SKKN giúp học sinh trường THPT quan sơn phân loại và giải một số bài tập lên quan đến năng lượng của phản ứng hạt nhân

Trong quá trình ôn luyện cho học sinh tôi nhận thấy rằng phần lớn các em học sinh THPT Quan Sơn chưa nắm bắt, hiểu rõ và chưa phân dạng hay ghi nhớ được các dạng toán liên quan đến năng

MỤC LỤC

2: NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 3

1 MỞ ĐẦU

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong kì thi THPT Quốc gia năm 2017 môn Vật lí nằm trong bài thi tổ hợp

Khoa học tự nhiên với hình thức thi trắc nghiệm khách quan có số lượng là 40 câu trong thời gian 50 phút Việc thay đổi so với các năm trước đòi hỏi giáo viên giảng dạy cũng phải thay đổi phương pháp, nội dung ôn luyện để phù hợp với tình hình thực tế Kiến thức Vật lý hạt nhân lớp 12 là một phần quan trọng trong chương trình SGK Trong các đề thi là phần mà các em học sinh có thể khai thác

để giành điểm tuyệt đối những câu hỏi có liên quan đến kiến thức Vật lí hạt nhân Tuy nhiên với học sinh THPT Quan Sơn thì việc làm đúng tất cả các câu hỏi liên quan đến Vật lý hạt nhân không phải là điều đễ dàng

Trong quá trình ôn luyện cho học sinh tôi nhận thấy rằng phần lớn các em học sinh THPT Quan Sơn chưa nắm bắt, hiểu rõ và chưa phân dạng hay ghi nhớ được các dạng toán liên quan đến năng lượng trong phản ứng hạt nhân Bản thân nhận thấy sự khó khăn đó một phần ngoài kỹ năng giải toán có phần hạn chế của học sinh vùng cao còn một phần vì bản thân chưa phân dạng phù hợp cũng như trình bày chi tiết để các em dễ hiểu và vận dụng

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, nhu cầu ôn luyện của các em học sinh THPT

Quan Sơn, bản thân đã nghiên cứu, phân tích và tổng hợp các bài tập về năng

lượng trong phản ứng hạt nhân từ các nguồn tài liệu như Hocmai.v; violet.vn; tuyensinh247.com…đặc biệt là tài liệu của các thầy giáo như: Đoàn Văn Lượng, Chu Văn Biên, Phạm Quốc Toản, Trần Quốc Dũng, Nguyễn Anh Vinh…

Tôi đã thay đổi, sắp xếp, phân loại và áp dụng vào thực tế giảng dạy ở nhà trường trong năm học 2017-2018 và đã thu được kết quả tích cực Việc mong nuốn cung cấp cho học sinh một tài liệu ôn luyện phù hợp với trình độ nhận thức của học sinh là động lực và lí do để tôi thực hiện đề tài này Xin được chia sẻ

với các đồng nghiệp đề tài sáng kiến kinh nghiệm: “ Giúp học sinh trường THPT Quan Sơn phân loại và giải một số bài tập liên quan đến năng lượng của phản ứng hạt nhân ” rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn giảng dạy ở trường THPT Quan Sơn và mục

tiêu đạt điểm cao trong kì thi THPT Quốc gia 2018, đề tài được viết với mục đích:

- Cung cấp tài liệu ôn tập cho học sinh THPT Quan Sơn với nội dung và cách tiếp cận phù hợp với trình độ nhận thức của các em, để từ đó các em có thể học tập, nghiên cứu, luyện giải các bài tập trong các đề thi thử và áp dụng vào kì thi THPT Quốc gia năm 2018

- Rèn luyện kỹ năng giải các bài tập liên quan năng lượng của phản ứng hạt nhân, tạo sự tự tin cho các em học sinh trong khi luyện giải các đề thi

- Nâng cao khả năng tự học, tự rèn luyện của giáo viên, mạnh dạn chia sẻ và học hỏi với đồng nghiệp

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu về phầnVật lí hạt nhân trong chương trình lớp 12 THPT.

