Tài liệu hạt nhân nguyên tử ôn thi ĐH

b Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân Trong một phản ứng hạt nhân, các đại lượng sau đây được bảo toàn : số nuclôn, điện tích, năng lượng toàn phần và động lượng.. c Năng lượ

Chủ đề 3

HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Kiến thức - Nêu được phản ứng phân hạch là gì, viết được một

phương trình ví dụ về phản ứng này

- Nêu được phản ứng dây chuyền là gì và các điều kiện

để phản ứng này xảy ra

- Nêu được các bộ phận chính của nhà máy điện hạt nhân

- Nêu được phản ứng nhiệt hạch là gì và điều kiện để phản ứng này xảy ra Nêu được các ưu điểm của năng lượng nhiệt hạch

Kĩ năng - Viết được phương trình phản ứng hạt nhân và tính

được năng lượng toả ra hay thu vào trong phản ứng hạt nhân.

VẤN ĐỀ

A CÁC VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT CƠ BẢN

1 PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

a) Định nghĩa

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

b) Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Trong một phản ứng hạt nhân, các đại lượng sau đây được bảo toàn :

số nuclôn, điện tích, năng lượng toàn phần và động lượng

Khối lượng không được bảo toàn

c) Năng lượng trong phản ứng hạt nhân

Trong phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng m0 của các hạt ban đầu có thể khác với tổng khối lượng m của các hạt sinh ra

- Nếu m0 > m thì phản ứng tỏa năng lượng : W = (m0 m)c2

- Nếu m0 < m thì phản ứng thu năng lượng : W' = W

2 HAI LOẠI PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TOẢ NĂNG LƯỢNG

a) Phân hạch là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân trung

bình (kèm theo một vài nơtron phát ra)

 Các sản phẩm của phân hạch là những hạt nhân chứa nhiều nơtron

và phóng xạ —

 Phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển được tạo ra trong lò phản ứng (ứng với hệ số nhân nơtron k = 1)

Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng hạt nhân dây chuyền

b) Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân

nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn Phản ứng này chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao

Ví dụ : phản ứng tổng hợp heli

21H31H42He01n+ 17,5 MeV

21H73Li42He42He10n + 15,1 MeV

 Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch : nhiệt độ cao (khoảng 50 đến 100 triệu độ) ; mật độ hạt nhân n phải đủ lớn ; thời gian duy trì nhiệt độ cao phải đủ dài

 Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao

 Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu điểm không gây

ô nhiễm (sạch) và nguyên liệu dồi dào sẽ là nguồn năng lượng trong tương lai

3 NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

Bộ phận chính của nhà máy điện hạt nhân là lò phản ứng hạt nhân Chất tải nhiệt sơ cáp, sau khi chạy qua vùng tâm lò, sẽ chảy qua bộ phận trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt cho lò sinh hơi Hơi nước làm chạy tua bin phát điện

Hình 2.2 Sơ đồ đơn giản của nhà máy điện hạt nhân

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN

Dạng 1 : Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Phương pháp giải : Vận dụng :

Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Trong một phản ứng hạt nhân, các đại lượng sau đây được bảo

toàn : số nuclôn, điện tích, năng lượng toàn phần và động lượng

Khối lượng không được bảo toàn

Các quy tắc dịch chuyển

 Trong phân rã , hạt nhân con lùi hai ô trong bảng tuần hoàn so với hạt nhân mẹ : A A 4

ZX Z 2 Y

 Trong phân rã –

hoặc +

hạt nhân con tiến hoặc lùi một ô :

Z X  Z 1Y

 Trong phân rã  hạt nhân không biến đổi mà chỉ chuyển xuống mức năng lượng dưới Phóng xạ  thường đi kèm trong các phóng xạ , –

hoặc +

Ví dụ 2.1 Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây

:

a) 23892UAZX23490Th

b) 23490Th23491PaAZX

c) AZX21283Bi4( He)42 01e

Hướng dẫn giải

Áp dụng các định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích

a) Bảo toàn số khối : 238 = A + 234  A = 4

Bảo toàn điện tích : 92 = Z + 90  Z = 2

Vậy, hạt nhân X là 42He

23892U42He23490Th

b) 23490Th23491Pa01e

c) 23890Th21283Bi4( He)42 01e

92 X   82 Y có bao nhiêu hạt

a và  được phát ra ? Đó là hạt 

hay + ?

