Giáo án chuyên đề hoá học 10 chân trời bài 2: Phản ứng hạt nhân

HOẠT ĐỘNG CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu về phóng xạ tự nhiên, thành phần và đặc điểm tia phóng xạ

- GV yêu cầu HS tìm hiểu nội dung SGK, trao đổi, trả lời câu hỏi Thảo luận 1, 2:

1. Trong tự nhiên, có nhiều đồng vị không bền như  (tritium),  chúng bị biến đổi thành hạt nhân nguyên tử khác, hiện tượng này gọi là gì.

2. Quan sát Hình  và đọc thông tin, cho biết đồng vị uranium nào tồn tại phổ biến trong tự nhiên?

- GV cho HS tìm hiểu SGK và rút ra kiến thức: Thế nào là phóng xạ tự nhiên? Chúng xuất hiện ở đâu?

- HS trao đổi nhóm đôi trả lời Luyện tập:

Xét 2 quá trình sau:

(1) Đốt cháy than củi (carbon) sẽ phát ra nhiệt lượng nấu chín thực phẩm;

(2) Đồng vị  phân huỷ theo phản ứng:

 . Quá trình nào là phóng xạ tự nhiên? Giải thích.

- HS tìm hiểu thông tin SGK về thành phần và đặc điểm tia phóng xạ.

HS trả lời câu hỏi Thảo luận 3, 4, 5.

3. Tia phóng xạ có những loại nào? Cho biết đặc điểm của từng loại.

4. Đặc điểm của hạt nhân nguyên tử xảy ra phóng xạ  và khác nhau như thế nào? So sánh khối lượng và điện tích của hạt .

5. Trong 3 loại phóng xạ , , loại phóng xạ nào khác biệt cơ bản với 2 loại còn lại? Nêu sự khác biệt đó.

- GV chốt lại kiến thức, cho HS rút ra kết luận về tia phóng xạ gồm các hạt và bức xạ điện từ.

- HS thực hiện Luyện tập:

Khi chiếu chùm tia phóng xạ  đi vào giữa 2 bản điện cực, hướng đi của các tia phóng xạ thay đổi như thế nào?

Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu về định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích hạt nhân

- GV cho HS thực hiện thảo luận và trả lời câu hỏi Thảo luận 6:

6. Quan sát và nhận xét số khối, điện tích của các thành phần trước và sau phóng xạ hạt nhân.

- Từ đó HS hãy rút ra định luật về tổng số khối và điện tích của các thành phần trước và sau phóng xạ hạt nhân.

- GV chốt lại kiến thức. HS thực hiện Luyện tập theo nhóm đôi

Vận dụng định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích, hoàn thành các phản ứng hạt nhân:

- GV giới thiệu thêm:

+ Các đồng vị phóng xạ có  thường phóng xạ kiểu .

+ Các đồng vị phóng xạ có  và  chẵn chủ yếu phóng xạ kiểu  hoặc hạt nhân có khả năng thu nhận electron.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu, thảo luận nhóm, suy nghĩ trả lời câu hỏi.

- GV: quan sát và trợ giúp HS.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

1. Phóng xạ tự nhiên

a) Tìm hiểu về phóng xạ tự nhiên

Thảo luận 1:

Hiện tượng hạt nhân nguyên tử không bền, tự biến đổi thành hạt nhân nguyên tử khác, đồng thời phát ra tia phóng xạ gọi là hiện tượng phóng xạ tự nhiên.

Thảo luận 2:

Uranium tồn tại trong tự nhiên 2 loại đồng vị phổ biến,  chiếm  chiếm  (và một lượng rất nhỏ  ).

Kết luận:

Phóng xạ tự nhiên là hiện tượng các nguyên tố tự phát ra tia phóng xạ, không do tác động từ bên ngoài.

- Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên xuất hiện ở nhiều nơi: trong lòng đất, lớp đất đá bề mặt, không khí, nguồn nước, ...

Luyện tập:

(1) Đốt cháy than củi, xảy ra phản ứng hoá học như sau:  đồng thời toả ra nhiệt lượng. Quá trình biến đổi chất từ  thành , không làm biến đổi hạt nhân nguyên tử carbon, nên không là quá trình phóng xạ.

(2) Đồng vị  phân huỷ theo phản ứng: , có sự biến đổi hạt nhân carbon thành nitrogen và phát bức xạ , là quá trình phóng xạ tự nhiên.

b) Tìm hiểu thành phần và đặc điểm tia phóng xạ

Thảo luận 3:

-Tia phóng xạ bao gồm hạt alpha , beta  và bức xạ điện từ gamma .