Trong phần Vật lý hạt nhân có nhiều dạng toán, tuy nhiên trong đề tài này tôi chỉ

tập trung vào đối tượng là các bài tập về năng lượng trong phản ứng hạt nhân;

Phân tích những khó khăn của học sinh, định hình và phân loại thành các dạng toán cụ thể sao cho phù hợp với học sinh THPT Quan Sơn Từ đó thay đổi cách tiếp cận vấn đề để các em học sinh có thể giải tốt các bài toán liên quan đến

năng lượng trong phản ứng hạt nhân.

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp mà tôi sử dụng để nghiên cứu trong đề tài:

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế năng lực học sinh THPT Quan Sơn từ

đó phân loại đối tượng để có phương pháp ôn luyện phù hợp

- Phương pháp thu thập dữ liệu, tổng hợp và phân tích, hệ thống hóa kiến thức

để đưa ra kết quả và vận dụng trong quá trình ôn luyện cho học sinh

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ

1) Năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng( Kiến thức Vật lý 12 ):

a) Độ hụt khối của hạt nhân: m Z m p (A Z)  m n m X

b) Năng lượng liên kết hạt nhân: W Lk m c 2

c) Năng lượng liên kết riêng: Lk . 2

Lkr

W



2) Phản ứng hạt nhân( Kiến thức Vật lý 12 ):

a) Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân:

+ Định luật bảo toàn điện tích

+ Định luật bảo toàn số khối

+ Định luật bảo toàn động lượng

+ Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần( bao gồm năng lượng nghỉ và động năng của hạt nhân)

b) Năng lượng phản ứng hạt nhân

11 22 33 44

A

z X + X1 z 2  z X + X3 z 4 Gọi m1, m2, m3, m4 là khối lượng các hạt nhân

Năng lượng phản ứng: W p = (m trước – m sau ).c 2 =  2

(m m ) (  m m ) c

W p > 0: Phản ứng tỏa năng lượng

W p < 0: Phản ứng thu năng lượng

3) Kiến thức hình học 10:

(          a b                   ) 2       (           c d              ) 2  a2 b2  2abcos( , )                            a b c2 d2  2cdcos( , )                            c d

2.2 THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Trong các năm trước khi gặp các bài tập về năng lượng của phản ứng hạt nhân

trong các đề thi, học sinh trường THPT Quan Sơn thường chỉ làm được bài tập

liên quan đến khối lượng, độ hụt khối, năng lượng liên kết, năng lượng liên kết

riêng hay động năng của các hạt nhân dưới dạng xác định năng lượng phản ứng

theo chiều thuận Tuy nhiên khi gặp bài toán về năng lượng phản ứng liên quan đến động lượng, biểu diễn véc tơ động lượng, tìm động năng, vận tốc của các hạt nhân các em học sinh cơ bản gặp khó khăn

- Số lượng các bài tập về Vật lý có nhiều trên mạng, sách ôn luyện Nhưng với điều kiện thực tế như trường THPT Quan Sơn, việc học sinh tự tìm hiểu, tự học,

tự nghiên cứu là rất khó khăn Nếu trình bày quá vắn tắt các em sẽ khó hiểu

- Về năng lực nhận thức và tư duy của các em học sinh THPT Quan Sơn so với học sinh các trường khác có phần hạn chế Các em học sinh sẽ gặp khó khăn nếu bài toán biến đổi đôi chút hoặc quá nặng về tính toán

- Học sinh trường THPT Quan Sơn thường không nhớ đầy đủ các dạng toán, không định hình được hướng giải quyết sau khi các em đọc đề

2.3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Cách tiếp cận mới :

a) Yêu cầu học sinh nắm vững kiến thức sách giáo khoa: Độ hụt khối, năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng, mối liên hệ động lượng và động năng của các hạt nhân; các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân; xác định năng lượng phản ứng theo khối lượng các hạt nhân

b) Phân tích rõ định luật bảo toàn năng lượng trong phản ứng hạt nhân( bao gồm năng lượng nghỉ và động năng của các hạt nhân )

