(SKKN 2022) phương pháp giải nhanh một số bài tập vật lí hạt nhân và nâng cao kĩ năng đọc hiểu các bài tập vận dụng thực tế

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT TĨNH GIA I SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH MỘT SỐ BÀI TẬP VẬT LÍ HẠT NHÂN VÀ NÂNG CAO KĨ NĂNG ĐỌC – HIỂU CÁC... Thực trạng của v

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT TĨNH GIA I

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH MỘT SỐ BÀI TẬP VẬT LÍ HẠT NHÂN VÀ NÂNG CAO KĨ NĂNG ĐỌC – HIỂU CÁC

2.1.1 Tỉ lệ số hạt bị phân rã ở hai thời điểm khác nhau 3

2.1.a Khoảng thời gian phân rã giống nhau 3

2.1.b Khoảng thời gian phân rã khác nhau(chữa bệnh ung thư) 3

2.1.2 Tỉ lệ số hạt nhân con và số hạt nhân mẹ trong mẫu 3

2.1.3 Tỉ lệ khối lượng hạt nhân con và hạt nhân mẹ trong mẫu 4

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 4

Dạng 2: Xác định tuổi của các thiên thể, mẫu đá chứa chất phóng xạ 7

Dạng 3:Phương pháp các nguyên tử đánh dấu dùng để đo thể tích máu 7

Dạng 4: Xác định mức độ ô nhiễm phóng xạ thông qua độ phóng xạ 8

Dạng 5: Ứng dụng chữa bệnh ung thư của các đồng vị phóng xạ 8

Dạng 6: Ứng dụng của phản ứng phân hạch trong lò phản ứng, nhà

máy điện, tàu ngầm hạt nhân nguyên tử

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình giảng dạy và phân tích đề thi THPT Quốc Gia môn Vật Lí cácnăm - cũng như tham khảo các đề thi đánh giá năng lực tư duy của các trường Đại học trong năm học 2021 -2022, tôi nhận thấy chủ đề bài tập Phóng xạ hạt nhân xuất hiện tần suất thường xuyên và thường nằm trong vùng câu hỏi từ câu

35 đến 40 Nội dung tuy không đòi hỏi kiến thức quá khó với học sinh như phần

Cơ, Sóng và Điện nhưng khi gặp dạng bài này các em thường bị mất điểm do không luận được đề và tính toán dài dòng, trong khi đây lại là câu hỏi không quákhó để ghi điểm bứt phá lên trên 9

Với hình thức thi trắc nghiệm như hiện nay thì việc giải nhanh và chính xác làyêu cầu hàng đầu của người học, cần con đường ngắn nhất bằng các công thức tính nhanh giúp tiết kiệm thời gian Còn với bài thi tư duy năng lực thì cần đọc –hiểu văn bản trước khi suy luận trả lời để rèn luyện khả năng tư duy và năng lựcphát hiện vấn đề của người học Với mục tiêu của chương trình GDPT mới 2018thì việc dạy học Vật lí phải giới thiệu được thêm nhiều ứng dụng thực tiễn của

bộ môn thì hiện nay ngân hàng đề còn khá ít mảng này

Trên cơ sở đó và với vai trò là một Giáo Viên thường xuyên phụ trách ôn thi THPT Quốc Gia, để góp phần giúp học sinh giải quyết vấn đề dễ dàng hơn, đạt kết quả cao hơn trong kì thi THPT Quốc Gia, dành nhiều điểm 9,10 hơn nữa cho

bộ môn Vật lí của tỉnh nhà, tiếp cận tốt các bài thi đánh giá năng lực, tôi mạnh

dạn tìm hiểu đề tài : “ Phương pháp giải nhanh một số bài tập Vật lí hạt nhân

và nâng cao kĩ năng đọc - hiểu các bài tập vận dụng thực tế ” làm sáng kiến

kinh nghiệm cho mình Với hy vọng đề tài này sẽ là một tài liệu tham khảo phục

vụ cho việc học tập của các em học sinh 12 và cung cấp tư liệu thêm cho các quý đồng nghiệp cần đến

