Sách bài tập Vật lí 12 Bài 24 (Kết nối tri thức): Công nghiệp hạt nhân

Giải SBT Vật lí 12 Bài 24: Công nghiệp hạt nhân

Câu 24.1 trang 82 Sách bài tập Vật Lí 12: Đánh dấu (x) vào các cột (đúng) hoặc (sai) tương ứng với các nội dung trong bảng dưới đây.

Lời giải:

Câu 24.2 trang 82 Sách bài tập Vật Lí 12: Máy cán vật liệu thô thành lá vật liệu có độ dày được điều chỉnh tự động là một sản phẩm ứng dụng tính chất đâm xuyên của tia phóng xạ (Hình 24.1). Biết rằng, với một nguồn phóng xạ mới, chùm tia phóng xạ sẽ giảm độ phóng xạ n₀ = 8 lần khi đi qua lá thép có độ dày tiêu chuẩn d₀ = 6 mm. Nếu người ta cài đặt máy để cán được lá thép có độ dày d₁ thì độ phóng xạ khi qua lá vật liệu sẽ giảm ${\text{n}}_1={\text{n}}_0^{\frac{{\text{d}}_1}{ {\text{d}}_0}}$ lần.

a) Dựa vào Hình 24.1 hãy mô tả nguyên lí hoạt động của máy cán vật liệu tự động.

b) Độ phóng xạ tới đầu thu sẽ thay đổi như nào khi độ dày lá thép thay đổi từ d₀ sang d₁.

c) Thay nguồn phóng xạ mới bằng một nguồn đã sử dụng một khoảng thời gian bằng chu kì bán rã của nguồn phóng xạ. Nếu các thông số cài đặt vẫn giữ nguyên thì độ độ dày của lá vật liệu sản xuất ra sẽ bằng bao nhiêu? Để độ dày của lá vật liệu sản xuất ra vẫn là giá trị d₀ = 6 mm thì người ta cần hiệu chỉnh máy cán tới độ dày nào?

Lời giải:

a) Ở độ dày tiêu chuẩn, đầu thu sẽ nhận một độ phóng xạ xác định, do đó mức tín hiệu ở đầu thu cũng xác định, cho nên hệ thống máy tính không gửi tín hiệu điều chỉnh vị trí con lăn. Vì lí do nào đó lá vật liệu có độ dày lại khác độ dày tiêu chuẩn, thì tín hiệu đầu thu sẽ thay đổi do độ phóng xạ tới đầu thu bị thay đổi. Thông qua hệ thống máy tính, một tín hiệu điều chỉnh vị trí con quay cán vật liệu sẽ được gửi đi, nhằm đưa độ dày của lá vật liệu trở về giá trị tiêu chuẩn d₀.

b) Để cán được lá thép có độ dày d₁ thì độ phóng xạ khi qua lá vật liệu sẽ giảm ${\text{n}}_1={\text{n}}_0^{\frac{{\text{d}}_1}{ {\text{d}}_0}}$ lần.

Độ phóng xạ tới đầu thu sẽ thay đổi khi độ dày lá thép thay đổi từ d₀ sang d₁ là $\frac{n_0}{n_1}=\frac{n_0}{n_0^{\frac{d_1}{ d_0}}}=n_0^{1-\frac{d_1}{ d_0}}$ lần.

c) Độ dày lá vật liệu sản xuất ra là: ${\text{d}}_{\text{sx}}={\text{d}}_0\left(1+{\log }_{\text{n}}\frac{1}{2}\right)=4 \text{mm}$

Người ta cẩn hiệu chỉnh máy tới giá trị: ${\text{d}}_{\text{hc}}={\text{d}}_0\left(1+{\log }_{\text{n}}2\right)=8 \text{mm}$

Câu 24.3 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Các tính chất của phân rã phóng xạ được ứng dụng để chế tạo Pin nguyên tử. Pin nguyên tử có độ tin cậy cao, dung lượng pin có thể duy trì được ở mức cao trong thời gian dài khi sử dụng khi sử dụng nguồn phóng xạ có chu kì bán rã lớn. Pin thường được sử dụng cho các nhiệm vụ đòi hỏi yêu cầu cao như thiết bị y tế đặc biệt hoặc các chuyến du hành vũ trụ dài ngày,... Dựa vào các thông tin được ghi trên Hình 24.2 em hãy:

a) Xác định khối lượng tối thiểu của đồng vị phóng xạ được cho vào pin nguyên tử, biết rằng đồng vị ²³⁸Pu có chu kì bán rã là 87,7 năm.

b) Suất điện động của pin tỉ lệ thuận với độ phóng xạ. Người ta sẽ thay pin khi công suất pin giảm 50% so với giá trị công suất ban đầu. Sau bao lâu người bệnh mới cần mổ để thay pin nguyên tử cho thiết bị điều hoà điện tim?

