Sách bài tập Vật lí 12 Bài 16 (Chân trời sáng tạo): Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

Giải SBT Vật lí 12 Bài 16: Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

A. Trắc nghiệm

Câu 16.1 (B) trang 69 Sách bài tập Vật Lí 12: Cho phản ứng hạt nhân: ${}_9^{19} \text{F}{+}_1^1\text{H}{\to }_8^{16}\text{O}+\text{X}.$ X là hạt

A. alpha.

B. neutron.

C. deuteri.

D. proton.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

${}_9^{19} \text{F}{+}_1^1\text{H}{\to }_8^{16}\text{O}{+}_2^4\text{He}$

Câu 16.2 (B) trang 69 Sách bài tập Vật Lí 12: Phản ứng nhiệt hạch là

A. sự biến đổi hạt nhân dưới tác dụng nhiệt.

B. sự phân rã của một hạt nhân thành những hạt nhân khác một cách tự phát.

C. phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn.

D. phản ứng hạt nhân toả năng lượng.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, và là phản ứng toả năng lượng.

Câu 16.3 (B) trang 69 Sách bài tập Vật Lí 12: Trong các phát biểu sau về phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch, có bao nhiêu phát biểu đúng?

(1) Đều là phản ứng hạt nhân toả năng lượng.

(2) Đều là hiện tượng một hạt nhân nặng vỡ ra thành các hạt nhân nhẹ hơn.

(3) Đều là phản ứng tổng hợp hạt nhân.

(4) Đều xảy ra sự biến đổi hạt nhân.

A. 1.

B. 2.

C. 3.

D. 4.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Các phát biểu đúng là (1) và (4).

Câu 16.4 (B) trang 70 Sách bài tập Vật Lí 12: Trong một phản ứng hạt nhân, luôn có sự bảo toàn

A. số proton.

B. số nucleon.

C. số neutron.

D. khối lượng.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Trong phản ứng hạt nhân có định luật bảo toàn động lượng, bảo toàn điện tích, bảo toàn số khối, bảo toàn năng lượng toàn phần.

Câu 16.5 (H) trang 70 Sách bài tập Vật Lí 12: Hạt nhân ${}_{92}^{234}\text{U}$ phát ra hạt ${}_2^4\alpha$ và biến đổi thành hạt nhân mới, phương trình phản ứng của quá trình này có dạng:

A. ${}_{92}^{234}\text{U}{\to }_2^4\alpha {+}_{90}^{232}\text{U}.$

B. ${}_{92}^{234}\text{U}{\to }_2^4\alpha {+}_{90}^{230}\text{Th}.$

C. ${}_{92}^{234}\text{U}{\to }_2^4\alpha {+}_{88}^{230}\text{Th}.$

D. ${}_{92}^{234}\text{U}{\to }_2^4\alpha {+}_{90}^{230}\text{U}.$

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối để kiểm tra các phản ứng hạt nhân.

Câu 16.6 (H) trang 70 Sách bài tập Vật Lí 12: Một trong các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng là:

${}_0^1\mathrm{n}{+}_{92}^{235}\text{U}{\to }_{92}^{236}\text{U}{\to }_{57}^{143}\text{La}{+}_{35}^{87}\text{Br}+\mathrm{y}\left({}_0^1\mathrm{n}\right)$ với y là số neutron. Giá trị y bằng

A. 4.

B. 6.

C. 8.

D. 10.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Áp dụng định luật bảo toàn số nucleon: 236 = 143 + 87 + y → y = 6.

Câu 16.7 (H) trang 70 Sách bài tập Vật Lí 12: Trong mỗi phát biểu sau, em hãy chọn đúng hoặc sai.

a) Trong các phản ứng hạt nhân, điện tích và số khối được bảo toàn nên số neutron cũng được bảo toàn.

b) Cho phản ứng hạt nhân ${}_0^1\mathrm{n}{+}_{92}^{235}\text{U}{\to }_{38}^{94}\text{Sr}+\text{X}+2_0^1\mathrm{n}.$ Hạt nhân X có 54 proton và 86 neutron.

c) Trong phản ứng nhiệt hạch: ${}_1^2\text{H}{+}_1^3\text{H}{\to }_2^4\text{He}{+}_0^1\mathrm{n}+17,6\text{MeV}$, năng lượng cần cung cấp cho phản ứng là 17,6MeV

d) Công nghệ hạt nhân đang được ứng dụng nhiều trong y học, công nghiệp, nông nghiệp, khảo cổ học, thực phẩm.

e) Trong phản ứng hạt nhân chỉ có sự bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối.

f) Phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng của Mặt Trời và các sao.