1 2 3 4

A

(m c W) (  m c W ) (  m c W ) (  m c W )

c) Phân loại các dạng toán liên quan đến năng lượng phản ứng hạt nhân thành 4 dạng và yêu cầu các em phải nhớ tên 4 dạng này Điều này khá quan trọng vì để các em biết được mình nhớ hay quên những dạng nào? Dạng nào các em gặp khó khăn để kịp thời ôn luyện và bồi dưỡng Bốn dạng toán được phân loại như sau:

Dạng 1 : Năng lượng phản ứng hạt nhân xuất hiện trong phương trình phản ứng Dạng 2 : Năng lượng phản ứng hạt nhân liên quan đến khối lượng các hạt nhân

Dạng 3 : Năng lượng phản ứng hạt nhân liên quan đến độ hụt khối, năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân

Dạng 4 : Năng lượng phản ứng hạt nhân liên quan đến vận tốc, động năng của các hạt nhân

2 Các dạng toán về năng lượng của phản ứng hạt nhân

Dạng 1 : Năng lượng phản ứng hạt nhân xuất hiện trong phương

trình phản ứng

Kiến thức:

1 2 3 4

A

- Nhận xét : Khi sử dụng một hạt nhân 1

1 1

A

Z X hay tạo thành một hạt nhân 3

3 3

A

Z X thì năng lượng phản ứng sẽ là : W P

1 1

A

Z X ( hay tạo thành N hạt nhân 3

3 3

A

Z X ) thì năng lượng hạt nhân sẽ là : W = N.W P

- Học sinh ghi nhớ công thức tìm số hạt nhân trong m (g) 1

A

Z X

N m.N A n N. A

A

Bài tập ví dụ:

Ví dụ 1:

Cho phản ứng hạt nhân: 3

1T + 2

1D  4

2He + X +17,6MeV a) Tính năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 50 hạt 4

2He? b) Tính năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi sử dụng 2 mol Đơteri?

c) Tính năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 2g Hêli

Giải:

a) Năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 50 hạt 4

2He

- Khi tạo thành 1 hạt 4

2He thì năng lượng tỏa ra là: W Pư = 17,6MeV

Vậy khi tạo thành 50 hạt 4

2He thì năng lượng cần tìm là:

W = N.W P = 50.17,6 = 880MeV

b) Năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi sử dụng 2mol Đơteri

W = N.W P = n.N A W P = 2,1197.1025MeV

c) Năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 2g Hêli

- Số nguyên tử hêli có trong 2g hêli: m N. A

N A

 2.6,023.1023 23

4 3,01.10

- Năng lượng toả ra gấp N lần năng lượng của một phản ứng nhiệt hạch:

W = N.W P = 3,01.1023.17,6 = 52,976.1023 MeV

Ví dụ 2:

Cho phản ứng: 3

1H + 2

1H  4

2 He + 1

0n + 17,6 MeV Tính năng lượng tỏa ra khi sử dụng 0,75gam Triti?

Giải

Năng lượng tỏa ra khi sử dụng 0,75gam Triti

Vận dụng công thức: W = N.W P = ( m N A)

W = 0,75

3 6,022.1023.17,6 = 2,649.1024 MeV

Ví dụ 3:

Cho phản ứng hạt nhân sau: 2 2 3 1

1D 1D 2He 0n 3, 25MeV Biết 1u 931,5MeV c/ 2

a) Xác định năng lượng tỏa ra khi sử dụng 10 hạt Đơteri?

b) Xác định năng lượng tỏa ra khi sử dụng 4 hạt phân tử D2O?

