Đáp án Vật lí 12 chân trời Bài 16: Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

BÀI 16. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH, PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ ỨNG DỤNG

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 rất là quan trọng để có thể kiểm soát và sử dụng hiệu quả, phục vụ cho sự phát triển của nhân loại.

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.

Hướng dẫn chi tiết: 

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

Phương pháp này đòi hỏi công nghệ tiên tiến và chi phí vô cùng tốn kém. Quá trình tạo ra hạt nhân vàng có thể giải phóng một lượng lớn năng lượng nguy hiểm, cần có biện pháp an toàn nghiêm ngặt.

Thảo luận 2: So sánh sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hóa học.

Hướng dẫn chi tiết: 

- Phản ứng hóa học:

+ Chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi làm cho phân tử này biến đổi thành phân tử khác. Các nguyên tử nguyên tố không thay đổi

+ Gây ra sự thay đổi ở lớp vỏ các nguyên tử.

+ Giải phóng hoặc hấp thụ một lượng nhỏ năng lượng.

+ Tốc độ xảy ra chậm hơn phản ứng hạt nhân

+ Xảy ra trong điều kiện bình thường hoặc điều kiện xúc tác.

- Phản ứng hạt nhân: 

+ Có sự biến đổi hạt nhân nguyên tử làm cho nguyên tử nguyên tố này biến đổi thành nguyên tử nguyên tố khác

+ Phản ứng hạt nhân có sự thay đổi trong hạt nhân.

+ Giải phóng hoặc hấp thụ một lượng lớn năng lượng

+ Xảy ra rất nhanh.

+ Yêu cầu điều kiện khắc nghiệt ( nhiệt độ, áp suất).

Thảo luận 3: Viết phương trình phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford khi sử dụng chùm hạt chiếu vào ₇¹⁶N. Kiểm chứng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong thí nghiệm trên.

Hướng dẫn chi tiết: 

Phương trình: ₇¹⁴N + ₂⁴ → ₈¹⁷O + ₁¹H

Trong phương trình trên, điện tích và số khối được bảo toàn.

+ Bảo toàn điện tích: 7 +2 = 8 + 1

+ Bảo toàn số khối: 14 + 4 = 17 + 1

Luyện tập: Xác định số hiệu nguyên tử và số khối còn thiếu của hạt nhân trong các phản ứng sau:

a) ₇¹⁴N + ₀¹n → _?^?C +₁¹H                              b) ₉₂²³⁸U → _?^?Th + ₂⁴He

c) ₁₂²⁵Mg + ₂⁴He → _?^?Al + ₁¹H                      d) ₈₄²¹⁰Po → _?^?Pb + ₂⁴He

e) _?^?Be + ₂⁴He → ₆¹²C + ₀¹n                          f) ₈¹⁶O + ₀¹n → _?^?O

Hướng dẫn chi tiết: 

a) ₇¹⁴N + ₀¹n → ₆¹⁴C +₁¹H 

Số hiệu nguyên tử: 6

Số khối của hạt nhân: 14

b) ₉₂²³⁸U → ₉₀²³⁴Th + ₂⁴He

Số hiệu nguyên tử: 90

Số khối của hạt nhân 234

c) ₁₂²⁵Mg + ₂⁴He → ₁₃²⁸Al + ₁¹H          

Số hiệu nguyên tử: 13

Số khối của hạt nhân: 28 

d) ₈₄²¹⁰Po → ₈₂²⁰⁶Pb + ₂⁴He

Số hiệu nguyên tử: 82

Số khối của hạt nhân: 206

e) ₄⁹Be + ₂⁴He → ₆¹²C + ₀¹n

Số hiệu nguyên tử: 6

Số khối của hạt nhân: 12                    

f) ₈¹⁶O + ₀¹n → ₈¹⁷O

Số hiệu nguyên tử: 8

Số khối của hạt nhân: 17

2. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH VÀ PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH

Thảo luận 4: Khi được bắn phá bởi một neutron nhiệt, ₉₂²³⁵U có thể phân hạch để tạo ra ₅₄¹⁴⁰Xe và ₃₈⁹⁴Sr cùng với một số hạt neutron. Hãy viết phương trình của phản ứng phân hạch này và xác định số neutron được tạo ra.

Hướng dẫn chi tiết: 

Phương trình của phản ứng phân hạch:

 ₉₂²³⁵U + ₀¹n → ₅₄¹⁴⁰Xe + ₃₈⁹⁴Sr + 2₀¹n

Số hạt neutron được tạo ra là 2 hạt.

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày một số ứng dụng của phản ứng phân hạch.

Hướng dẫn chi tiết: 

- 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 ₁²H có thể kết hợp để tạo ra hạt nhân _z^AX cùng với một proton. Hãy xác định _Z^AX.

Hướng dẫn chi tiết: 

Phương trình nhiệt hạch xảy ra là:

₁²H + ₁²H → ₁³H+ ₁¹p

 Hạt nhân _Z^AX là:  ₁³H

Với số khối là 3, số hiệu nguyên tử là 1

Luyện tập: So sánh phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch.

Hướng dẫn chi tiết: 

- Phản ứng phân hạch

+  là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn

+ Được tạo ra bằng cách bắn phá các hạt nhân nặng bằng neutron.

+ Càn hệ số nhân neutron k 1 để phản ứng xảy ra.

