Giáo án Vật lí 12 Cánh diều bài 2: Năng lượng hạt nhân

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi:

Lực hút giữa các nucleon trong hạt nhân là lực gì? Lực này có đặc điểm gì?

GV yêu cầu HS quan sát Hình 2.1 và nhận xét về khối lượng của hạt nhân X so với tổng khối lượng của các hạt nucleon riêng lẻ tạo nên nó.

+ Từ đó dẫn dắt được độ chênh lệch giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là

- GV giới thiệu mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng theo hệ thức (2.2).

GV giới thiệu đơn vị đo khối lượng MeV/c².

- HS làm câu hỏi 1 (SGK – tr.94)

Tính   ra đơn vị kilôgam.

- Từ hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng GV hướng dẫn HS rút ra được công thức tính năng lượng liên kết hạt nhân.

- GV đặt câu hỏi kết nối kiến thức và cho HS thảo luận cặp đôi. Ví dụ:

Hạt nhân của hai đồng vị và có khối lượng lần lượt là 15,9905 u và 17,9948 u. Cho biết khối lượng của các hạt proton và neutron lần lượt là 1,00783 u và 1,00866 u; .

a) Tính độ hụt khối và năng lượng liên kết của mỗi hạt nhân đồng vị đó.

b) Trong tự nhiên đồng vị chiếm 99,76% trong khi đồng vị chỉ chiếm 0,2%. Theo em độ bền vững của hạt nhân có vai trò gì khiến hạt nhân đó phổ biến hơn so với các đồng vị khác trong tự nhiên? Dự đoán xem độ bền vững của hạt nhân phụ thuộc vào những yếu tố nào?

- GV chính xác hoá kiến thức và yêu cầu HS tính năng lượng liên kết riêng của hai hạt nhân đồng vị và nhận xét xem hạt nhân nào bền vững hơn.

GV yêu cầu HS quan sát đồ thị Hình 2.3 và trả lời câu hỏi 2 (SGK – tr.95)

Dựa vào Hình 2.3, sắp xếp các hạt nhân sau theo thứ tự độ bền vững tăng dần: .

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK, trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

*Trả lời Câu hỏi 1 (SGK – tr94)

kg.

Hướng dẫn đáp án câu hỏi thêm (mục 3)

a) Độ hụt khối của là: 

Năng lượng liên kết của là:

MeV.

Độ hụt khối của là: 

Năng lượng liên kết của là:

MeV.

b) HS trả lời theo ý kiến cá nhân.

*Trả lời Câu hỏi 2 (SGK – tr95)

.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung độ hụt khối, năng lượng liên kết.

I. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Các nucleon trong hạt nhân hút nhau bằng các lực rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Các lực này chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (10-14 m). Ở ngoài phạm vi này, lực hạt nhân giảm nhanh xuống không.

Muốn tách nucleon ra khỏi hạt nhân, cần cung cấp năng lượng để thắng lực hạt nhân.

1. Độ hụt khối

độ hụt khối = tổng khối lượng các nucleon - khối lượng hạt nhân 

(2.1)

Trong đó: là khối lượng hạt proton;  

là khối lượng hạt neutron; 

là khối lượng hạt nhân .

- Trong thuyết tương đối:

(2.2)

Với  

Trong vật lí hạt nhân, năng lượng thường được đo bằng đơn vị MeV (mega electron vôn), khối lượng có thể đo bằng đơn vị MeV/c². Ta có: 1 amu = 931,5 MeV/c².

2. Năng lượng liên kết hạt nhân

- Năng lượng để liên kết các nuclon riêng lẻ thành hạt nhân được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân: 

(2.3)

- Muốn tách hạt nhân thành các nucleon riêng Z lẻ, ta phải cung cấp cho hệ một năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết hạt nhân.

3. Năng lượng liên kết riêng

Năng lượng liên kết riêng, , là năng lượng liên kết tính cho một nucleon. 

Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- HS quan sát đồ thị Hình 2.3, từ đó trả lời câu hỏi:

Những hạt nhân có số khối nằm trong khoảng giá trị nào thì bền vững nhất?

GV dẫn dắt: Các hạt nhân nhẹ có số khối nhỏ và các hạt nhân nặng có số khối lớn đều kém bền vững. Bởi vậy, một số hạt nhận nặng có thể “vỡ thành các hạt nhân có số khối trung bình.

Trong khi đó, các hạt nhân nhẹ có thể tổng hợp lại thành các hạt nhân có số khối lớn hơn.

GV yêu cầu HS đọc SGK, thảo luận cặp đôi và lập bảng so sánh sự phân hạch và nhiệt hạch. GV đặt một số câu hỏi:

+ Sự phân hạch là gì? Sự tổng hợp hạt nhân là gì?

+ Sản phẩm của phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp hạt nhân thường gồm những gì?

+ Điều kiện xảy ra phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?

+ Tìm một số ví dụ về sự phân hạch và sự tổng hợp hạt nhân.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SGK, trao đổi, thảo luận trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

- GV quan sát, hướng dẫn, hỗ trợ HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm báo cáo kết quả thảo luận:

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung. 

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- Từ kết quả thảo luận của nhóm, GV nhận xét, đánh giá quá trình HS thực hiện nhiệm vụ.

- GV kết luận về nội dung cấu tạo hạt nhân, kích thước và khối lượng hạt nhân.

II. SỰ PHÂN HẠCH VÀ SỰ TỔNG HỢP HẠT NHÂN

1. Sự phân hạch

- Phân hạch là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành hai hay nhiều hạt nhẹ hơn. Các hạt này được gọi là sản phẩm phân hạch. Sự phân hạch còn được gọi là phản ứng phân hạch. Phản ứng phân hạch tự phát có thể xảy ra nhưng với xác suất rất nhỏ. 

Ví dụ: (Hình 2.4) Phản ứng phân hạch của .

Phản ứng phân hạch của hạt nhân (Hình 2.4) toả ra năng lượng xấp xỉ bằng 173 MeV. Năng lượng này được gọi là năng lượng phân hạch.

2. Sự tổng hợp hạt nhân

- Tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ kết hợp lại thành hạt nhân nặng hơn. Quá trình này còn được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân.

- Muốn cho hai hạt nhân nhẹ có thể kết hợp lại thành hạt nhân nặng hơn, phải cung cấp cho chúng một động năng đủ lớn để tiến lại gần nhau đến mức mà lực hạt nhân phát huy tác dụng, thắng lực điện và làm chúng kết hợp với nhau. 

Cần tạo ra hỗn hợp chất có mật độ hạt nhân đủ lớn, ở nhiệt độ rất cao (cỡ đến K) và duy trì trạng thái này đủ dài. 

Phản ứng này còn gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Ví dụ: (Hình 2.6)

Một phản ứng nhiệt hạch mô tả trong Hình 2.6 toả ra năng lượng xấp xỉ khoảng 17,6 MeV. Năng lượng này được gọi là năng lượng nhiệt hạch.