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Giới thiệu phương pháp giải tối ưu bằng các công thức tính nhanh giúp học sinh dễ hiểu, dễ vận dụng nhằm giúp các em đạt nhiều điểm cao, phối hợp cùng các bộ môn khác nhằm đạt trên 27đ để các em có thêm cơ hội vào được các trường đại học danh tiếng và theo đúng nguyện vọng sở thích nghề nghiệp của mình Tiếp cận và làm quen với các bài luận đọc – hiểu nâng cao khả năng tư duy và phân tích vấn đề trong các bài thi đánh giá năng lực, khảo sát tư duy của các trường Đại học theo hình thức thi mới

- Mặt khác gần đây những xung đột chiến tranh với đe dọa dùng vũ khí hạt nhâncủa một số nước hay sự cố rò rỉ phóng xạ ở Fukushima (Nhật Bản) năm 2011,

sự kiện lịch sử Hiroshima 1945 làm các em suy nghĩ tiêu cực về khoa học hạt nhân Tôi muốn thông qua ưu thế của bộ môn mình may mắn được dạy - truyền tải thông điệp tích cực, niềm vui đam mê khám phá, sự ngưỡng mộ về những thành tựu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và biết được các ứng dụng rất hay của các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong nhiều lĩnh vực nhằm phục

vụ cho mục đích nâng cao chất lượng sống của con người và hòa bình cho nhân loại

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Đề tài này sẽ nghiên cứu cụ thể về hệ thống bài tập khó về ứng dụng củacác đồng vị phóng xạ (từ câu 35 đến 40 trong đề thi THPT Quốc Gia), kết hợpvới các bài luận đọc – hiểu thực tế về ứng dụng hạt nhân trong các bài thi đánhgiá năng lực, kiểm tra tư duy của các trường Đại Học

- Học sinh lớp 12 ôn thi THPT Quốc Gia

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lí thuyết: nghiên cứu tài liệu từ tạpchí Vật Lí tuổi trẻ, đề thi thử của các trường chuyên trên cả nước, đề minh họa

và đề thi chính thức của Bộ GD&ĐT, đề thi đanh giá năng lực ĐHQG…

- Phương pháp điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin: trao đổi kinh nghiệm với giáo viên, thăm dò học sinh để tìm hiểu tình hình học tập của các emtrong cách tiếp cận với đề tài.

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm sư phạm đánh giá

hiệu quả sử dụng đề tài nghiên cứu trong bồi dưỡng học sinh mũi nhọn Vật lýqua các năm học ở Trường THPT Tĩnh Gia 1

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý luận

2.1.1 Tỉ lệ số hạt bị phân rã ở hai thời điểm khác nhau

a/ Khoảng thời gian phân rã như nhau:

- Định luật về số hạt phóng xạ : 0 2 0

t

t T

t T t

b/ Khoảng thời gian phân rã khác nhau (chữa bệnh ung thư):

- Khi thời gian chiếu xạ quá bé so với chu kì bán rã thì:

2.1.2 Tỉ lệ số hạt nhân con và số hạt nhân mẹ trong mẫu

- Số hạt nhân mẹ còn lại sau thời gian phân rã t: N mẹ=N0 2

−t T

- Số hạt nhân con mới tạo thành sau thời gian t: 0.(1 2 )

t T con

2.1.3 Tỉ lệ khối lượng hạt nhân con và hạt nhân mẹ trong mẫu

- Tương tự như phần trên, ta có công thức tính nhanh tuổi của các cổ vật: (2 1).

2.1.4 Năng lượng phản ứng hạt nhân

- Năng lượng tỏa ra của phản ứng :

- Nên ta có thêm các công thức tính nhanh về năng lượng phản ứng:

ΔEE=( ΔEm s−ΔEm t)c

A H A



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

- Qua nhiều năm dạy học phần Vật lí hạt nhân tôi nhận thấy: mặc dù đây là phầnkiến thức không quá khó như Dao động cơ, Sóng, Điện xoay chiều - nhưng khi vận dụng vào giải bài tập đa số học sinh thường lúng túng, sử dụng định luật phóng xạ và lập hệ giải tuần tự nên rất mất thời gian tìm đáp án, thậm chí loay hoay khi bài toán có hai nghiệm trở lên phải loại nghiệm.

