Giải SGK Vật Lí 12 Kết nối tri thức 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?

Lời giải:

- Quá trình:

+ Chùm hạt α được bắn phá vào lá vàng.

+ Hầu hết hạt α đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng.

+ Một số ít hạt α bị lệch hướng mạnh, thậm chí bật ngược lại.

+ Những hạt α bị lệch hướng được ghi nhận trên màn huỳnh quang.

- Hạt nhân có thể biến đổi thành các hạt nhân khác thông qua các phản ứng hạt nhân.

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 thí nghiệm như mô tả ở Hình 22.2.

Lời giải:

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.

Lời giải:

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:

${}_{Z_1}^{A_1}{X}_1{+}_{Z_2}^{A_2}{X}_2{\to }_{Z_3}^{A_3}{X}_3{+}_{Z_4}^{A_4}{X}_4$

Lời giải:

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 

Định luật bảo toàn điện tích: 

Hoạt động 2: Khi bắn phá ${}_{92}^{235}U$ bằng neutron ${}_0^{1}n$ người ta thấy chúng hợp nhất thành hạt nhân X, ngay sau đó hạt nhân X phân rã thành ${}_{42}^{99}\mathrm{Mo}$, 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.

Lời giải:

II. Năng lượng liên kết

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

Lời giải:

- Muốn phá vỡ một hạt nhân X ta phải cung cấp một năng lượng đúng bằng năng lượng mà hệ các hạt đã tỏa ra khi hạt nhân được tạo thành (năng lượng liên hết hạt nhân). Mà các nucleon liên kết với nhau bởi lực hạt nhân có cường độ rất lớn.

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

Lời giải:

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 Elkr 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 Elkr của chúng.

b) Xác định năm hạt nhân nhẹ (A ≤ 30) và bốn hạt nhân nặng (A ≥ 160) có Elkr < 8,2 MeV.

Lời giải:

a) Hai hạt nhân bền vững nhất là Fe và As

b)

5 hạt nhân nhẹ có Elkr ≤ 8,2 MeV: F, C, He, B, Be

4 hạt nhân nặng có Elkr ≤ 8,2 MeV: Hf, Au, Bi, U

Câu hỏi: Hãy tính độ hụt khối của hạt nhân oxygen ${}_8^{16}O$, biết khối lượng hạt nhân oxygen là $m_O\approx 15,99492$

Lời giải:

Độ hụt khối:

$\mathrm{\Delta m}=\left[{\mathrm{Zm}}_p+(A-Z)m_n\right]-m_O$

$=\left[8.1,00728+(16-8).1,00866\right]-15,99492=0,1326\mathrm{amu}$

Hoạt động: Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

a) Tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ${}_2^4\mathrm{He}$.

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

Lời giải:

a) Năng lượng liên kết của hạt nhân   là: 

Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân  là: 

MeV

III. Phản ứng phân hạch hạt nhân

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

Lời giải:

- 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 của phản ứng phân hạch của Uranium: Sau mỗi phản ứng phân hạch có một số neutron được giải phóng, số neutron này lại tham gia và các phản ứng phân hạch tiếp theo.

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

Lời giải:

Đặc điểm của phản ứng phân hạch dây chuyền:

- Định nghĩa: Phản ứng phân hạch dây chuyền là một chuỗi các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp, trong đó neutron được giải phóng từ một phản ứng phân hạch kích hoạt phản ứng phân hạch tiếp theo.

- Điều kiện:

+ Phản ứng phân hạch dây chuyền chỉ xảy ra khi hệ số nhân neutron (k) lớn hơn hoặc bằng 1.

+ Hệ số nhân neutron (k) là số neutron trung bình được tạo ra bởi một phản ứng phân hạch.

+ Loại: Phản ứng phân hạch dây chuyền có thể là:

Kiểm soát: được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện năng.

Không kiểm soát: xảy ra trong bom nguyên tử.

- Nguy cơ: Phản ứng phân hạch dây chuyền không kiểm soát có thể dẫn đến tai nạn hạt nhân.

Câu hỏi 2: Tính năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn 1 kg ${}_{92}^{235}U$ . Biết mỗi phân hạch toả ra năng lượng 200 MeV.

Lời giải:

Số hạt nhân ${}_{92}^{235}U$ có trong 1 kg là: $N=\frac{m}{A}.N_A=\frac{1000}{235}.6,02{.10}^{23}=2,56{.10}^{24}$

Số phản ứng hạt nhân bằng với số hạt nhân ${}_{92}^{235}U$, nên năng lượng toả ra là:

$W=2,56{.10}^{24}.200=5,12{.10}^{26}\mathrm{MeV}$.

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.

Lời giải:

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.

Lời giải:

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.

Lời giải:

- Nguyên tắc để biến một chất bất kì thành một chất mong muốn là xảy ra phản ứng hạt nhân.

- Tiềm năng khai thác sử dụng năng lượng hạt nhân: Năng lượng hạt nhân là năng lượng rất lớn thu được trong một phản ứng hạt nhân. Năng lượng hạt nhân khi hoạt động không phát thải khí độc hại như CO2 và metan, những chất nguy hiểm khác – nguyên nhân gây hiện tượng biến đổi khí hậu.

- Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn nên cần năng lượng lớn để phá vỡ lực liên hết hạt nhân vì vậy tỏa nhiệt lớn.

- Phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn vì các hạt nhân đều mang điện tích dương nên muốn chúng hợp lại thì phải cung cấp cho chúng một động năng đủ lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện làm chúng kết hợp với nhau. Nên phản ứng này cũng tỏa năng lượng rất lớn.

- Nguồn gốc vạn vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc phân tử, tạo ra các nguyên tử, nguyên tố mới nhờ các phản ứng hạt nhân.