lò phản ứng phân hạch được thiết kế để giải phóng càng nhiều năng lượng càng tốt và nhanh nhất có thể.
Thảo luận 5: Khi được đặt trong nhiệt độ phù hợp, hai hạt nhân có thể kết hợp để tạo ra hạt nhân cùng với một proton. Hãy xác định
Lời giải:
12H + 12H → 13H+ 11p
Luyện tập: So sánh phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch.
Lời giải:
- Phản ứng phân hạch là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn
- Phản ứng nhiệt hạch là quá trình hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân nặng hơn
→ Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân vỡ ra, còn trong phản ứng nhiệt hạch, các hạt nhân kết hợp lại. Đây là 2 quá trình ngược nhau.
Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày sơ lược về các phản ứng nhiệt hạch để tạo ra năng lượng trong lõi của Mặt Trời.
Lời giải:
- Ở tâm Mặt trời dưới điều kiện nhiệt độ cao (15 triệu°C), áp suất cao, các hạt nhân nguyên tử hydrogen kết hợp với nhau tạo thành helium đồng thời giải phóng năng lượng rất lớn.
3. Một số ngành công nghiệp hạt nhân trong đời sống
Vận dụng: Thảo luận để đánh giá được một số tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại.
Lời giải:
Kể từ khi quân đội Mỹ ném hai quả bom nguyên tử xuống thành phố Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) trong Thế chiến thứ II, cướp đi sinh mạng của hàng vạn người, nhân loại luôn đứng trước nguy cơ chiến tranh hạt nhân có thể hủy diệt sự sống trên trái đất.
Bên cạnh đó, nguy cơ khủng bố phát tán chất phóng xạ; sự cố do các nhà máy điện hạt nhân, phương tiện sử dụng năng lượng hạt nhân,… gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng, kéo theo những hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, môi trường và sức khỏe con người, v.v.
Nhận thức sâu sắc vấn đề đó, cộng đồng quốc tế đã ra sức đấu tranh nhằm cấm việc phát triển, thử nghiệm, sản xuất, tàng trữ, chuyển giao, sử dụng và đe doạ sử dụng vũ khí hạt nhân, tiến tới thủ tiêu loại vũ khí nguy hiểm này. Tuy nhiên, đến nay, số quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân không những không giảm mà còn tăng thêm. Nguy hiểm hơn là, một số quốc gia lợi dụng thành tựu của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đẩy nhanh nghiên cứu, phát triển, hiện đại hóa kho vũ khí hạt nhân, làm cho chúng “thông minh” hơn, sức hủy diệt cao hơn và có thể lẩn tránh được sự giám sát của luật pháp quốc tế.
Mặt khác, một số quốc gia, trong đó có các nước trong khu vực đã xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân; nguy cơ rò rỉ, phát tán phóng xạ do sự cố như ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản, năm 2011 là một ví dụ, làm gia tăng nguy cơ sự cố bức xạ, hạt nhân, v.v.
Tình hình trên đặt ra yêu cầu bức thiết, đòi hỏi chúng ta phải tích cực xây dựng, củng cố tiềm lực mọi mặt, nâng cao khả năng phòng, chống vũ khí hạt nhân và ứng phó có hiệu quả sự cố bức xạ và hạt nhân, làm giảm thiệt hại tới mức thấp nhất về người và tài sản, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc trong tình hình mới.
Bài tập
Bài tập 1: Chọn câu đúng về phản ứng phân hạch hạt nhân.
A. Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sản phẩm sau phân hạch luôn bằng tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phân hạch.
B. Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sản phẩm sau phân hạch luôn lớn hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phân hạch.
C. Tổng số proton của các hạt sau phân hạch luôn bằng tổng số proton của các hạt trước phân hạch.
D. Tổng số nucleon của các hạt sau phân hạch luôn bằng tổng số nucleon của các hạt trước phân hạch.
Đáp án: D.
A – sai vì phản ứng hạt nhân không có định luật bảo toàn khối lượng
B – sai vì phản ứng phân hạch là phản ứng toả năng lượng, tổng khối lượng hạt nhân trước phản ứng lớn hơn tổng khối lượng hạt nhân sau phản ứng.
C – sai vì không có định luật bảo toàn số proton.
Bài tập 2: Quá trình đầu tiên trong chuỗi phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở Mặt Trời là quá trình tổng hợp từ hai proton (sản phẩm sau phản ứng còn có hạt positron và neutrino , được học trong Bài 17). Hãy viết phương trình phản ứng nhiệt hạch này.
Lời giải:
11p + 11p → 12H + 10e + ve’
Bài tập 3: Tính năng lượng toả ra khi 100 g được tạo thành trong phản ứng nhiệt hạch:, biết rằng mỗi phản ứng này toả ra năng lượng khoảng 3,27 MeV. So sánh với năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn 100 g , biết trung bình mỗi phản ứng phân hạch của toả ra năng lượng khoảng 200 MeV.
Lời giải:
Số hạt nhân He trong 100g là: NHe = 
. 6,023.1023 = 2,08.1025
Năng lượng tỏa ra khi tạo thành 100g He là: 2,08.1025.3,27 = 6,57.1025 (MeV)
Số hạt nhân U trong 100g là: NU = 
. 6,023.1023 = 2,56.1023
Năng lượng tỏa ra khi phân hạch 100g U là: 2,56.1023.200 = 5,13.1025 (MeV)
→ Năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch tạo thành 100g 23He lớn hơn năng lượng tỏa ra khi phân hạch 100g 92235U.