Lời giải:

a) Sai. Vì không có định luật bảo toàn số neutron.

b) Đúng.

c) Sai. Vì đây là năng lượng mà phản ứng này toả ra.

d) Đúng.

e) Sai. Vì còn có sự bảo toàn động lượng và năng lượng toàn phần.

f) Đúng.

Câu 16.8 (VD) trang 70 Sách bài tập Vật Lí 12: Xét lần lượt hai phản ứng sau:

- Phản ứng 1:

${}_{92}^{235}\text{U}{+}_0^1\mathrm{n}{\to }_{60}^{143}\text{Nd}{+}_{40}^{90}\text{Zr}+3_0^1\mathrm{n}+8_{-1}^0\mathrm{e}+8{\overline{\mathrm{v}}}_{\text{e}}+200\text{MeV}.$ Khối lượng của ${}_{92}^{235}\text{U}$ sử dụng trong phản ứng 1 là 50 g.

- Phản ứng 2: ${}_1^1\text{H}{+}_0^1\mathrm{n}{\to }_1^2\text{D}+2,23\text{MeV}.$ Khối lượng ${}_1^2\text{D}$ tạo thành từ phản ứng 2 là 50 g.

Biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

Nhận định nào sau đây đúng?

A. Phản ứng 1 thuộc loại phản ứng nhiệt hạch, năng lượng toả ra khi phản ứng hết 50 g ${}_{92}^{235}\text{U}$ là 2,56.10²⁵ MeV.

B. Phản ứng 2 thuộc loại phản ứng phân hạch, năng lượng toả ra khi thu được 50 g ${}_1^2\text{D}$ là 3,36.10²⁵ MeV.

C. Xét về năng lượng toả ra của một phản ứng thì phản ứng nhiệt hạch có giá trị lớn hơn phản ứng phân hạch.

D. Tổng năng lượng toả ra ở phản ứng 2 lớn gấp 1,3125 lần tổng năng lượng toả ra ở phản ứng 1.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Năng lượng toả ra khi sử dụng hết $50 {\text{g}}_{92}^{235}\text{U}$:

${\mathrm{Q}}_1=\frac{50}{235}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}\cdot 200\approx 2,56\cdot {10}^{25}\text{MeV}$

Năng lượng toả ra khi thu được $50 {\text{g}}_1^2\text{D}$:

${\mathrm{Q}}_2=\frac{50}{2}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}\cdot 2,23\approx 3,36\cdot {10}^{25}\text{MeV}$

Vậy năng lượng toả ra ở phản ứng nhiệt hạch lớn hơn phản ứng phân hạch nói trên 1,3125 lần trong các trường hợp đang xét.

Câu 16.9 (VD) trang 71 Sách bài tập Vật Lí 12: Bom hydrogen (bom H) là một loại vũ khí hạt nhân có sức tàn phá lớn hơn bom nguyên tử (bom A) rất nhiều lần, dù hiện nay cả bom hydrogen và bom nguyên tử đều không được sử dụng trong các cuộc chiến tranh. Sở dĩ bom hydrogen có sức tàn phá lớn như vậy là do nó là sự kết hợp của phản ứng phân hạch của ${}_{92}^{235}\text{U}$ (giai đoạn 1) để tạo ra môi trường có nhiệt độ rất cao, cung cấp động năng cho các hạt tham gia phản ứng nhiệt hạch (giai đoạn 2) theo phương trình phản ứng ${}_1^2\text{H}{+}_1^3\text{H}{\to }_2^4\text{He}{+}_0^1\mathrm{n}+17,6\text{MeV}.$ Giả sử năng lượng toả ra từ quá trình phân hạch còn lại sau khi tạo phản ứng nhiệt hạch là 2,8.10¹⁰ J và khối lượng ${}_2^4\text{He}$ được tạo thành từ một vụ nổ bom hydrogen trong thí nghiệm vũ khí hạt nhân là 200 g thì sức tàn phá của quả bom này tương đương với khoảng bao nhiêu tấn thuốc nổ TNT? Biết rằng năng lượng toả ra khi một tấn thuốc nổ TNT cháy hoàn toàn là 4,2.10⁹ J. Cho số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

A. 20 197,14 tấn.

B. 20 190,48 tấn.

C. 20 166,6 tấn.

D. 20 183,81 tấn.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Số lượng ${}_2^4\text{He}$ được tạo thành là:

${\mathrm{N}}_{\text{He}}=\frac{200}{4}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}=3,011\cdot {10}^{25}$ hạt

Tổng năng lượng toả ra của các phản ứng nhiệt hạch là:

$\mathrm{Q}=3,011\cdot {10}^{25}.\left(17,6\cdot {10}^6\cdot 1,6\cdot {10}^{-19}\right)\approx 8,48\cdot {10}^{13}\text{J}$

Khối lượng thuốc nổ TNT cần dùng để năng lượng toả ra tương đương với bom hydrogen là:

$\mathrm{m}=\frac{2,8\cdot {10}^{10}+8,48\cdot {10}^{13}}{4,2\cdot {10}^9}\approx 20197,14$ tấn.