c) Xác định năng lượng tỏa ra khi sử dụng 10gam nước nặng D2O

Giải

H H He 1n 3 , 25MeV

0

4 2

2 1

2

a) Năng lượng tỏa ra khi sử dụng 10 hạt Đơteri

- Ở đây cần lưu ý: Cần 2 hạt Đơteri để có năng lượng 3,25MeV

- Vậy năng lượng cần tìm là: W

2

N

 .W P = 10.3, 25

b) Năng lượng tỏa ra khi sử dụng 4 hạt phân tử D2O

- Số hạt Đơteri có trong 4 hạt D2O là: 8

- Vậy năng lượng cần tìm là: W

2

N

 .W P = 8.3, 25

c) Năng lượng tỏa ra khi sử dụng 10gam nước nặng D2O

- Số phân tử D2O có trong 10 gam D2O: 2

2

.

D O

m

A



2

2 2 .

D O

m

A

- Vậy năng lượng cần tìm là:

W

2

D N

 .W P =

2

. A

D O

m N

.6,022.10 3, 25 9,785.10

Dạng 2 : Năng lượng phản ứng hạt nhân liên quan đến khối lượng

các hạt nhân

Kiến thức:

1 2 3 4

A

Gọi m1, m2, m3, m4 là khối lượng các hạt nhân

(m m ) (  m m ) c

W p >0: Phản ứng tỏa năng lượng

W p <0: Phản ứng thu năng lượng

Đây là dạng phổ biến, học sinh cơ bản vận dụng tốt Nhưng lại liên quan đến một số dạng khác nên các em phải ghi nhớ kỹ.

Bài tập ví dụ:

Ví dụ 1:

Cho phản ứng hạt nhân 9

4Be + 1

2 He + 6

3Li Xác định năng lượng tỏa ra

hoặc thu vào Biết mBe = 9,01219 u; mp = 1,00783 u; mLi = 6,01513 u; mX = 4,0026 u; 1u = 931,5 MeV/c2

9

4Be + 1

1H  4

2 He + 6

3Li

- Năng lượng phản ứng: W p = (m trước – m sau ).c 2 =(m Bem H) (  m Hem Li)  c2

- Ta có: W p = (m trước – m sau ).c 2 = (10,02002 – 10,01773).931,5 = 2,133MeV.

- Vậy phản ứng tỏa năng lượng

Ví dụ 2:

Thực hiện phản ứng hạt nhân sau :

23

11Na + 2

1D → 4

2He + 20

10Ne Biết mNa = 22,9327 u ; mHe = 4,0015 u ; mNe = 19,9870 u ; mD = 1,0073 u Phản ứng trên toả hay thu một năng lượng bằng bao nhiêu Jun ?

Giải

23

11Na + 2

1D → 4

2He + 20

10Ne

- Năng lượng phản ứng: W p = (m trước – m sau ).c 2 =(m Nam D) (  m Hem Ne)  c2

- Suy ra: W p = 2,3275 MeV = 3,724.10-13J > 0

- Đây là phản ứng toả năng lượng

Ví dụ 3:

Cho phản ứng hạt nhân: 37 1 37 1

17Cl 1H  18Ar 0n phản ứng trên tỏa hay thu bao nhiêu năng lượng? Biết mCl = 36,956563u, mH = 1,007276u, mAr =36,956889u, 1u = 931MeV/c2

Giải

37 1 37 1

17Cl 1H  18Ar 0n

- Năng lượng phản ứng: W pư = (m trước – m sau ).c 2 =(m Cl m H) (  mAr m n)  c2

- Suy ra: W p = -1,6 MeV < 0

- Phản ứng thu năng lượng 1,6MeV

Ví dụ 4:

Phản ứng 235

92U + 1

0n → 95

42Mo + 139

57La +2 1

0n là một phản ứng phân hạch của Urani 235 Biết khối lượng hạt nhân : mU = 234,99 u ; mMo = 94,88 u ; mLa = 138,87 u ; mn = 1,0087 u Cho năng suất toả nhiệt của xăng là 46.106 J/kg Khối lượng xăng cần dùng để có thể toả năng lượng tương đương với 1 gam U phân hạch ?

