(SKKN 2022) hướng dẫn học sinh lớp 12 phân loại và giải bài tập chương v sóng ánh sáng vật lí 12

Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong sản xuất điện năng nhà máy điệnnguyên tử, trong y học chữa ung thư hay trong hóa học tạo ra các nguyên tốnhân tạo.... Phản ứng hạt nhân là một quá t

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT HÀM RỒNG

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

TÊN ĐỀ TÀI HƯỚNG DẪN HỌC SINH LỚP 12 GIẢI BÀI TẬP VẬT LÍ CHỦ ĐỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Người thực hiện: Hoàng Thị Loan Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lí

THANH HÓA NĂM 2022

1.3 Đối tượng nghiên cứu.

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 22.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 32.3.1 Dạng 1: Viết phương trình phản ứng hạt nhân 32.3.2 Dạng 2: Năng lượng của phản ứng hạt nhân 42.3.3 Dạng 3: Bài toán liên quan đến phản ứng hạt nhân kích thích 6

2.3.3.2 Trường hợp 2: Một trong hai hạt bay theo phương vuông góc

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục,

với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường

18

1 MỞ ĐẦU.

1.1 Lí do chọn đề tài.

Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong sản xuất điện năng (nhà máy điệnnguyên tử), trong y học (chữa ung thư) hay trong hóa học (tạo ra các nguyên tốnhân tạo)

Bài tập về phản ứng hạt nhân là một trong những dạng bài tập khó củachương VII: “Hạt nhân nguyên tử” thuộc chương trình vật lý khối 12, nó chiếmmột phần trong các đề thi THPT Do vậy, việc trang bị cho học sinh kiến thứcthật đầy đủ nhưng lại ngắn gọn, dễ hiểu, dễ nhớ phương pháp giải các dạng bài

về phản ứng hạt nhân để đẩy nhanh tốc độ làm bài, cho kết quả chính xác là rấtcần thiết

- Dựa trên kinh nghiệm đúc rút được trong quá trình giảng dạy và nhất làtrong quá trình ôn luyện cho học sinh lớp 12 thi đại học, trong năm học 2021 –

2022 này, tôi mạnh dạn nghiên cứu và áp dụng đề tài: “Hướng dẫn giải bài tậpVật lí 12, chủ đề phản ứng hạt nhân cho học sinh lớp 12 ”

Đó là lý do chính để tôi thực hiện đề tài này

1.2 Mục đích nghiên cứu.

- Giúp học sinh nắm được khái niệm, các đặc trưng, cũng như các ứngdụng thực tế của phản ứng hạt nhân, phân loại được các dạng bài tập về chủ đềphản ứng hạt nhân, hiểu được đặc trưng riêng của từng dạng, hệ thống hóa đượckiến thức đã học, đưa ra phương pháp giải chung tổng quát cho từng dạng, xâydựng các công thức tổng quát để HS vận dụng làm trắc nghiệm được nhanhhơn từ đó tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc học tập, ôn thi THPTQG ởphần Vật lí hạt nhân

1.3 Đối tượng nghiên cứu.

- Trong nội dung giới hạn của đề tài, tôi nghiên cứu về việc phân bài tậpphản ứng hạt nhân thành từng dạng, từ đó đưa ra phương pháp giải và công thứctống quát cho từng dạng bài cụ thể

1.4 Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết

- Nghiên cứu chương trình vật lí trung học phổ thông, bao gồm sách giáokhoa vật lý 12, sách bài tập, một số sách tham khảo vật lí 12 về phần hạt nhânnguyên tử

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM.

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm.

2.1.1 Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lý, trong đó xảy ra tương

tác mạnh của hạt nhân do tương tác với một hạt nhân khác hoặc với mộtnucleon, photon khi hạt nhân bay vào vùng tương tác của hạt nhân kia với nănglượng đủ lớn sẽ làm phân bố lại động lượng, moment động lượng, spin, chẵnlẻ Nếu năng lượng không đủ lớn sẽ chỉ làm lệch hướng của hai hạt nhân, quátrình đó gọi là tán xạ hạt nhân Chính nhờ các phản ứng hạt nhân mà conngười ngày càng hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc vi mô của thế giới vật chất