- Phản ứng nhiệt hạch

+  là quá trình hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân nặng hơn

+ Để xảy ra phản ứng này thì động năng của hai hạt nhân nhẹ phải đủ lớn để chug có thể thắng lực đẩy tĩnh điện và tiến lại gần nhau đến khi lực hút hạt nhân đủ lớn để hình thành nên sự liên kết giữa các nucleon.

- Cần tạo nhiệt độ môi trường xung quanh đủ lớn (tối thiếu 10⁸ K)

- Mật độ hạt nhân đủ lớn và thời gian duy trì nhiệt đủ cao đủ dài

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.

Hướng dẫn chi tiết: 

Sở dĩ Mặt trời phát ra nguồn năng lượng khổng lồ như thế, đó là nhờ phản ứng hạt nhân nguyên tử của Mặt trời.

+ Mặt trời vốn chứa rất nhiều nguyên tố hydro. 

+ Ở tâm Mặt trời dưới điều kiện nhiệt độ cao (15 triệu°C), áp suất cao, các hạt nhân nguyên tử hydro tác dụng lẫn nhau kết hợp với nhân nguyên tử heli nên đồng thời phóng thích ra lượng ánh sáng và lượng nhiệt vô tận như thế.

+ Phản ứng nhiệt hạch trong lõi Mặt Trời giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Năng lượng này truyền từ lõi ra bề mặt Mặt Trời dưới dạng bức xạ và nhiệt, cung cấp ánh sáng và nhiệt cho Trái Đất.

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.

Hướng dẫn chi tiết: 

- Nguy cơ tai nạn hạt nhân:

+ Tai nạn hạt nhân có thể xảy ra do lỗi vận hành, sự cố kỹ thuật hoặc thiên tai, dẫn đến rò rỉ phóng xạ ra môi trường.

+ Chất phóng xạ gây hại cho sức khỏe con người, bao gồm ung thư, dị tật bẩm sinh, suy giảm hệ miễn dịch và các vấn đề về hô hấp, chết người.

+ Gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đất, nước, không khí và hệ sinh thái.

- Nguy cơ vũ khí hạt nhân:

+ Vũ khí hạt nhân có sức tàn phá to lớn, có thể hủy diệt cả một thành phố hoặc thậm chí cả một quốc gia trong chớp mắt dẫn đến thảm họa nhân đạo và môi trường chưa từng có.

+ Nguy cơ chiến tranh hạt nhân luôn tiềm ẩn, đặc biệt là trong bối cảnh căng thẳng chính trị và xung đột quốc tế.

+ Việc phổ biến vũ khí hạt nhân cho các quốc gia hoặc tổ chức khủng bố cũng là một mối đe dọa nghiêm trọng đối với an ninh toàn cầu.

-  Vấn đề xử lý chất thải hạt nhân:

+ Chất thải hạt nhân là sản phẩm phụ nguy hiểm của các hoạt động sử dụng năng lượng hạt nhân, có tính phóng xạ cao, cần được xử lý và bảo quản an toàn trong hàng nghìn năm.

+ Nếu không được xử lý đúng cách, chất thải hạt nhân có thể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

- Nguy cơ khủng bố hạt nhân:

+ Nguy cơ khủng bố hạt nhân ngày càng gia tăng do sự phổ biến của vật liệu hạt nhân và sự phát triển của các nhóm khủng bố. Một vụ tấn công khủng bố hạt nhân có thể gây ra hậu quả thảm khốc về người và môi trường.

+ Việc phòng chống khủng bố hạt nhân là một nhiệm vụ quan trọng của cộng đồng quốc tế.

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.

Hướng dẫn chi tiết: 

Đáp án: D là chính xác

Định luật bảo toàn nucleon: tổng số nucleon của các hạt tương tác bằng tổng số nucleon của các hạt sản phẩm.

2. Quá trình đầu tiên trong chuỗi phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở Mặt Trời là quá trình tổng hợp ₁²H từ hai proton (sản phẩm sau phản ứng còn có hạt positron ₁⁰e và neutrino v_e’ được học trong Bài 17. Hãy viết phương trình phản ứng nhiệt hạch này.

Hướng dẫn chi tiết: 

Phương trình phản ứng nhiệt hạch được viết như sau:

₁¹p + ₁¹p → ₁²H + ₁⁰e + v_e’

3. Tính năng lượng tỏa ra khi 100g ₂³He được tạo thành trong phản ứng nhiệt hạch: ₁¹H + ₁²H → ₂³He + ₀¹n, biết rằng mỗi phản ứng này tỏa ra năng lượng khoảng 3,27 MeV. So sánh với năng lượng tỏa ra khi phân hạch hoàn toàn 100g ₉₂²³⁵U, biết trung bình mỗi phản ứng phân hạch của ₉₂²³⁵U tỏa ra năng lượng khoảng 200 MeV.

Hướng dẫn chi tiết: 

Theo đề bài ta có: m = 100 g, E = 3,27 MeV

Phương trình nhiệt hạch: ₁¹H + ₁²H → ₂³He + ₀¹n

Số hạt nhân He trong 100g là: N_He = . 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: N_U = . 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.

Vậy năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch tạo thành 100g ₂³He lớn hơn năng lượng tỏa ra khi phân hạch 100g ₉₂²³⁵U