Hướng dẫn giải

92Xx( He) y( e)2  k  82Y

trong đó, k = 1 (+1 ứng với +

; 1 ứng với 

)

- Bảo toàn số nulôn : 235 = 4x + 0 + 207  x = 7

- Bảo toàn điện tích : 92 = 2x + ky + 82  ky = 4

Suy ra : y = 4 ; k = 1 ứng với 

Vậy : có 7 hạt a và 4 hạt 

Dạng 2 : Năng lượng trong phản ứng hạt nhân

Phương pháp giải :

Trong phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng m0 của các hạt ban đầu có thể khác với tổng khối lượng m của các hạt sinh ra

- Nếu m0 > m thì phản ứng tỏa năng lượng : W = (m0  m)c2

- Nếu m0 < m thì phản ứng thu năng lượng : W' = W

Ví dụ 2.3 : Cho phản ứng hạt nhân  + 2713Al  30

15P + n Khối lượng của các hạt nhân là m = 4,0014 u, m(2713Al ) = 26,97435 u, m(30

15P) = 29,97005 u, mn = 1,008670 u, 1 u = 931,5 MeV/c2, 1 MeV = 1,6.1013 J Năng lượng mà phản ứng này tỏa

ra hay thu vào là bao nhiêu ?

Hướng dẫn giải

Ta có : W = (mp + mn  m mAl)c2

= (29,97005 + 1,008670  26,97435  4,0014).931,5

W  2,76 MeV (Phản ứng thu năng lượng)

Ví dụ 2.4 : Một hạt nhân X phóng xạ bị phân rã phóng ra hạt  Chứng minh rằng động năng của hạt nhân sau phân rã luôn

nhỏ hơn động năng của hạt 

Hướng dẫn giải

Xét phản ứng phân rã  : X  + Y

Định luật bảo toàn động lượng p = pY  p2 = p2Y

hay : 2mWđ () = 2mYWđ (Y)

 ( ) 

(Y)

W

W

®

®

=



X

m

m > 1  Wđ () > Wđ (Y)

Ví dụ 2.5 : Bắn hạt  vào hạt nhân 14

7 N đứng yên, ta có phản ứng :

 + 147 N  17

8 O + p

Giả sử các hạt sinh ra có cùng một vận tốc Tính động năng các hạt sinh ra theo động năng W của hạt  Cho m = 4,0015 u, mN

= 13,9992 u, mO = 16,9947 u

Vì các hạt sinh ra sau phản ứng có cùng vận tốc nên theo định luật bảo toàn động lượng ta có

mv = (m0 + mp)v  v2 = 2 2

m W (m  m )

Từ đó ta có : W0 = 1

2m0v

2

m m W (m m ) =

17

81W

Wp = 1

2mpv

2

m m W (m m )

1

81W

C BÀI TẬP TỰ LUẬN

C.2.1 Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây :

a) 42He AZX11p178O

b) 23490Th AZY01e

C.2.2 Xác định các hệ số x, y trong các phương trình phản ứng hạt nhân

sau đây :

a) 23890Th21283Bi x( He) y( e) 42  01

b) 238 206

92U 92Pb x   y 

C.2.3 Cho phản ứng hạt nhân 13T + X   + n X là hạt nhân nào sau đây?

C.2.4 Cho phản ứng hạt nhân 1225Mg + X  22

11 N + , X là hạt nhân nào sau đây ?

C.2.5 Trong quá trình biến đổi hạt nhân, hạt nhân 23892U chuyển thành hạt nhân 23492U đã phân rã bao nhiêu hạt , bao nhiêu êlectron?