+ Hạt  (  là hạt nhân helium gồm 2 proton, 2 neutron và không có electron.

+ Hạt  có điện tích  và số khối bằng 0.

+ Hạt  còn gọi là positron, có cùng khối lượng với electron và mang điện tích +1.

+ Bức xạ  không làm thay đổi hạt nhân trước và sau khi phát bức xạ, nhưng làm giảm năng lượng của hạt nhân.

Thảo luận 4:

+ Phóng xạ  xảy ra trong các hạt nhân có nhiều neutron, khi neutron chuyển thành proton và electron có năng lượng cao.

+ Phóng xạ xảy ra trong các hạt nhân có nhiều proton, khi proton chuyển thành neutron và positron có năng lượng cao.

+ Hạt và hạt  có cùng khối lượng với electron ;  có điện tích âm có điện tích dương .

Thảo luận 5:

Gamma  có đặc điểm khác 2 loại phóng xạ còn lại, là hạt không có khối lượng, không mang điện tích và có tính đâm xuyên mạnh. Vì vậy, sau khi phát ra phóng xạ  số khối và điện tích hạt nhân không đổi, nhưng làm giảm năng lượng của hạt nhân.

Kết luận:

Tia phóng xạ gồm các hạt và bức xạ điện từ:

+ Hạt  là hạt nhân nguyên tử helium ()

Ví dụ phóng xạ

+ Hạt  có điện tích -1 và số khối bằng 0.

Ví dụ phóng xạ

Ví dụ phóng xạ :

+ Tia  là dòng photon có năng lượng cao.

Ví dụ phóng xạ

Luyện tập:

Khi chiếu chùm tia phóng xạ đi vào gữa 2 bản điện cực, hạt a mang điện tích dương, sau khi ra khỏi 2 bản điện cực sẽ bị lệch về cực âm, hạt  mang điện tích âm sẽ bị lệch về cực dương, tia  không mang điện tích nên truyền thẳng. Có thể mô tả như hình:

c) Tìm hiểu định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích

Thảo luận 6:

·    Phóng xạ  Sau phóng xạ , điện tích hạt nhân nguyên tử giảm 2 đơn vị và số khối giảm 4 đơn vị.

·    Phóng xạ  : Sau phóng xạ , điện tích hạt nhân nguyên tử tăng 1 đơn vị, số khối không đổi.

·     Phóng xạ : Sau phóng xạ , điện tích hạt nhân nguyên tử giảm 1 đơn vị, số khối không đổi.

·        Phóng xạ y không làm thay đổi điện tích hạt nhân nguyên tử và số khối của hạt nhân.

Kết luận:

Trong quá trình phóng xạ, số khối và điện tích được bảo toàn.

Luyện tập:

HĐ CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu về phản ứng hạt nhân

- HS thực hiện thảo luận nhóm đôi, tìm hiểu nội dung SGK, trả lời câu hỏi Thảo luận7, 8.

7. Phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford và Chadwick có khác biệt cơ bản nào với sự phóng xạ tự nhiên?

8. Nêu sự khác nhau cơ bản của phản ứng hạt nhân với phản ứng hóa học

- GV cho HS tổng kết lại về phản ứng hạt nhân, phóng xạ tự nhiên và định luật bảo toàn số khối, điện tích của một phản ứng hạt nhân.

Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và phóng xạ nhân tạo

- HS tìm hiểu về phản ứng phân hạch và trả lời câu hỏi:

+ Thế nào là phản ứng phân hạch?

+ Câu hỏi thảo luận 9:

9. Quan sát Hình  và Ví dụ 1, hãy so sánh số khối của các mảnh phân hạch với số khối của hạt nhân ban đầu.

- HS tìm hiểu về phản ứng nhiệt hạch, trả lời câu hỏi:

+ Thế nào là phản ứng nhiệt hạch? Cho ví dụ? Nhiên liệu thường dùng cho phản ứng?

+ Câu hỏi thảo luận 10:

10. Phản ứng nhiệt hạch được xem là phản ứng ngược lại với phản ứng phân hạch. Giải thích.

+ GV giới thiệu về phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong Mặt Trời.

- HS tìm hiểu về phóng xạ hạt nhân, trả lời câu hỏi Thảo luận 11, 12:

11. Đồng vị phóng xạ nhân tạo được tạo ra như thế nào?

12. Trong Ví dụ 2, đồng vị nào là đồng vị phóng xạ nhân tạo?

- GV tổng kết lại các kiến thức trọng tâm.