- Nguyên trên trên theo tôi là do chương trình SGK chỉ đi sâu vào lí thuyết, các chuyên đề bài tập chưa mở rộng và chưa giới thiệu nhiều về các ứng dụng thực

tế của hiện tượng phóng xạ hay năng lượng hạt nhân Trong khi đó với xu hướngmới của các đề thi hiện nay, đặc biệt là thi đánh giá năng lực thì bài tập ứng dụng thực tiễn trở nên phong phú, đa dạng, đòi hỏi hs phải nhận diện được đề vàvận dụng một cách linh hoạt

- Mặt khác trước đây các trường Đại học chưa thi kiểu đánh giá năng lực tư duy nên các em không quen với những bài luận về ứng dụng thực tiễn của hạt nhân nguyên tử, trong khi đó ngân hàng của thầy cô còn rất ít dạng bài đọc – hiểu này

2.3 Một số biện pháp

- Căn cứ vào thực trạng của vấn đề tôi xin giới thiệu một số bài tập nghiêng về ứng dụng của hạt nhân trong nhiều lĩnh vực được giải theo các công thức tính nhanh giúp các em tiết kiệm thời gian tính toán và giới thiệu bài tập đọc – hiểu theo xu hướng thi đánh giá năng lực mới để thấy được tính hiệu quả của đề tài này:

Dạng 1: Xác định tuổi cổ vật gốc sinh vật

Câu 1(Minh họa 2022):Để xác định tuổi của một cổ vật bằng gỗ, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp xác định tuổi theo lượng C14 Khi cây còn sống, nhờ sự trao đổi chất với môi trường nên tỉ số giữa số nguyên tử C 14 và số

nguyên tử C 12 có trong cây tuy rất nhỏ nhưng luôn không đổi Khi cây chết, sự trao đổi chất không còn nữa trong khi C 14 là chất phóng xạ  

với chu kì bán rã

5730 năm nên tỉ số giữa số nguyên tử 14 C và số nguyên tử 12 C có trong gỗ sẽ giảm Một mảnh gỗ của cổ vật có số phân rã của 14 C trong 1 giờ là 497 Biết rằng với mảnh gỗ cùng khối lượng của cây cùng loại khi mới chặt thì số phân rã của 14 C trong 1 giờ là 921 Tuổi của cổ vật là:

A.1500 năm B. 5100 năm C 8700 năm D.3600 năm

Hướng dẫn:

và có thể được sử dụng để định tuổi các vật liệu tự nhiên và nhân tạo.

1/ Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân

A phát ra một bức xạ điện từ.

B tự phát phóng ra các tia a,,g, nhưng không thay đổi hạt nhân.

C

tự phát phóng ra tia phóng xạ và biến đổi thành một hạt nhân khác

D phóng ra các tia phóng xạ, khi bị bắn phá bằng những hạt chuyển động với

tốc độ lớn

2/ Chu kì bán rã của một chất phóng xạ là khoảng thời gian để

A quá trình phóng xạ lại lặp lại như lúc ban đầu.

B

một nửa số nguyên tử chất ấy biến đổi thành chất khác

C khối lượng chất ấy giảm một phần nhất định, tùy thuộc vào cấu tạo của nó.

D một nửa số nguyên tử chất ấy hết khả năng phóng xạ.

3/ Thành phần đồng vị phóng xạ 14 C có trong khí quyển có chu kỳ bán rã là

5568 năm Mọi thực vật sống trên Trái Đất hấp thụ các bon dưới dạng CO2 đềuchứa một lượng cân bằng 14 C Trong một ngôi mộ cổ người ta tìm thấy mộtmảnh xương nặng 18g với độ phóng xạ 112 phân rã/phút Hỏi vật hữu cơ nàychết cách đây bao nhiêu lâu? Biết độ phóng xa từ 14C ở thực vật sống là 12 phân

Dạng 2: Xác định tuổi của các thiên thể, mẫu đá chứa chất phóng xạ

Câu 3 (Chuyên Vinh 2021): Hạt nhân urani 92238U sau một chuỗi phân rã, biến đổi thành hạt nhân 23492 U Trong quá trình đó, chu kì bán rã của 23892 U là 4,5 tỉ năm.Một khối đá được phát hiện có chứa 1,978.1020 hạt nhân 92238U và 6,539.1018 hạt nhân 92234U Giả sử, khối đá lúc mới hình thành không chứa 92234U và tất cả

lượng 23492 U có mặt trong đó đều là sản phẩm phân rã của 23892 U Tuổi của khối đá khi được phát hiện xấp xỉ