C.2.6 Tính năng lượng tỏa ra trong quá trình phóng xạ anpha của 210

84Po Cho biết m(210

84Po) = 209,98285 u ; m(20682Pb) = 205,97440 u ; m(42He)

= 4,00260 u

C.2.7 Urani 23893 U có chu kì bán rã 4,5.109 năm, phóng xạ  thành thôri

234

90 Th Hỏi sau 2 chu kì bán rã có bao nhiêu gam 4

2 He tạo thành ? Biết ban đầu urani có 23,8 g

C.2.8 Xét phản ứng sau : 21D + 31T  4

2He + n

Phản ứng trên tỏa hay thu năng lượng và bao nhiêu ? Cho biết độ hụt khối khi tạo thành các hạt nhân 2

1D , 31T và 42He lần lượt là

mD = 0,0024 u ; mT = 0,0087 u ; mHe = 0,0305 u Cho 1 u = 931,5 MeV/c2

C.2.9 Xét phản ứng sau : 21D + 31T  4

2He + n + W Tính tỉ số W ®

W giữa động năng của nơtron sinh ra và năng lượng toả

ra của phản ứng hạt nhân

C.2.10 Trong nước thường có khoảng 0,015% nước nặng (D2O) Người ta

dùng đơteri (D) làm nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch

a) Trong 1 kg nước thường chứa bao nhiêu hạt nhân đơteri ?

b) Với 1 kg nước thường, ta có thể thu được bao nhiêu năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch ?

D CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM

 Phản ứng hạt nhân

1 Trong số các phản ứng phân rã , 

và , hạt nhân bị phân rã sẽ mất nhiều năng lượng hơn cả ở loại phân rã nào ?

A  B —

C g D  và 

2 Cho phản ứng hạt nhân 2713Al   X 3015P Hạt nhân X tạo ra từ phản ứng này là

A pôzitron B êlectron C prôtôn D nơtron

3 Kí hiệu các dạng phóng xạ như sau : (1) Phóng xạ  ; (2) Phóng xạ 

; (3) Phóng xạ +

; (4) Phóng xạ  Ở dạng phóng xạ nào kể trên, hạt nhân bị phân rã chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn ?

A (1) B (4) C (2) và (3) D (1) và (2)

4 Cho phản ứng hạt nhân 19

9 F + p  16

8 O + X, X là hạt nào sau đây ?

A  B  C +

5 Kí hiệu các đại lượng : (I) số nuclôn ; (II) điện tích ; (III) khối lượng ; (IV) năng lượng ; (V) động năng ; (VI) số nơtron

Trong một phản ứng hạt nhân, các đại lượng nào kể trên được bảo

A I , II và VI B I, II, III, IV và VI

C I, II, IV và V D I, II và IV

6 Trong phóng xạ +

hạt prôtôn biến đổi theo phương trình nào dưới đây?

A p  n + e+ + n B p  n + e+

C n  p + e— + n D n  p + e—

7 Xét chuỗi phóng xạ sau đây :

238

  230

82 Pb Đồng vị 238

92 U biến đổi thành 20682 Pb sau bao nhiêu phóng xạ  và  ?

A 8 phóng xạ , 6 phóng xạ —

B 7 phóng xạ , 5 phóng xạ 

C 10 phóng xạ , 8 phóng xạ —

D 7 phóng xạ , 6 phóng xạ 

8 Xác định các hạt X trong phản ứng sau đây :

7 N  6 C  1 e  X

A  B —

D 0 

9 Cho phản ứng hạt nhân 3

1 H + 12H   + n + 17,6 MeV Biết số Avôgađrô NA = 6,02.1023 mol-1 Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được

1 g khí hêli là bao nhiêu ?