HS thực hiện nhóm 4 làm Luyện tập:

So sánh điểm giống và khác nhau của phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu, hoạt động cặp đôi, kiểm tra chéo đáp án.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

2. Phản ứng hạt nhân

a) Phản ứng hạt nhân

Thảo luận 7:

- Sự phóng xạ tự nhiên là quá trình tự biến đổi hạt nhân không bền vững xảy ra trong tự nhiên, gọi là đồng vị phóng xạ tự nhiên.

- Dựa trên lí thuyết, nguyên tố phóng xạ phân rã ra đồng vị bền và hạt , thì có thể dùng hạt  bắn phá vào hạt nhân bền để nghiên cứu, bắt đầu bằng các hạt nhân nhẹ. Trong thí nghiệm của Rutherfor, ông dùng hạt  bắn phá hạt nhân , thí nghiệm của Chadwick dùng hạt a bắn phá hạt nhân . Đây là phản ứng hạt nhân nhân tạo.

Thảo luận 8:

Phản ứng hạt nhân không phải là phản ứng hoá học, là khi hạt nhân bị biến đổi thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác (kèm theo độ hụt khối giữa các hạt nhân nguyên tử). Phản ứng hoá học tạo ra sự biến đổi giữa các chất, không làm thay đổi thành phần các nguyên tố tham gia, vận dụng được định luật bảo toàn khối lượng.

Kết luận:

- Phản ứng hạt nhân là phản ứng có sự biến đổi ở hạt nhân nguyên tử. Phản ứng hạt nhân không phải là phản ứng hóa học.

- Phóng xạ tự nhiên là một loại phản ứng hạt nhân.

- Phản ứng hạt nhân tuân theo định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích.

b) Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch, phóng xạ nhân tạo.

- Phản ứng phân hạch

Dưới tác dụng của neutron, hạt nhân nguyên tử phân chia thành 2 hạt nhân mới, gọi là 2 mảnh phân hạch, đồng thời giải phóng năng lượng. Nhiên liệu chủ yếu của phản ứng phân hạch là .

Thảo luận 9:

Các mảnh phân hạch được tạo ra có số khối nhỏ hơn số khối của hạt nhân mẹ ban đầu. Cùng hạt nhân mẹ có thể tạo ra các mảnh phân hạch cùng nguyên tố, khác số khối; khác nguyên tố ...

- Phản ứng nhiệt hạch:

Phản ứng nhiệt hạch, còn gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân, là quá trình 2 hạt nhân hợp lại để tạo thành hạt nhân mới nặng hơn, đồng thời giải phóng năng lượng.

Nhiên liệu thường dùng cho phản ứng nhiệt hạch là đồng vị deuterium và tritium của hydrogen.

Ví dụ:

Thảo luận 10:

Phản ứng phân hạch là khi một hạt nhân mẹ bị vỡ thành các mảnh phân hạch là các hạt nhân con có số khối nhỏ hơn; đối với phản ứng nhiệt hạch, là quá trình 2 hạt nhân nhẹ hợp lại để tạo thành hạt nhân mới nặng hơn.

- Phóng xạ nhân tạo:

Trong nhiều phản ứng hạt nhân, có thể tạo ra các đồng vị không bền, gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị này bị phân rã tạo thành đồng vị bền hơn và phát bức xạ, gọi là sự phóng xạ nhân tạo.

Ví dụ:

Thảo luận 11:

Khi thực hiện bắn phá (thường dùng hạt  ) vào các hạt nhân của đồng vị bền để tạo ra các đồng vị kém bền, gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị này phân rã để tạo hạt nhân khác đồng thời phát bức xạ, quá trình này giống hiện tượng phóng xạ tự nhiên.

Thảo luận 12:

Khi bắn phá  bằng hạt , tạo ra đồng vị  không bền, phát phóng xạ và tạo thành  Si:

Vậy, đồng vị  là đồng vị phóng xạ.

Luyện tập:

+ Điểm giống nhau:

Đều là phản ứng biến đổi hạt nhân, trong quá trình biến đổi phát ra tia phóng xạ.

+ Điểm khác nhau:

HOẠT ĐỘNG CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV cho HS tìm hiểu nội dung SGK, thảo luận nhóm 4 trả lời câu hỏi

+ Câu hỏi thảo luận 13: Tìm hiểu những thông tin về ứng dụng đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân, nhận xét vai trò của đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân trong các lĩnh vực y học, công nghiệp, khoa học, ...