• B. Tự luận

  • Bài 16.1 (B) trang 71 Sách bài tập Vật Lí 12: Xác định số hiệu nguyên tử và số khối còn thiếu của các hạt nhân trong các phản ứng sau:

    a) ${}_{12}^{26}\text{Mg}{+}_0^{1}n{\to }_2^{?}\text{Ne}{+}_2^4\text{He}.$

    b) ${}_{94}^{?}\text{Pu}{+}_{10}^{22}\text{Ne}\to 4_0^{1}n{+}_{104}^{260}\text{Rf}.$

    c) ${}_1^2\text{H}{+}_3^{?}\text{Li}\to 2_2^4\text{He}{+}_0^{1}n.$

    Lời giải:

    a) ${}_{12}^{26}\text{Mg}{+}_0^{1}n{\to }_{10}^{23}\text{Ne}{+}_2^4\text{He}.$

    b) ${}_{94}^{242}\text{Pu}{+}_{10}^{22}\text{Ne}\to 4_0^{1}n{+}_{104}^{260}\text{Rf}.$

    c) ${}_1^2\text{H}{+}_3^7\text{Li}\to 2_2^4\text{He}{+}_0^{1}n.$

  • Bài 16.2 (B) trang 72 Sách bài tập Vật Lí 12: Xét phản ứng nhiệt hạch: ${}_1^2\text{H}{+}_1^3\text{H}{\to }_2^4\text{He}{+}_0^1\mathrm{n}.$ Để tổng hợp được 50 g He thì khối lượng ${}_1^2\text{H}$ và ${}_1^3\text{H}$ phải sử dụng là bao nhiêu? Coi khối lượng mol gần bằng số khối của hạt nhân. Biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

    Lời giải:

    Để tạo ra 1 hạt ${}_2^4\text{He}$ cần phải có sự tham gia của 1 hạt ${}_1^2\text{H}$ và 1 hạt ${}_1^3\text{H}$

    Số hạt ${}_2^4\text{He}$ có trong 50 g ${}_2^4\text{He}$:

    ${\mathrm{N}}_{\text{H}2}={\mathrm{N}}_{\text{H}3}={\mathrm{N}}_{\text{He}}=\frac{50}{4}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}=7,5275\cdot {10}^{24}$hạt

    Khối lượng ${}_1^2\text{H}$: ${}_1^2\text{H}:{\mathrm{m}}_{\text{H}2}=\frac{7,5275\cdot {10}^{24}}{6,022\cdot {10}^{23}}\cdot 2=25 \text{g}.$

    Khối lượng ${}_1^3\text{H}$ : ${\mathrm{m}}_{\text{H3}}=\frac{7,5275\cdot {10}^{24}}{6,022\cdot {10}^{23}}\cdot 3=37,5 \text{g}.$

  • Bài 16.3 (H) trang 72 Sách bài tập Vật Lí 12: Xét phản ứng nhiệt hạch: ${}_1^2\text{H}{+}_1^2\text{H}{\to }_2^4\text{He}$ có năng lượng toả ra là 3,25 MeV. Nếu quá trình nhiệt hạch sử dụng hết 150 g ${}_1^2\text{H}$ thì tổng năng lượng thu được là bao nhiêu? Coi khối lượng mol gần bằng số khối của hạt nhân. Biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

    Lời giải:

    Mỗi phản ứng nhiệt hạch đang xét cần sử dụng 2 hạt ${}_1^2\text{H}$ Do đó, số lượng phản ứng nhiệt hạch khi sử dụng hết 150g ${}_1^2\text{H}$ là:

    $\mathrm{N}=\frac{{\mathrm{N}}_{\text{H}2}}{2}=\frac{150}{4}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}=2,25825\cdot {10}^{25}$

    Tổng năng lượng thu được:

    $\mathrm{W}=2,25825\cdot {10}^{25}\cdot 3,25\approx 7,3393\cdot {10}^{25}\text{MeV}$