A 423,8.107 J B 645,3.107 J

C 423,8.109 J D 645,3.109 J

10 Hạt  có khối lượng 4,0015 u, khối lượng của prôtôn là 1,0073 u và khối lượng của nơtron là 1,0087 u, số Avôgađrô NA = 6,02.1023 mol1,

1 u = 931,5 MeV/c2, 1 MeV = 1,6.10-13 J Năng lượng tỏa ra khi tạo thành 1 mol khí hêli là

A 4,54.1012 J B 3,5.1012 J

C 2,74.1012 J D 2,84 MeV

11 Hạt nhân triti (T) và đơteri (D) tham gia phản ứng nhiệt hạch sinh ra

hạt  và hạt nơtron Cho biết độ hụt khối của hạt nhân triti là mT = 0,0087 u; của hạt nhân đơteri là mD = 0,0024 u, của hạt nhân X là

m = 0,0305 u ; 1 u = 931,5 MeV/c2, 1 MeV = 1,6.1013 J Năng lượng tỏa ra từ phản ứng trên là bao nhiêu ?

A 2,89.1012 J B 2,89.10—6 J

C 1,806 MeV D 0,186 MeV

12 Trong phóng xạ nào dưới đây, động năng của hạt nhân sau phân rã

luôn lớn động năng của hạt  ?

A  B —

C g D +

13 Cho phản ứng hạt nhân 10n 63Li     T 4,8 MeV Cho biết mn = 1,0087 u ; mT = 3,016 u ; m = 4,0015 u ; 1 u = 931 MeV/c2 Khối lượng của hạt nhân Li có giá trị bằng

A 6,1139 u B 6,0869 u C 6,411 u D 6,0139 u

14 Hạt nhân 238

92 U đứng yên phóng xạ  Biết hạt  có động năng W = 1,5 MeV Coi như tỉ số khối lượng các hạt nhân bằng tỉ số các hạt nhân bằng tỉ số các khối tương ứng Năng lượng tỏa ra từ phản ứng là

15 Bắn hạt  vào hạt nhân 147 N đứng yên, ta có phản ứng :

 + 147 N  17

8 O + p

Giả sử các hạt sinh ra có cùng một vận tốc Cho m = 4,0015 u, mN = 13,9992 u, mO = 16,9947 u Tỉ số động năng O

p

W

W của hạt nhân

17

và hạt prôtôn là

A 17 : 1 B 1 : 17 C 1 : 4 D 4 : 1

16 Người ta dùng prôtôn bắn vào hạt nhân đứng yên 73Li là thu được hai hạt giống nhau có cùng động năng Hai hạt giống nhau có cùng động năng là các hạt

A hêli B triti C đơtêri D prôtôn

17 Một hạt nhân A

ZX ban đầu đứng yên phóng xạ phát ra hạt  có vận tốc

v và hạt nhân con A '

Z 'Y Tỉ số vận tốc

Y

v v

 giữa hạt  và hạt nhân Y là

A A 1

4 B 

4

A 4 C

2



A 4 D



A 1

4

18 Phản ứng nhiệt hạch là

A Phản ứng phân tích một hạt nhân ở nhiệt độ cao

B Phản ứng phân chia hạt nhân nặng ở nhiệt độ cao thành hạt nhân nhẹ bền vững hơn

C Phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn

ở nhiệt độ rất cao

D Phản ứng phóng xạ ở nhiệt độ cao

19 Phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch là hai phản ứng hạt nhân trái

ngược nhau vì

A một phản ứng toả và một phản ứng thu năng lượng

B một phản ứng là tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn, phản ứng kia là sự vỡ một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹ hơn

C một phản ứng diễn ra rất chậm và phản ứng xảy ra rất nhanh

D một phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp, phản ứng kia xảy ra ở nhiệt

20 Sự phân hạch là sự vỡ một hạt nhân nặng

A thường xảy ra một cách tự phát

B thành hai hạt nhân nhẹ hơn, do hấp thụ một nơtron

C thành hai hạt nhân nhẹ hơn và một vài nơtron, sau khi hấp thụ một nơtron chậm

D thường xảy ra ở trạng thái kích thích và ở nhiệt độ rất cao

21 Trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng của các hạt tham gia

A được bảo toàn

B tăng

C tăng hay giảm tuỳ theo phản ứng

D giảm

22 Phản ứng hạt nhân toả năng lượng nếu độ hụt khối các hạt nhân tạo

thành sau phản ứng

A không đổi B giảm đi

C lớn hơn một giá trị giới hạn D tăng lên

23 Phản ứng tổng hợp các hạt nhân nhẹ xảy ra ở

A nhiệt độ bình thường B nhiệt độ thấp

C nhiệt độ rất cao D áp suất rất cao

24 Gọi k là hệ số nhân nơtron, thì điều kiện cần và đủ để phản ứng dây

chuyển có thể xảy ra là

A k > 1 B k = 1 C k < 1 D k  1

25 Trong các nhà máy điện nguyên tử hoạt động bình thường hiện nay,

phản ứng nào xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân của nhà máy để cung cấp năng lượng cho nhà máy hoạt động ?

