Lý thuyết Năng lượng hạt nhân - Vật lí 12 Cánh diều

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 2: Năng lượng hạt nhân

I. Năng lượng liên kết hạt nhân

- Lực tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân là lực hút, gọi là lực hạt nhân, có tác dụng liên kết các nucleon với nhau.

- Tương tác hạt nhân chỉ đáng kể khi các hạt nucleon nằm cách nhau một khoảng rất ngắn, bằng hoặc nhỏ hơn kích thước của hạt nhân. Nói một cách khác, bán kính tác dụng của lực hạt nhân cỡ 10^-15 m. Muốn tách nucleon ra khỏi hạt nhân, cần phải tốn năng lượng để thắng lực hạt nhân.

1. Độ hụt khối

Độ chênh lệch giữa tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng m, của hạt nhân gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là Δm:

$\Delta m=Z{m}_{\text{p}}+(A-Z)m_{\text{n}}-m_{\text{x}}$

Trong đó:

m_p là khối lượng hạt proton;

m_n là khối lượng hạt neutron;

m_X là khối lượng hạt nhân ${}_Z^{A}X$.

2. Năng lượng liên kết hạt nhân

- Năng lượng liên kết hạt nhân bằng năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân đó thành các nucleon riêng lẻ:

$E_{\text{lk}}=\Delta m\cdot c^2=\left[Z{m}_{\text{p}}+(A-Z)m_{\text{n}}-m_{\text{x}}\right]c^2$

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 càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.

$E_{\text{lkr}}=\frac{E_{\text{lk}}}{A}$

II. Sự phân hạch và sự tổng hợp hạt nhân

1. Sự phân hạch

Phân hạch là quá trình trong đó 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. Sau đây, ta xét các phản ứng phân hạch kích thích.

Phản ứng phân hạch là phản ứng toả năng lượng.

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.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch, phản ứng này toả năng lượng.

Điều kiện để xảy ra phản ứng là ở nhiệt độ rất cao cỡ 10⁷ đến 10⁸ K, mật độ đủ lớn, thời gian phản ứng đủ dài.

III. Công nghiệp hạt nhân

Các ngành công nghiệp hạt nhân như công nghiệp năng lượng hạt nhân, sản xuất vật liệu phóng xạ có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, y học, sản xuất và đời sống.

Ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân khai thác và sử ụng năng lượng hạt nhân giải phóng thông qua các phản ứng phân hạch với nhiều mục đích khác nhau như sản xuất điện, tạo lực đẩy cho các phương tiện có công suất lớn (tên lửa, tàu ngầm, tàu phá băng, ... ) di chuyển.

Tuy có những ưu điểm, ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân cũng đặt ra những thách thức về nguy cơ mất an toàn. Chất thải của lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi phải có công nghệ xử lí tốt.

Trắc nghiệm: Năng lượng hạt nhân

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Biết khối lượng của proton; neutron; hạt nhân ${}_8^{16}\text{O}$ lần lượt là 1,0073 amu; 1,0087 amu; 15,9904 amu. Năng lượng liên kết của hạt nhân ${}_8^{16}\text{O}$ xấp xỉ bằng

A. 4,25 MeV.

B. 18,76 MeV.

C. 128,17 MeV.

D. 190,81 MeV.

Câu 2:Nếu 3,6 g một chất được chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng thì năng lượng đó có giá trị là bao nhiêu?

A. 9.10¹⁰ kWh.

B. 9.10⁷ kWh.

C. 3,24.10¹⁰ kWh.

D. 3,24.10⁷ kWh.

Câu 3: Cho phản ứng hạt nhân: $\text{X}{+}_9^{19} \text{F}{\to }_2^4\text{He}{+}_8^{16}\text{O}$. Hạt X là

A. anpha.

B. neutron.

C. deuteri.

D. proton.

Câu 4: Khối lượng của hạt proton, neutron và hạt deuteri ${}_1^2\text{D}$ lần lượt là: 1,0073 amu; 1,0087 amu và 2,0136 amu. Năng lượng liên kết của hạt nhân ${}_1^2\text{D}$ là

A. 2,24 MeV.

B. 3,06 MeV.

C. 1,12 MeV.

D. 4,48 MeV.

Câu 5: Hạt nhân ${}_4^{10}\text{Be}$ có khối lượng 10,0135 amu. Khối lượng của neutron m_n = 1,0087 amu, của proton m_p = 1,0073 amu. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ${}_4^{10}\text{Be}$ là

A. 0,6321 MeV/nucleon.

B. 63,2152 MeV/nucleon.

C. 632,1531 MeV/nucleon.

D. 6,3215 MeV/nucleon.

Câu 6: Biết khối lượng của các hạt α, proton và neutron lần lượt là 4,0015 amu; 1,0073 amu và 1,0087 amu. Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 11,2 lít khí He ở điều kiện tiêu chuẩn là

A. 8,55.10²⁴ MeV.

B. 4,71.10²⁵ MeV.

C. 3,41.10²⁵ MeV.

D. 2,11.10²⁷ MeV.

Câu 7: Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết

A. tính cho một nucleon.

B. tính riêng cho hạt nhân ấy.

C. của một cặp proton-proton.

D. của một cặp proton-neutron.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Cho hai hạt nhân A và B có các đặc điểm sau:

Hạt nhân A có 202 nucleon trong đó gồm 122 neutron. Độ hụt khối của hạt nhân A là 1,71228 u.

Hạt nhân B có 204 nucleon trong đó gồm 80 proton. Độ hụt khối của hạt nhân B là 1,72675u.

Trong các phát biểu sau đây, phát biểu nào là đúng, phát biểu nào là sai?

a) A và B là hai hạt nhân đồng vị.

b) Số nucleon trung hoà trong mỗi hạt nhân bằng nhau.

c) Hạt nhân A có năng lượng liên kết nhỏ hơn hạt nhân B.

d) Hạt nhân B bền vững hơn hạt nhân A.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Một lò phản ứng phân hạch có công suất 200 MW. Cho rằng toàn bộ năng lượng mà lò phản ứng này sinh ra đều do sự phân hạch của 235U và đồng vị này chỉ bị tiêu hao bởi quá trình phân hạch. Coi mỗi năm có 365 ngày; mỗi phân hạch sinh ra 200 MeV; số Avôgađro N_A = 6,023.10²³mol⁻¹. Khối lượng 235U mà lò phản ứng tiêu thụ trong 3 năm là bao nhiêu?