Lý thuyết Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 16: Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

1. Phản ứng hạt nhân

Khái niệm và phân loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân được phân thành hai loại:

- Phản ứng hạt nhân tự phát: hạt nhân kém bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác bền vững hơn.

- Phản ứng hạt nhân kích thích: trong đó các hạt nhân tương tác với nhau chủ yếu thông qua quá trình va chạm và biến đổi tạo thành các hạt nhân mới.

Các phản ứng hạt nhân phổ biến có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình sau:

${}_{Z_1}^{A_1}X+{}_{Z_2}^{A_2}Y\to {}_{Z_3}^{A_3}C+{}_{Z_4}^{A_4}D$

trong đó X và Y là các hạt nhân tương tác, C và D là các hạt sản phẩm. Một số phản ứng hạt nhân có thể tạo ra nhiều hơn hai hạt sản phẩm.

Định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lí, trong phản ứng hạt nhân, điện tích và số khối được bảo toàn:

1. Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm.

A₁ + A₂ = A₃ + A₄

2. Định luật bảo toàn số nucleon: Tổng số nucleon (số khối) của các hạt tương tác bằng tổng số nucleon (số khối) của các hạt sản phẩm.

Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

2. Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng phân hạch của hạt nhân có thể được tạo ra bằng cách bắn phá các hạt nhân nặng bằng neutron (Hình 16.1).

Phương trình phản ứng: ${}_0^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{92}^{236}{U}^{*}\to {}_{39}^{95}Y+{}_{53}^{138}I+3_0^{1}n$

k là số neutron trung bình còn lại sau mỗi phản ứng phân hạch

- Nếu k < 1: phản ứng dây chuyền không xảy ra.

- Nếu k = 1: phản ứng dây chuyền tới hạn, mật độ neutron không đổi. Đây là phản ứng dây chuyền được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân để tạo ra năng lượng.

- Nếu k > 1: phản ứng dây chuyền vượt hạn, mật độ neutron tăng liên tục theo thời gian. Phản ứng dây chuyền không điều khiển được và xảy ra trong các vụ nổ hạt nhân.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch)

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực cao.

Ví dụ một phương trình phản ứng tổng hợp hạt nhân:

${}_1^{2}H+{}_1^{2}H\to {}_2^{3}He+{}_0^{1}n$

Phản ứng này toả năng lượng khoảng 4 MeV

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.

3. Một số ngành công nghiệp hạt nhân trong đời sống

Phản ứng phân hạch có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp năng lượng, đó là các nhà máy phát điện sử dụng năng lượng hạt nhân.

Công nghệ hạt nhân còn có một số ứng dụng thực tiễn khác như:

- Trong y học: những kiến thức về vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Ví dụ: hiệu ứng huỷ cặp electron - positron (phản hạt của electron) được ứng dụng trong máy “chụp cắt lớp phát xạ positron"

- Trong nông nghiệp: cải tạo giống cây trồng có các đặc tính mới như: năng suất cao, chất lượng dinh dưỡng tốt, hình dáng đẹp (như cúc Chrysanthemum đột biến trong Hình 16.6), ...

- Trong công nghiệp: kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo mật độ vật liệu mà không phá huỷ mẫu vật, kiểm tra chất lượng mối hàn, ...

- Trong khảo cổ: xác định tuổi và thành phần cấu tạo chất của các mẫu vật.

- Trong thực phẩm: diệt vi sinh vật để khử trùng thực phẩm; làm chậm quá trình chín giúp trái cây được bảo quản lâu hơn ở điều kiện bình thường.

Trắc nghiệm: Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

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: 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 2: Phát biểu nào sau đây về phản ứng nhiệt hạch là sai?

A. Phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.

B. Một trong các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra là nhiệt độ của nhiên liệu phải rất cao.

C. Tên gọi phản ứng nhiệt hạch là do nó toả ra năng lượng nhiệt rất lớn, làm nóng môi trường xung quanh lên.

D. Năng lượng nhiệt hạch không phụ thuộc vào năng lượng cung cấp để phản ứng xảy ra.

Câu 3: Cho phản ứng hạt nhân: ${}_5{}^{10}\text{Bo}+{}_Z{}^{A}X\to \alpha +{}_4{}^8\text{Be}$. Hạt nhân X là

A. ${}_1{}^{3}T$.

B. ${}_1{}^{2}D$.

C. ${}_0{}^{1}n$.

D. ${}_1{}^{1}p$.

Câu 4: Cho phương trình phản ứng: ${}_{92}{}^{235}U+n\to {}_Z{}^{A}X+{}_{41}{}^{93}Nb+3n+7{\beta }^{-}$. Trong đó Z, A là

A. Z = 58; A = 143.

B. Z = 44; A = 140.

C. Z = 58; A = 140.

D. Z = 58; A = 139.

Câu 5: 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. nơtron.

C. đơteri.

D. prôton.

Câu 6: Cho phản ứng hạt nhân: ${}_{11}^{23}\text{Na}+{}_1{}^1\text{H}\to {}_2{}^4\text{He}+{}_{10}{}^{20}\text{Ne}$. Lấy khối lượng các hạt nhân ${}_{11}^{23}\text{Na};{}_{10}^{20}\text{Ne};{}_2^4\text{He};{}_1^1\text{H}$ lần lượt là 22,9837 u; 19,9869 u; 4,0015 u; 1,0073 u và $1\text{\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}u}=931\mathrm{,5}{\text{\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}MeV/c}}^2$. Trong phản ứng này, năng lượng

A. thu vào là 3,4524 MeV.

B. thu vào là 2,4219 MeV.

C. tỏa ra là 2,4219 MeV.

D. tỏa ra là 3,4524 MeV.

Câu 7: Cho phản ứng hạt nhân: ${}_1^3\text{T}+{}_1^2\text{D}\to {}_2^4\text{He}+\text{X}$. Lấy độ hụt khối của hạt nhân T, hạt nhân D, hạt nhân He lần lượt là 0,009106 u; 0,002491 u; 0,030382 u và $1\text{\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}u}=931\mathrm{,5}{\text{\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}MeV/c}}^2$. Năng lượng tỏa ra của phản ứng xấp xỉ bằng

A. 15,017 MeV.

B. 200,025 MeV.

C. 17,498 MeV.

D. 21,076 MeV.

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

a) Hạt nhân có năng lượng liên kết càng lớn thì càng bền vững.

b) Hai hạt nhân đồng vị có số neutron khác nhau nên có khối lượng khác nhau.

c) Trong phản ứng phân hạch, một hạt nhân có số khối trung bình hấp thụ một neutron chậm rồi vỡ ra thành các hạt nhân có số khối nhỏ.

d) Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành nó.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Hạt nhân ${}_{94}^{239}\text{Pu}$ hấp thụ một neutron nhiệt rồi phân hạch thành hai hạt nhân ${}_{54}^{134}\text{Xe}$ và ${}_{40}^{103}\text{Zr}$.

a) Xác định số hạt neutron phát ra sau phản ứng phân hạch đó và viết phương trình phản ứng.

b) Tính năng lượng toả ra của mỗi phản ứng phân hạch đó. Cho biết khối lượng của các nguyên tử ${}_{94}^{239}\text{Pu}{,}_{54}^{134}\text{Xe}{,}_{40}^{103}\text{Zr}$ và khối lượng hạt neutron lần lượt là: $\mathrm{239,05216}\text{u}$; $\mathrm{133,90539}\text{u}$; $\mathrm{102,92719}\text{u}$ và $\mathrm{1,00866}\text{u}.$

c) Tính năng lượng toả ra khi 9,00 kg ${}_{94}^{239}\text{Pu}$ bị phân hạch hoàn toàn theo phản ứng ở câu a.