A 2,5.107 năm B 2,1.108 năm C 3,7.109 năm D 3,1.108 năm

Câu 4 (Chuyên KHTN – Hà Nội 2022): Do hiện tượng xói mòn, một phần đá

bị tan vào nước biển Trong đó có chứa urani 234 (234 U92) là chất phóng xạ α và khi phân rã tạo thành thori 230Th90 Chất thori cũng là chất phóng xạ α với chu kì bán rã 80000 năm Urani tan vào nước biển, trong khi thori không tan và lắng xuống đáy biển Một mẫu vật hình trụ cao 10 cm được lấy từ đáy biển Phân tíchlớp bề mặt phía trên mẫu người ta thấy nó có 10-6 gam thori, trong khi lớp bề mặt phía dưới cùng của mẫu chỉ có 0,12.10-6 gam thori Tốc độ tích tụ của trầm tích biển ở vị trí lấy mẫu bằng

Dạng 3: Phương pháp các nguyên tử đánh dấu dùng đo thể tích máu

Câu 5: Tiêm vào máu bệnh nhân 10cm3 dung dịch chứa 11

A 6,25 lít B 6,54 lít C 5,52 lít D 6,00 lít

Hướng dẫn:

- Ta có độ phóng xạ sau một thời gian là: 2

−t T

= H

H0=¿2

−7,5 15



= 6251,6 cm3 = 6,25 (lít)

Dạng 4: Xác định mức độ ô nhiễm phóng xạ thông qua độ phóng xạ

Câu 7: Trong vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima I hồi tháng 3/2011 tại Nhật Bản có một lượng chất phóng xạ I131 lan ra trong không khí Mưa đã làm cỏ

ở một số vùng tại Hàn Quốc bị nhiễm chất phóng xạ và sau đó xuất hiện trong sữa bò với độ phóng xạ là 2900 Bq/lit Biết ngưỡng phóng xạ an toàn của sữa bò

an toàn là 185 Bq/lit Chu kì bán rãI131 là 8,04 ngày Để sữa bò tại địa phương này an toàn cần thời gian tối thiểu là :

A 40 ngày 32 ngàyB C 28 ngày D 30 ngày

- Thời gian tối thiểu an toàn cho phép: t ≈ 31,992 ngày

- Giới thiệu cho hs biết thêm về biển cảnh báo nguy hiểm có chất phóng xạ:

Dạng 5: Ứng dụng chữa bệnh ung thư của các đồng vị phóng xạ

Câu 8(ĐH 2021): Một mẫu chất chứa 60 Co là chất phóng xạ với chu kì bán rã

5,27 năm, được sử dụng trong điều trị ung thư Gọi N o là số hạt nhân60 Cocủa

mẫu phân rã trong 1 phút khi nó mới được sản xuất Mẫu được coi là hết “hạn

sử dụng” khi số hạt nhân 60 Co của mẫu phân rã trong 1 phút nhỏ hơn 0,7N o Nếu

mẫu được sản xuất vào tuần đầu tiên của tháng 5 năm 2020 thì “hạn sử dụng”

> 1 0,7 Suy ra: t < 32,54 tháng  2 năm 8,54 tháng

- Vậy hạn sử dụng: tháng 5 năm 2020 + 2 năm 8,54 tháng  tháng 1 năm 2023

Câu 9(Chuyên KonTum 2022): Các tế bào ung thư dễ bị tổn thương dưới tác

dụng của tia X hoặc tia gamma hơn các tế bào khỏe mạnh Mặc dù ngày nay đã

có các máy gia tốc tuyến tính thay thế, nhưng trước kia nguồn tiêu chuẩn để điềutrị là phóng xạ 60Co Đồng vị này phân rã  thành 60Ni ở trạng thái kích thích, nhưng 60Ni ngay sau đó trở về trạng thái cơ bản và phát ra hai photon gamma, mỗi photon có năng lượng xấp xỉ 1,2 MeV Biết rằng chu kì bán rã của phân rã

 là 5,27 năm Xác định số hạt nhân 60Co có mặt trong nguồn 6000 Ci thường được dùng trong các bệnh viện

bệnh viện khám bệnh và tiếp tục chiếu xạ Biết đồng vị phóng xạ đó có chu kỳ bán

rã T = 4 tháng (coi  t T) và vẫn dùng nguồn phóng xạ trong lần đầu Hỏi lầnchiếu xạ thứ 3 phải tiến hành trong bao lâu để bệnh nhân được chiếu xạ với cùngmột lượng tia g như lần đầu?