Giải

- Năng lượng toả ra khi giải phóng hoàn toàn 1 hạt nhân 235U phân hạch là:

W p = (m trước – m sau ).c 2 =(m U m n) (  mMo m La 2m n)  c2 = 215,3403MeV

- Số hạt nhân nguyên tử 235U trong 1 gam U là :

N m.N A

A

- Năng lượng khi 1 gam U phản ứng phân hạch :

W = N.W P = 5,5164.1023 MeV = 5,5164.10 23 1,6.10 –3 J = 8,8262J

- Khối lượng xăng cần dùng để thu được năng lượng của 1 gam 235U phân hạch :

m 6 1919

46.10

W

Dạng 3 : Năng lượng phản ứng hạt nhân liên quan đến độ hụt khối, năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân

Kiến thức:

1 2 3 4

A

- Ta gọi:

1

m

 , m2 , m3 , m4 là độ hụt khối của các hạt nhân

1

Lk

W , W Lk2 , W Lk3, W Lk4 là năng lượng liên kết của các hạt nhân

1

Lkr

W , W Lkr2 , W Lkr3, W Lkr4là năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân

- Năng lượng phản ứng hạt nhân:

( m  m ) (  m  m ) (1)c

W p =(W Lk3 W Lk4 ) (  W Lk1 W Lk2 ) (2)

W p =(A 3W Lkr3  A 4W Lkr4 ) (A  1W Lkr1  A 2W Lkr2 ) (3) Lưu ý : Trong 3 công thức trên chỉ được sử dụng khi số Proton và số Nơtron ở 2

vế bằng nhau Đây là điều học sinh cần kiểm tra trước khi vận dụng.

Bài tập ví dụ:

Ví dụ 1:

Cho phản ứng hạt nhân: 31T12D24HeX Lấy độ hụt khối của hạt nhân T, hạt nhân D, hạt nhân He lần lượt là 0,009106 u; 0,002491 u; 0,030382 u và 1u = 931,5 MeV/c2 Tính năng lượng tỏa ra của phản ứng?

Giải

- Ta có phản ứng : 3 2 4 1

1T 1D 2He 0n

- Vận dụng công thức :

W p =( m3  m4 ) (  m1  m2 )  c2

- Ở đây X là Nơtron, nên độ hụt khối bằng 0, nên :

W p =( m He) (  m T  m D) =  c2 17,49 8 MeV

Ví dụ 2: Hai hạt nhân đơteri 2

1D tương tác với nhau thành hạt nhân 3

2He và một nơtron 01n: 2 2 3 1

1D 1D 2He 0n Biết năng lượng liên kết của 21D bằng 2,18 MeV

và của3

2He bằng 7,62MeV Phản ứng này tỏa hay thu năng lượng bao nhiêu?

Giải

- Vận dụng công thức:

W p =(W Lk3 W Lk4 ) (  W Lk1 W Lk2 ) 

- Ở đây Nơtron, độ hụt khối bằng 0, nên không có năng lượng liên kết riêng

- Ta có: W p =(W He (W DW D) = 7,62 - (2,18 + 2,18) = 3,26 MeV 

- Phản ứng tỏa năng lượng vì: W p > 0

Ví dụ 3:

Tìm năng lượng tỏa ra khi một hạt nhân 234

92 U phóng xạ tia α và tạo thành đồng vị Thôri 230

90 Th Cho các năng lượng liên kết riêng của hạt α là 7,1 MeV, của 234U là 7,63 MeV, của 230Th là 7,7 MeV

Giải

- Đây là bài toán tính năng lượng toả ra của phản ứng khi biết năng lượng liên kết riêng W Lkrcủa các hạt nhân

- Ta có phương trình: 234

92 U → 230

90 Th + α

- Áp dụng công thức: W p =(A 3W Lkr3  A 4W Lkr4 ) (A  1W Lkr1  A 2W Lkr2 ) 

- Ta có: W p = (ATh W Lkr(Th) AW Lkr( ) ) AU W Lkr(U)  13,98 MeV

Ví dụ 4: Cho phản ứng hạt nhân sau: 2 2 3 1

1H  1H  2He 0n 3, 25MeV Biết độ hụt khối của 2H

liên kết của hạt nhân 3

2He?