Lời giải:

a) Thông tin trên vỏ hộp cho thấy độ phóng xạ của mẫu là:

$H=\lambda N\Rightarrow 2,5Ci=\frac{\ln 2}{T}.N\Rightarrow 2,5.3,{7.10}^{10}=\frac{\ln 2}{87,\mathrm{7.365.86400}}N\Rightarrow N=3,{69.10}^{20}$

Do vậy khối lượng của của mẫu phóng xạ trong pin nguyên tử là:

$\text{m}=\frac{\text{N}}{{\text{N}}_{\text{A}}}\cdot 238 \text{g}=\frac{3,69\cdot {10}^{20}}{6,02\cdot {10}^{23}}\cdot 238 \text{g}\approx 0,15 \text{g}.$

b) Công suất pin $P=\frac{E^2}{R}$ tỉ lệ với bình phương suất điện động. Công suất giảm đi 50% = 0,5 thì suất điện động giảm đi $\sqrt{0,5}=0,71$ lần.

Lại có suất điện động của pin tỉ lệ thuận với độ phóng xạ nên giá trị này cũng là độ giảm của độ phóng xạ.

Do vậy thời gian t cần thay pin là: $\frac{H}{H_0}=2^{-\frac{t}{T}}\Rightarrow 0,71=2^{-\frac{t}{87,7}}\Rightarrow t=43,3$năm.

Câu 24.4 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Vì sao các nhà máy điện hạt nhân thường được xây dựng cạnh hồ, sông và bờ biển?

Lời giải:

Lí do các nhà máy điện hạt nhân thường được xây dựng cạnh hồ, sông và bờ biển là vì: nhà máy điện hạt nhân toả ra rất nhiều nhiệt, cần nhiều nước để làm mát.

Câu 24.5 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Liệt kê các nguy cơ ảnh hưởng tới sức khoẻ con người và môi trường nếu không may xảy ra sự cố tại lò phản ứng hạt nhân.

Lời giải:

Nguy cơ ảnh hưởng tới sức khoẻ con người và môi trường nếu không may xảy ra sự cố tại lò phản ứng hạt nhân: rủi ro về sự an toàn, gây ô nhiễm phóng xạ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khoẻ con người; tạo ra chất thải phóng xạ, có thể gây nguy hiểm trong hàng trăm năm, việc quản lí và xử lí chất thải gây lo ngại về rò rỉ phóng xạ và ô nhiễm.

Câu 24.6 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Nêu vai trò của các nhà máy điện hạt nhân trong đời sống.

Lời giải:

Nhà máy điện hạt nhân giúp giảm khí thải nhà kính, mang lại nguồn cung cấp điện ổn định, đảm bảo năng lượng bền vững, đem lại lợi ích kinh tế lâu dài.

Câu 24.7 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Đánh giá các ưu điểm, nhược điểm và cơ hội phát triển của các nhà máy điện hạt nhân.

Lời giải:

– Ưu điểm của nhà máy điện hạt nhân: cung cấp năng lượng hạt nhân giúp giảm khí thải nhà kính, mang lại nguồn cung cấp điện ổn định, đảm bảo năng lượng bền vững, đem lại lợi ích kinh tế lâu dài. Hệ thống khai thác năng lượng hạt nhân có thể hoạt động trong thời gian dài mà không cần bổ sung nhiên liệu.

– Nhược điểm của nhà máy điện hạt nhân: tạo ra chất thải nguy hại cho môi trường, quá trình vận hành có khả năng rủi ro và sự cố khá cao, chi phí xây dựng tốn kém cũng như tiềm tàng nguy cơ về an ninh hạt nhân.

– Để đáp ứng nhu cầu năng lượng không ngừng tăng nhanh thì cơ hội phát triển các nhà máy điện hạt nhân là khả thi.

Câu 24.8 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Tại sao người ta sử dụng tia gamma trong chụp ảnh phóng xạ cắt lớp bên trong cơ thể?

Lời giải:

Lí do người ta sử dụng tia gamma trong chụp ảnh phóng xạ cắt lớp bên trong cơ thể là vì: Tia γ có khả năng đâm xuyên lớn. Khi các chất phóng xạ di chuyển trong cơ thể, chúng phát ra các tia γ xuyên qua các thành phần cơ thể đến đầu dò tín hiệu và ta thu được thông tin về vị trí, tính chất, thành phần cơ thể bị tia γ xuyên qua.

Câu 24.9 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Nêu vai trò của y học hạt nhân trong đời sống.