  • Bài 16.4 (H) trang 72 Sách bài tập Vật Lí 12: Cho một hạt neutron có động năng lớn đến bắn phá hạt nhân ${}_{92}^{235}\text{U}$ đang đứng yên để tạo ra phản ứng phân hạch:${}_0^1\mathrm{n}{+}_{92}^{235}\text{U}{\to }_{54}^{140}\text{Xe}{+}_{38}^{94}\text{Sr}+{\mathrm{x}}_0^1\mathrm{n}.$

    a) Xác định giá trị x (số neutron được tạo thành sau phản ứng).

    b) Trong phản ứng phân hạch này, năng lượng của phản ứng được xác định bằng hiệu của năng lượng liên kết giữa các hạt nhân sản phẩm với các hạt nhân tham gia phản ứng. Biết năng lượng liên kết riêng của ${}_{92}^{235}\text{U}$ là 7,59 MeV/nucleon, ${}_{54}^{140}\text{Xe}$ là 8,29 MeV/nucleon, ${}_{38}^{94}\text{Sr}$ là 8,59 MeV. Tính năng lượng phản ứng.

    Lời giải:

    a) Áp dụng định luật bảo toàn số nucleon: 1 + 235 = 140 + 94 + x.1 → x = 2.

    b) W = 140.8,29 + 94.8, 59 - 235.7,59 = 184, 41 MeV.

  • Bài 16.5 (VD) trang 72 Sách bài tập Vật Lí 12:

  • a) Một nhà máy điện hạt nhân có công suất phát điện 1 920 MW, dùng năng lượng phân hạch của hạt nhân ${}_{92}^{235}\text{U}$ với hiệu suất 33%. Lấy mỗi năm có 365 ngày; mỗi phân hạch sinh ra năng lượng khoảng 200 MeV. Khối lượng ${}_{92}^{235}\text{U}$ mà nhà máy điện hạt nhân tiêu thụ mỗi năm là bao nhiêu? Cho biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

    b) Cần sử dụng khối lượng than đá bằng bao nhiêu trong một nhà máy nhiệt điện để tạo ra lượng năng lượng như trên? Biết năng suất toả nhiệt của than đá là 20 MJ/kg.

    Lời giải:

    a) Năng lượng có ích: A_ci = 1920.10⁶.365.86 400 ~ 6,1.10¹⁶ J.

    Vì hiệu suất nhà máy là 33% nên năng lượng toàn phần cần sử dụng trong một năm là:${\mathrm{A}}_{\text{tp}}=\frac{6,{1.10}^{16}}{0,33}\approx 1,8\cdot {10}^{17}\text{J}$

    Số hạt ${}_{92}^{235}\text{U}$ cần dùng: $\mathrm{N}=\frac{1,8\cdot {10}^{17}}{200\cdot 1,6\cdot {10}^{-13}}\approx 5,{6.10}^{27}$ hạt.

    Khối lượng ${}_{92}^{235}\text{U}$ cần dùng: $\mathrm{m}=\frac{5,6\cdot {10}^{27}}{6,022\cdot {10}^{23}}\cdot 235\approx 2,2\cdot {10}^6\text{g}=2,2$ tấn

    b) Khối lượng than đá cần phải sử dụng để tạo ra lượng năng lượng tương đương ở câu a: ${\mathrm{m}}^{\text{'}}=\frac{1,8\cdot {10}^{17}}{20\cdot {10}^6}={9.10}^9\text{kg}={9.10}^6$tấn

  • Bài 16.6 (VD) trang 72 Sách bài tập Vật Lí 12: Năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao trong vũ trụ đều có nguồn gốc từ các phản ứng nhiệt hạch, bắt đầu từ việc đốt cháy hydrogen để tạo thành helium (được gọi là chu trình proton – proton). Xét một ngôi sao đã đốt cháy hoàn toàn hydrogen thành helium và coi rằng các hạt nhân helium tạo thành đều tham gia vào quá trình ba – alpha theo phương trình: Nếu khối lượng của ngôi sao vào thời điểm đó là 4.10³⁰ kg (khi tất cả hạt nhân trong ngôi sao đều là helium) và công suất toả nhiệt của ngôi sao là 3,8.10³⁰ W thì sau bao lâu toàn bộ hạt nhân chuyển hoá hoàn toàn thành ? Cho biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

    Lời giải:

    Số lượng hạt nhân trong ngôi sao là:

    hạt

    Vì một phản ứng nhiệt hạch cần sử dụng 3 hạt nhân nên tổng năng lượng toả ra của ngôi sao trong quá trình ba - alpha là:

    Thời gian để toàn bộ hạt nhân chuyển hoá hoàn toàn thành là: triệu năm.

  • Lý thuyết 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.