Quá trình hai hạt tương tác với nhau tạo thành hai hạt nhân con được mô

tả dưới dạng phương trình phản ứng hạt nhân như sau:

a + A → B + b

Về nguyên tắc một phản ứng liên quan đến nhiều hơn hai hạt va chạmnhưng vì xác suất xảy ra của sự kiện đó là rất thấp nên thông thường chỉ xét đến

sự tương tác của hai hạt nhân với nhau

2.1.2 Phân loại phản ứng hạt nhân: có 2 loại

- Phản ứng hạt nhân tự phát xảy ra khi một hạt nhân tự phân rã và biếnthành hạt nhân khác Quá trình phóng xạ là một phản ứng hạt nhân tự phát

- Phản ứng hạt nhân kích thích xảy ra khi các hạt nhân tương tác nhau dẫnđến sự tạo thành các hạt nhân khác Các phản ứng hạt nhân nhân tạo thường xảy

ra theo hướng này

2.1.3 Năng lượng của phản ứng hạt nhân:

Khi xảy ra phản ứng hạt nhân, điều đặc biệt là tổng khối lượng nghỉ củacác hạt nhân trước phản ứng luôn khác với tổng khối lượng nghỉ của các hạtnhân được tạo thành sau phản ứng (Không có định luật bảo toàn khối lượng nghỉtrong phản ứng hạt nhân) nên khi xảy ra phản ứng hạt nhân luôn có một sựchênh lệch khối lượng nghỉ

Năng lượng tương ứng với độ chênh lệch khối lượng nghỉ này được gọi lànăng lượng của phản ứng hạt nhân

2.1.4 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

- Định luật bảo toàn số khối (Định luật bảo toàn số nuclôn)

- Định luật bảo toàn điện tích (Định luật bảo toàn nguyên tử số)

- Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần

- Định luật bảo toàn động lượng

Chú ý:

Trong phản ứng hạt nhân không có các định luật bảo toàn sau đây:

- Định luật bảo toàn khối lượng

- Định luật bảo toàn số prôtôn (Mặc dù trong một số lớn các trường hợp thì số prôtôn trước và sau phản ứng bằng nhau nhưng có một vài trường hợp thì điều này không đúng - dù số Z vẫn được bảo toàn - nên ta không thể nói "số prôtôn bảo toàn" Điều này sẽ thấy rõ khi ta xét các phản ứng phóng xạ bêta)

- Định luật bảo toàn số nơtrôn (Lý do tương tự như trên)

- Định luật bảo toàn động năng

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.

- Trước khi vận dụng phương pháp phân loại bài tập này đa số học sinh nhớ tớiđâu làm tới đó, khó hệ thống kiến thức, học trước quên sau Đối với một số bàitập giải bằng tự luận để đến kết quả cuối cùng rất dài, mất nhiều thời gian nênhọc sinh không đủ thời gian để làm bài

- Kết quả kiểm tra phần phản ứng hạt nhân trước khi áp dụng sáng kiến kinhnghiệm, tỉ lệ học sinh đạt được như sau:

Lớp Giỏi (%) Khá (%) TB (%) Yếu, kém (%)

2.3 Các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề.

- Để khắc phục các khó khăn trên của học sinh, tôi đã phân loại bài tập phản ứnghạt nhân thành từng dạng và đưa ra phương pháp giải cho từng dạng cụ thể

2.3.1 Dạng 1: Viết phương trình phản ứng hạt nhân.

Phương trình phản ứng hạt nhân: 11 22 33 44

A

Z AZ B Z X Z Y

Xác định tên của các hạt nhân bằng cách dựa vào hai định luật bảo toàn điện tích

và bảo toàn số khối:

Lời giải:

Phương trình phản ứng hạt nhân: 11 p 94 Be    42 He AZ X

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 1 4 2 Z     Z 3 

Áp dụng định luật bảo toàn số khối: 1 9 4 A     A 6 

Vậy hạt nhân X có kí hiệu là 63 X, và X là hạt nhân 63 Li

Hạt nhân X có 3 prôtôn và (6 3) 3  nơtrôn Chọn A.