Lời giải:

Vai trò của y học hạt nhân trong đời sống:

- Chẩn đoán và điều trị các bệnh ung thư, bệnh nội tiết, tim mạch...;

- Xử lí thực phẩm sử dụng bức xạ ion hoá, khử trùng các sản phẩm và thiết bị y tế (đồng phục, dụng cụ, băng gạc,...);

- Xác định nguồn nước, đánh giá nguy cơ xâm nhập nước mặn hoặc ô nhiễm nguồn nước, kiểm tra khả năng sử dụng nước;

- Phát hiện các khu vực đất bị xói mòn,...

Câu 24.10 trang 83 Sách bài tập Vật Lí 12: Đánh giá các ưu điểm, nhược điểm và cơ hội phát triển của y học hạt nhân.

Lời giải:

Ưu điểm, nhược điểm và cơ hội phát triển của y học hạt nhân:

– Chẩn đoán hình ảnh; Chẩn đoán hình ảnh kết hợp; Công nghệ chụp PET (Positron Emission Tomography); Công nghệ chụp SPECT – Chụp tim mạch và xạ hình xương; Điều trị ung thư,...

– Nhiễm quá nhiều phóng xạ có khả năng làm tổn thương các cơ quan hoặc mô trong cơ thể, thậm chí làm tăng nguy cơ ung thư.

– Khi công nghệ tiến bộ, các nhà khoa học hi vọng rằng các phương pháp điều trị sẽ tác động nhiều hơn đến khối u hoặc bệnh và ít ảnh hưởng đến toàn bộ cơ thể.

Lý thuyết Công nghiệp hạt nhân

I. Nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân không trực tiếp phát khí thải ô nhiễm môi trường như CO₂, CO, ... và có thế phát điện liên tục nhiều năm cho tới khi phải thay nhiên liệu mới.

Tuy nhiên, việc xử lí chất thải hạt nhân đòi hỏi công nghệ phức tạp với chi phí cao. Vật liệu chứa chất thải hạt nhân cần có độ bền rất cao để bảo quản cất giữ hàng trăm năm sau khi khai thác vì chu kì bán rã của một số đồng vị trong thanh nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là rất lớn (Ví dụ ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs có chu kì bán rã khoảng 30 năm).

II. Y học hạt nhân

1. Chẩn đoán thông qua chụp ảnh phóng xạ cắt lớp bên trong cơ thể

Người ta đưa các đồng vị phóng xạ vào cơ thể thông qua dược chất phóng xạ. Thông qua thiết bị phát hiện tia phóng xạ và sử dụng máy vi tính, người ta có thể theo dõi sự dịch chuyển của các dược chất phóng xạ bên trong cơ thể (phương pháp theo dõi vết phóng xạ). Ví dụ: Khi tiêm dược chất phóng xạ vào tĩnh mạch để chụp ảnh phóng xạ gan mật, nhờ theo dõi vết phóng xạ chúng ta sẽ quan sát được toàn bộ quá trình sản xuất dịch mật của gan và sự dịch chuyển của dịch từ gan chảy tới túi mật.

2. Điều trị bệnh

Trong điều trị bệnh ung thư, bệnh nhân được uống hoặc tiêm dược chất phóng xạ với thành phần chứa đồng vị phóng xạ (ví dụ thuốc Xofigo có chứa đồng vị phóng xạ ${86}_{223}Ra$, hoặc thuốc Lutathera có chứa đồng vị phóng xạ ${71}_{177}Lu$, ... ). Các tế bào ung thư sẽ chết do hấp thụ tia phóng xạ có trong dược chất phóng xạ được mạch máu vận chuyển tới.

Ngoài cách sử dụng dược chất phóng xạ, người ta còn dùng máy xạ trị để chiếu tia phóng xạ từ bên ngoài cơ thể vào tế bào ung thư để tiêu diệt chúng. Tia phóng xạ cũng được dùng để khử trùng, khử khuẩn, ...

III. Ứng dụng của phóng xạ hạt nhân trong công nghệ sinh học và trong bảo quản thực phẩm

- Trong công nghệ sinh học, tia phóng xạ có thể được sử dụng hỗ trợ nghiên cứu gây đột biến gene, nhằm tạo ra các giống cây trồng mới có một số đặc điểm vượt trội như khả năng kháng sâu bệnh, năng suất cao, tạo quả trái mùa, hoặc một số loại quả không hạt, ... Cây trồng đột biến gene có thể ít ảnh hưởng tới môi trường do cây chỉ cần sử dụng ít phân bón và các loại thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng.

- Phương pháp đánh dấu phóng xạ được sử dụng trong nghiên cứu sinh học, nông nghiệp và lâm nghiệp.

- Sử dụng trong công nghệ tiệt trùng, bảo quản thực phẩm.