+ Hãy tìm hiểu nội dung SGK, đưa ra các ví dụ về ứng dụng của đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân trong lĩnh vực y học, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học,  xác định niên đại cổ vật, sử dụng năng lượng hạt nhân.

- HS trả lời câu hỏi Thảo luận 14 theo nhóm đôi.

14. Phương pháp dùng đồng vị  để xác định tuổi của cổ vật, các mẫu hoá thạch có niên đại khoảng 75000 năm, nhưng không dùng để xác định tuổi của đá trong lớp địa chất Trái Đất, mà sử dụng đồng vị . Giải thích.

- GV cho HS quan sát một số hình ảnh, video:

https://youtube.com/watch?v=mYcbW5PImZI

(video ứng dụng của phóng xạ hạt nhân)

https://youtube.com/watch?v=jTRU8ATnyCY

(ứng dụng của phóng xạ hạt nhân).

- HS suy nghĩ, trả lời câu hỏi Vận dụng:

Hãy nêu một số vận dụng khác khi ứng dụng các đồng vị phóng xạ vào thực tiễn.

- GV kết luận: Hiện nay đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân có nhiều ứng dụng trong đời sống.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu.

- GV: quan sát và trợ giúp HS.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

3. Ứng dụng của đồng vị phóng  xạ và phản ứng hạt nhân

Thảo luận 13:

Đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: y khoa, dược phẩm, công nghiệp, nông nghiệp, khoa học kĩ thuật, công nghiệp năng lượng sạch, ...

a) Trong y học

- Ứng dụng kĩ thuật y học hạt nhân trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

Ví dụ: 

+ Kĩ thuật chụp hình phát hiện ung thư bằng máy SPECT,

+ PET – Kĩ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron, kết hợp với CT như SPECT/CT, PET/CT, giúp chẩn đoán ung thư, kiểm tra và đánh giá mức độ hiệu quả của các phương pháp điều trị, ...

- Sử dụng dược chất phóng xạ vào cơ thể người bệnh để điều trị bệnh.

- Xạ trị là một trong những phương pháp phổ biến trong điều trị ung thư, sử dụng các hạt và sóng có năng lượng cao như: tia X, tia gamma, chùm tia điện tử, proton, ... để tiêu diệt hoặc phá huỷ tế bào ung thư.

b) Trong công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học

- Đồng vị phóng xạ được dùng trong chụp X-quang công nghiệp, tìm kiếm các khuyết tật trong vật liệu, đo mực chất lỏng trong bồn chứa, đo độ dày của các vật liệu, kiểm tra tính toàn vẹn của mối hàn hay cấu trúc turbine của máy bay phản lực, ….

- Sử dụng đồng vị phóng xạ trong theo dõi quá trình hấp thụ các nguyên tố trong phân bón hoặc làm thay đổi cấu trúc gene để tạo giống mới, năng suất và kinh tế hơn.

- Ngoài ra, còn sử dụng trong lĩnh vực xử lí nước thải, thăm dò vật chất gây ô nhiễm từ dược phẩm phóng xạ.

c) Xác định niên đại cổ vật

-  là đồng vị phóng xạ được dùng trong xác định niên đại cổ vật.

Bằng cách đo tỉ lệ  với tổng lượng carbon trong mẫu, so sánh với chu kì bán hủy  để xác định niên đại cổ vật.

- Để xác định những mẫu vật như đá trong lớp địa chất của Trái Đất, người ta dựa vào tỉ lệ  trong mẫu vật, chuỗi phân rã cuối cùng đồng vị là đồng vị bền . Chu kì bán hủy của  là 4,5 tỉ năm.

d) Sử dụng năng lượng của phản ứng hạt nhân

Dùng các đồng vị  và  làm nhiên liệu trong các lò phản ứng hạt nhân để sản xuất ra điện (nhà máy điện nguyên tử) và chạy các tàu phá băng,..

Trong tương lai gần con người có thể tạo ra và sử dụng nguồn năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch.

Thảo luận 14:

Đồng vị  có chu kì bán huỷ 5730 năm, để xác định tuổi các cổ vật có niên đại 75000 năm. Tuổi của các mẫu đá trong lớp địa chất Trái Đất có thể lên đến hàng tỉ năm nên không thể dùng đồng vị  thay vào đó là đồng vị  có chu kì bán huỷ 4,5 tỉ năm (thời gian để mẫu  U phân huỷ hoàn toàn khoảng 58 tỉ năm).

Vận dụng:

Lò phản ứng hạt nhân của Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cung cấp các đồng vị phóng xạ trong lĩnh vực y tế như:  trong chẩn đoán và điều trị bệnh.