Ví dụ 2: Cho phản ứng hạt nhân AZ B    Z 1AB X  , X là

Lời giải:

Bảo toàn điện tích: Z Z 1 Z    X  Z X  1

Bảo toàn số khối: A A A X A X 0 X 01 

Điện tích và số khối của các tia và hạt còn lại trong phản ứng: 10 n;01 .

+ Nếu  E 0 : phản ứng tỏa năng lượng

+ Nếu  E 0 : phản ứng thu năng lượng

Ví dụ 6: Cho phản ứng hạt nhân 94 Be      126 C n  , trong đó khối lượng các hạttham gia và tạo thành trong phản ứng là

Be C n

m  4,0015u; m  9,0122 u; m  12,0000 u;m  1,0087u và 1u 931,5MeV / c 2 Phảnứng hạt nhân này

     phản ứng hạt nhân này tỏa năng lượng Chọn B.

Ví dụ 7: Cho phản ứng hạt nhân 2713 Al      3015 P n  , trong đó khối lượng các hạttham gia và tạo thành trong phản ứng là

m  4,0016u; m  26,9743u; m  29,9701u; m  1,0087u; và 1u 931,5MeV / c 2.Phản ứng hạt nhân này

     phản ứng hạt nhân này thu năng lượng Chọn A.

Ví dụ 8: [Trích đề thi THPT QG năm 2009] Cho phản ứng hạt nhân:

1 T  1 D    2 He X  Lấy độ hụt khối của hạt nhân T, hạt nhân D, hạt nhân Helần lượt là 0,009106u; 0,002491u; 0,030382u và 1u 931,5MeV / c 2 Năng lượngtỏa ra của phản ứng xấp xỉ bằng

E (0,030382 0,002491 0,009106).931,5 E 17, 498MeV

Ví dụ 9: Cho phản ứng hạt nhân 23592 U n     9438 Sr 14054 Xe 2n  Biết năng lượngliên kết riêng của các hạt nhân trong phản ứng: U bằng 7,59 MeV; Sr bằng 8,59MeV và Xe bằng 8,29 MeV Năng lượng tỏa ra của phản ứng là

Lời giải:

Phương trình phản ứng: 23592 U n     9438 Sr 14054 Xe 2n 

Năng lượng của phản ứng:   E A Sr   Sr A Xe  Xe  A U  U

E 94.8,59 140.8, 29 235.7,59 E 184, 4MeV

Ví dụ 10: Dùng hạt α bắn vào một hạt nhân Al đang đứng yên, làm xảy ra phản

ứng hạt nhân 2713 Al      3015 P n  Cho độ hụt khối của hạt α bằng 0,030382u;năng lượng liên kết của hạt nhân Al bằng 225,05 MeV; năng lượng liên kếtriêng của hạt nhân P bằng 8,35 MeV Phản ứng hạt nhân này

     phản ứng thu năng lượng Chọn A.

Ví dụ 11: Tìm năng lượng toả ra khi một hạt nhân urani 23492 U phóng xạ tia tạo thành đồng vị thori 23090 Th Cho các năng lượng liên kết riêng của hạt  là7,10 MeV; của 234U là 7,63 MeV; của 230Th là 7,70 MeV

Ví dụ 12: Phản ứng hạt nhân nhân tạo giữa hai hạt A và B tạo ra hai hạt C và D.

Biết tổng động năng của các hạt trước phản ứng là 10 MeV, tổng động năng củacác hạt sau phản ứng là 15 MeV Xác định năng lượng tỏa ra hay thu vào trongphản ứng?

Lời giải:

Phương trình phản ứng: A + B  C + D

Năng lượng của phản ứng:   E K C  K D  K A  K B  15 10 5 MeV    

E 5MeV 0

     phản ứng tỏa năng lượng Chọn C.