Giải

- Ta có phản ứng hạt nhân: 2 2 3 1

- Năng lượng tỏa ra của phản ứng theo năng lượng kiên kết:

W p =(W Lk3 W Lk4 ) (  W Lk1 W Lk2 ) = ( W Lk(He) ) (2  W Lk(D) )

Suy ra: W Lk(He)  2W Lk(D)+ W pư =2( m c D) 2 + W pư = 7,7212MeV

Dạng 4 : Năng lượng phản ứng hạt nhân liên quan đến vận tốc,

động năng của các hạt nhân

Kiến thức:

a) Loại 1 : Phản ứng hạt nhân tổng quát

1 2 3 4

A

- Ta gọi:

W 1 , W 2 , W 3 , W 4 là động năng của các hạt nhân

P 1

, P 2

, P3, P4 là động lượng của các hạt nhân

- Năng lượng phản ứng : W p = ( W 3 + W 4 ) – ( W 1 + W 2 ) (1)

- Định luật bảo toàn động lượng: P1 P2  P3 P4

   

Đến đây ta vận dụng dẳng thức:

1 2 2 cos( , ) 1 2 1 2 3 4 2 cos( , ) 3 4 3 4

P P  P P      P P                      P P  P P                            P P

(2)

- Mối liên hệ giữa động năng và động lượng: 2

P  2mW (3)

- Việc kết hợp (1),(2) và (3) cho ta hệ phương trình để tìm ra đáp án

b) Loại 2 : Sự phóng xạ

1 2 3

A

- Hạt nhân mẹ đứng yên nên động năng, động lượng bằng không

- Năng lượng phản ứng : W p = ( W 2 + W 3 ) (1)

  

, với: P 2 2mW đ (2)

Suy ra, 2m 2 W 2 = 2m 3 W 3  m 2 W 2 = m 3 W 3 (3)

Lưu ý quan trọng được suy ra từ (1),(2) và (3):

p W

+ Động năng các hạt khi bay ra :

3 2

2 3

p

p

m

m









 



2 2

A

3

3 3

A

Z X

3 2

.100% 100%

.100% 100%

p

p

m W











Bài tập ví dụ:

Ví dụ 1:

Dùng một Proton có động năng 5,58MeV bắn phá hạt nhân 23

11Na đang đứng yên sinh ra hạt  và hạt nhân X có động năng lần lượt là 6,6MeV và 2,61MeV

1) Viết phương trình phản ứng

2) Xác định năng lượng phản ứng?

Giải

1) Phương trình phản ứng: 11H1123Na 24He1020N e

2) Năng lượng phản ứng:

Vận dụng công thức xác định năng lượng phản ứng theo động năng các hạt nhân

ta có:

W P  (W W Ne) (  W HW Na) (6,6 2,61) 5,58 3,63     MeV  0

Phản ứng tỏa năng lượng

Ví dụ 2:

Người ta dùng hạt prôtôn có động năng 2,69 MeV bắn vào hạt nhân Liti đứng yên thu được 2 hạt α có cùng động năng Tính động năng và vận tốc của mỗi hạt α tạo thành? cho mp = 1,0073u; mLi = 7,0144u; m α =4,0015u ;

1u = 931 MeV/c2

Giải

- Phản ứng hạt nhân: 1 7 4 4

1p 3Li 2He 2He

- Năng lượng của phản ứng hạt nhân là:

W = (m trước – m sau ).c 2 =(m Lim n) (2  m He)  c2 = 17,4097 MeV

- Phương trình liên hệ năng lượng phản ứng theo động năng:

W = ( 2W He ) – ( W Li + W p ) = ( 2W He ) – (W p )

- Ta suy ra: 10,05

2

p W