A Phản ứng phân hạch dây chuyền được khống chế ở mức vượt hạn

B Phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát

C Phản ứng phân hạch dây chuyền được khống chế ở mức tới hạn

D Phản ứng phân hạch dây chuyền được khống chế ở mức dưới hạn

Bài kiểm tra chủ đề 3

(Thời gian làm bài : 1 tiết)

Câu 1 Lực hạt nhân không có đặc điểm nào dưới đây ?

A Có cường độ tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các nuclôn

B Có bản chất khác lực hấp dẫn hoặc lực điện từ

C Là loại lực mạnh nhất trong các lực đã biết

D Có bán kính tác dụng rất nhỏ, cỡ bằng kích thước hạt nhân

Câu 2 Phát biểu nào sau đây sai khi nói về tia  ?

A Tia  thực chất là hạt nhân 42He

B Khi đi trong không khí, tia  làm ion hóa không khí và mất dần năng lượng

C Tia  phóng ra từ hạt nhân với tốc độ của ánh sáng

D Khi đi qua điện trường giữa hai bản tụ điện, tia  bị lệch về phía bản âm của tụ điện

Câu 3 Có 1 kg chất phóng xạ 6027Co với chu kì bán rã T = 5,33 năm, sau bao lâu có 984,375 g của chất phóng xạ đã bị phân rã

A 60 năm B 16 năm C 48 năm D 32 năm

Câu 4 Một hạt nhân có năng lượng liên kết càng lớn thì

A càng dễ bị phá vỡ

B độ hụt khối càng lớn

C năng lượng liên kết riêng càng lớn

D năng lượng liên kết riêng càng nhỏ

Câu 5 Người ta dùng prôtôn bắn phá hạt nhân 94Be đứng yên Phản ứng cho ta hạt  và hạt nhân X Biết động năng của prôtôn WP = 5,4 MeV, của hạt  là W = 4,5 MeV Vận tốc của prôtôn và của hạt  vuông

trị bằng số khối A của chúng Động năng của hạt X là

A 3,9 MeV B 3,0 MeV C 1,65 MeV D 0,9 MeV

Câu 6 Trong chuỗi phóng xạ 23892 U  222

86 Rn, số hạt phóng xạ  và hạt phóng xạ 

lần lượt là

A 2 và 4 B 4 và 2 C 6 và 6 D 6 và 4

Câu 7 Hạt nhân 1

1

A

Z X phóng xạ và biến thành một hạt nhân 2

2

A

Z Y bền Coi khối lượng của hạt nhân X, Y bằng số khối của chúng tính theo đơn vị u Biết chất phóng xạ 1

1

A

Z X có chu kì bán rã là T Ban đầu có một khối lượng chất 1

1

A

Z X, sau 2 chu kì bán rã, thì tỉ số giữa khối lượng của chất Y và khối lượng của chất X là bao nhiêu ?

A 2

1

A

1 2

A

2 1

A

1 2

A

A

Câu 8 Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây :

a) 23892U206ZX x( He) 6( e) 42  01

b) 21084Po20682Pb X

Câu 9 Cho phản ứng hạt nhân 31H21H   + n + 17,6 MeV Biết số Avôgađrô NA = 6,02.1023 mol1 Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được

1 g khí hêli là bao nhiêu ?

Câu 10 22286Rn là chất phóng xạ , phần năng lượng tỏa ra chuyển thành động năng của hạt  chiếm tỉ lệ bao nhiêu phần trăm ?