2.3.3 Dạng 3: Bài toán liên quan đến phản ứng hạt nhân kích thích.

- Dùng hạt nhẹ A (gọi là đạn) bắn phá hạt nhân B đứng yên (gọi là bia):

A + B  C + D (nếu bỏ qua bức xạ gama)

- Để tìm động năng, vận tốc của các hạt dựa vào hai định luật bảo toàn động

Ví dụ 13: Hạt nhân α có động năng 5,3 (MeV) bắn phá hạt nhân 94 Be đứng yên

và gây ra phản ứng: 94 Be      n X  Hai hạt sinh ra có phương vectơ vận tốcvuông góc với nhau Cho biết tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước phản ứngnhiều hơn tổng năng lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng là 5,6791 MeV, khốilượng của các hạt: mα = 3,968mn; mx = 1 l,8965mn Động năng của hạt X là

tốc vuông góc với vận tốc của hạt prôtôn và có động năng KHe 4MeV Chorằng độ lớn của khối lượng của một hạt nhân (đo bằng đơn vị u) xấp xỉ bằng sốkhối A của nó Động năng của hạt X bằng:

Ví dụ 15: [Trích đề thi THPT QG năm 2013] Dùng một hạt α có động năng

7,7 MeV bắn vào hạt nhân 147 N đang đứng yên gây ra phản ứng

Bảo toàn động lượng: p                               p p                p O

Do hạt p bay ra vuông góc với hạt  nên:

Từ (1) và (2), ta được: K O  2, 075MeV;K p  4, 414MeV Chọn D.

2.3.3.3 Trường hợp 3: Hai hạt sinh ra có cùng véctơ vận tốc

Ví dụ 17: Bắn hạt nhân α có động năng 18 MeV vào hạt nhân 147 N đứng yên ta

có phản ứng  147 N    178 O p  Biết các hạt nhân sinh ra cùng véctơ vận tốc.Cho mα = 4,0015u; mp=1,0072u; mN=13,9992u; mO=16,9947u; cho u = 931 MeV/

c2 Động năng của hạt prôtôn sinh ra có giá trị bằng

A 0,111 MeV B 0,555 MeV C 0,333 MeV D 0,938 MeV.

Lời giải:

Phương trình phản ứng:  147 N    178 O p 

Ta có:

2 2

Từ (1) và (2), suy ra: K p  0,9379MeV  Chọn D.

Ví dụ 18: Bắn hạt α vào hạt nhân nitơ 147N đứng yên, xảy ra phản ứng hạt nhân:

14 17 1

7 Ni 8 O 1 H

    Biết rằng hai hạt sinh ra có véc tơ vận tốc như nhau Tổng

năng lượng nghỉ trước nhỏ hơn tổng năng lượng nghỉ sau là 1,21 MeV Cho khốilượng của các hạt nhân bằng số khối Tính động năng của α.

Lời giải:

Ta có:  E 1, 21MeV K O K H  K  1

Mặt khác: vì 2 hạt 178O và 11H có cùng vectơ vận tốc nên:

1 17

Thay (2) và (3) vào (1), ta được: K 1,56MeV  Chọn A.

2.3.3.4 Trường hợp 4: Hai hạt sinh ra giống nhau, có cùng động năng

Ví dụ 19: Dùng hạt prôtôn có động năng W đ  1, 2Me V bắn vào hạt nhân 37Li

đứng yên thu được 2 hạt  có cùng tốc độ Cho m  p 1,0073u; mLi 7,0144u;

 Chọn C

Ví dụ 20: Một hạt nhân nguyên tử hiđrô chuyển động với vận tốc v đến va chạm

với hạt nhân nguyên tử 73Li đứng yên và bị hạt nhân Liti bắt giữ Sau va chạmxuất hiện hai hạt  bay ra cùng giá trị vận tốc v Quỹ đạo của hai hạt  đốixứng với nhau và hợp với đường nối dài của quỹ đạo hạt prôtôn góc  80 Tính vận tốc v của nguyên tử hiđrô? (m p  1,007u; mHe 4,000u; m Li  7, 000u;

 Chọn D

Ví dụ 22: Hạt nhân 84210Po đang đứng yên thì phân rã  và biến đổi thành hạtnhân 82206Pb Coi khối lượng của các hạt nhân 82206Pb xấp xỉ bằng số khối củachúng (theo đơn vị u) Sau phân rã, tỉ số động năng của hạt nhân Pb và hạt  là

nhân 63Li và hạt  bay ra với các động năng lần lượt bằng K2 3,58 MeV và

Ví dụ 24: Dùng một proton có động năng 5,58 MeV bắn phá hạt nhân 1123Na

đứng yên sinh ra hạt  và hạt nhân X và không kèm theo bức xạ  Biết nănglượng toả ra trong phản ứng chuyển hết thành động năng của các hạt tạo thành,động năng của hạt  là 6,6 MeV và động năng hạt X là 2,648 MeV Cho khốilượng các hạt tính theo u bằng số khối Góc tạo bởi hướng chuyển động của hạt

 và hướng chuyển động hạt proton là

Lời giải:

Phương trình của phản ứng:

11p1123 Na42 1020 X

Góc tạo bởi hướng chuyển động của hạt  và

hướng chuyển động hạt proton là:

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng:

Ví dụ 25: Hạt nơtrôn có động năng 2 MeV bắn vào hạt nhân 63Li đứng yên, gây

ra phản ứng hạt nhân tạo thành một hạt α và một hạt T Các hạt α và T bay theocác hướng hợp với hướng tới của hạt nơtrôn những góc tương ứng bằng 15 và

30 Bỏ qua bức xạ γ Phản ứng thu hay tỏa năng lượng? (cho tỷ số giữa cáckhối lượng hạt nhân bằng tỷ số giữa các số khối của chúng)

A 17,4 MeV B 0,5 MeV C -1,3 MeV D -1,66 MeV.

Năng lượng của phản ứng:   E K K T  K n  1,66MeV 0   phản ứng thu năng lượng  Chọn D.

Ví dụ 26: [Trích đề thi THPT QG năm 2018] Dùng hạt α có động năng 5,00

MeV bắn vào hạt nhân 147N đứng yên gây ra phản ứng: 4 14 1

2 He  7 N    X  1 H.Phản ứng này thu năng lượng 1,21 MeV và không kèm theo bức xạ gamma Lấykhối lượng các hạt nhân tính theo đơn vị u bằng số khối của chúng Khi hạt nhân

X bay theo hướng lệch với hướng chuyển động của hạt α một góc lớn nhất thìđộng năng của hạt 11 H có giá trị gần nhất với giá trị nào sau đây?

A 2,75 MeV B 2,58 MeV C 2,96 MeV D 2,43 MeV.

2.3.4 Bài tập trắc nghiệm tự luyện

Câu 1: Cho phản ứng hạt nhân 199 F p  168 O X  , hạt nhân X là hạt nào sauđây?

Câu 2: Hạt nhân mẹ A có khối lượng mA đang đứng yên phân rã thành hạt nhân

con B và hạt  có khối lượng m B và m, có vận tốc v B và v, Kết luận đúng

về hướng và trị số của vận tốc các hạt sau phản ứng là:

A Cùng phương, cùng chiều, độ lớn tỉ lệ nghịch với khối lượng.

B Cùng phương, ngược chiều, độ lớn tỉ lệ nghịch với khối lượng.

C Cùng phương, cùng chiều, độ lớn tỉ lệ thuận với khối lượng.

D Cùng phương, ngược chiều, độ lớn tỉ lệ thuận với khối lượng.

Câu 3: Trong phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng

A khối lượng các hạt ban đầu nhỏ hơn khối lượng các hạt tạo thành.

B độ hụt khối của các hạt ban đầu nhỏ hơn độ hụt khối các hạt tạo thành.

C năng lượng liên kết của các hạt ban đầu lớn hơn của các hạt tạo thành.

D năng lượng liên kết riêng của các hạt ban đầu lớn hơn của các hạt tạo

B Tổng độ hụt khối của hai hạt nhân A và B nhỏ thua tổng độ hụt khối của

hai hạt nhân C và D thì phản ứng hạt nhân trên tỏa năng lượng

C Phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng chỉ khi các hạt nhân A và B không có

động năng

D Tổng độ hụt khối của hai hạt nhân A và B nhỏ thua tổng độ hụt khối của

hai hạt nhân C và D thì phản ứng hạt nhân trên thu năng lượng

Câu 5: Một hạt  bắn vào hạt nhân 1327Al tạo ra nơtron và hạt X Cho:

m  4,0016u; m n  1,00866u; m Al  26,9744u; m X  29,9701u; lu 931,5MeV c 2 Các hạt nơtron và X có động năng là 4 MeV và 1,8 MeV Động năng của hạt 