Câu 11: Một người bệnh phải chạy thận bằng phương pháp phóng xạ Nguồn

phóng xạ đuợc sử dụng có chu kỳ bán rã T =40 ngày Trong lần khám đầu tiên người bệnh được chụp trong khoảng thời gian 12phút Do bệnh ở giai đoạn đầu nên trong 1 tháng người này 2 lần phải tới bệnh viện để chụp cụ thể lịch hẹn với bác sĩ như sau:

Thời gian: 08h Ngày 05/11/2021 PP điều trị: Chụp phóng xạ (BS Lê Yến)Thời gian: 08h Ngày 20/11/2021 PP điều trị: Chụp phóng xạ (BS Lê Yến)Hỏi ở lần chụp thứ 3 người này cần chụp trong khoảng thời gian bằng bao nhiêu

để nhận được liều lượng phóng xạ như các lần trước: Coi rằng khoảng thời gian

chụp rất nhỏ so với thời gian điều trị mỗi lần.

Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ Ngoài các đồng vị phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, người ta cũngchế tạo được nhiều đồng vị phóng xạ gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo Các đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ Năm 1898,

nữ bác học Marie Curie phát hiện ra nguyên tố 226Ra, sau đó không lâu đồng vịphóng xạ (ĐVPX) đã được ứng dụng trong điều trị bệnh Cũng bắt đầu từ đấy đã

ra đời lĩnh vực sinh học phóng xạ và ung thư học phóng xạ 30 năm sau chiến tranh thế giới thứ II là thời kỳ nhiều ĐVPX được phát minh và ứng dụng trong yhọc Ngày nay, ĐVPX được ứng dụng rộng rãi trong điều trị bệnh Y học hạt nhân (YHHN) ứng dụng tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên các tế bào, các mô bị bệnh, điều đó đã làm cho YHHN trở thành một chuyên ngành trong lâm sàng

So với chẩn đoán, điều trị phải dùng liều lớn hơn, do đó tác động của phóng xạ lên mô lành cũng lớn hơn nhiều Đó là một trong những khó khăn và hạn chế của điều trị bằng phóng xạ, tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thì đây là phương pháp điều trị hữu hiệu, nhanh gọn, đơn giản, an toàn và ưu việt hơn so với các phương pháp điều trị khác

Các phương thức điều trị bằng bức xạ ion hóa (Radiotherapy) của các ĐVPX:+ Xạ trị chuyển hoá ( Metabolictherapy)

+ Xạ trị áp sát (Brachytherapy)

+ Xạ trị chiếu ngoài (Teletherapy)

1/ Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân:

A phát ra một bức xạ điện từ

B tự phát ra các tia a  g, ,

C tự phát phóng ra tia phóng xạ và biến đổi thành một hạt nhân khác

D phóng ra các tia phóng xạ, khi bị bắn phá bằng những hạt chuyển động với

tốc độ lớn

2/ Kết luận nào về bản chất của các tia phóng xạ dưới đây là không đúng?

A Tia a  g, , đều có chung bản chất là sóng điện từ có bước sóng khác nhau

B Tia α là dòng các hạt nhân nguyên tử

C Tia β là dòng hạt mang điện

D Tia γ là sóng điện từ

3/ Trong điều trị bệnh ung thư, bệnh nhân được chiếu xạ với một liều xác định

nào đó từ một nguồn phóng xạ Biết nguồn có chu kỳ bán rã là 4 năm Khi nguồn được sử dụng lần đầu thì thời gian cho 1 liều xạ là 10 phút Hỏi sau hai năm thời gian cho 1 liều xạ là bao nhiêu?