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
Trang 1MỤC LỤC
1
Trang 21 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!
Trang 31.2 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:
b) Năng lượng liên kết hạt nhân:
c) Năng lượng liên kết riêng:
m Z m p (A Z).m n m X W Lk m.c2
W Lkr W
Lk m.c2
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
3
Trang 4z1 X1 + Az2 X 2 Az3 X 3 + A
z 4 X 4
Gọi m1 , m2 , m3 , m4 là khối lượng các hạt nhân
Năng lượng phản ứng: W p = (m trước – m sau ).c 2 = ( m1 m2 ) ( m3 m4 ) c2
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 a 2 b 2 2 ab cos( a, b ) c 2 d 2 2cd cos( 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 )
Z A1 X1Z A2 X2 Z A3 X3 Z A4 X4
( m1c 2W1 ) ( m2 c 2W2 ) ( m3 c 2W3 ) ( m4 c 2W4 )
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
Trang 5Dạng 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:
Z 1 X1Z 2 X2 Z 3 X 3 Z A4 X4 W P
- Nhận xét : Khi sử dụng một hạt nhân Z A
1 1X1 hay tạo thành một hạt nhân Z A
3 3X3
thì năng lượng phản ứng sẽ là : W P
Vậy nếu có N hạt nhân Z A
1 1X1 ( hay tạo thành N hạt nhân Z A
3 3X3 ) thì năng lượng hạt nhân sẽ là : W = N.W P
- Học sinh ghi nhớ công thức tìm số hạt nhân trong m (g) Z A
X1N m
A N A n N A Với n là số mol Bài tập ví dụ:
Ví dụ 1:
Cho phản ứng hạt nhân: 3
1 T + 2
1 D 4
a) Tính năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 50 hạt 4 2 He? 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 2 He
- Khi tạo thành 1 hạt 4 2 He thì năng lượng tỏa ra là: W Pư = 17,6MeV
Vậy khi tạo thành 50 hạt 4 2 He 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: N m N A 2.6, 023.1023 3, 01.10 23
- 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
1 H + 2
1 H 4
2 He + 0 1 n + 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
A.NA ) W Pư
5
Trang 6W = 0,75.6,022.1023.17,6 = 2,649.1024 MeV
3
Ví dụ 3:
Cho phản ứng hạt nhân sau: 12D 12D 23He 01n 3, 25MeV
Biết 1u 931,5 MeV / c2.
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
1 H 1H 2 He 0 n 3,25 MeV
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 N2 W P = 102 .3, 25 =16,25MeV
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 N2 W P = 82.3, 25 = 13MeV
c) Năng lượng tỏa ra khi sử dụng 10gam nước nặng D2O
m
- Số phân tử D 2 O có trong 10 gam D 2 O: N D2O A D O N A
2
- Số hạt Đơteri có trong 10 gam D2O: N D 2.N D2O 2 m N A
A
D O
W N D W P = m N
A W P = 10 6, 022.10 23.3, 25 9, 785.1023MeV A
20
Dạng 2 : Năng lượng phản ứng hạt nhân liên quan đến khối lượng các hạt
nhân
Kiến thức:
Z A1 X1Z A2 X2 Z A3 X3 Z A4 X4
Gọi m1 , m2 , m3 , m4 là khối lượng các hạt nhân
Năng lượng phản ứng: W p = (m trước – m sau ).c 2 = (m1 m2 ) ( m3 m4 ) c2
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
4 Be + 1
1 H 4
2 He + 6
3 Li 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
Trang 79 Be + 1 H 4 He + 6 3 Li
- Năng lượng phản ứng: W p = (m trước – m sau ).c 2 ( m m ) ( m m ) 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
11 Na + 2
1 D → 4
2 He + 20
10 Ne Biết mNa = 22,9327 u ; m He = 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
11 Na + 2
1 D → 4
2 He + 20
10 Ne
- Năng lượng phản ứng: W p = (m trước – m sau ).c 2 (
m
- 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: 1737Cl 11H1837Ar 01n phản ứng trên tỏa hay thu bao nhiêu năng lượng? Biết mCl = 36,956563u, mH = 1,007276u, mAr =36,956889u, 1u = 931MeV/c2
Giải
1737Cl 11H 1837 Ar 01n
- Năng lượng phản ứng: W pư = (m trước – m sau ).c 2 = ( m m ) ( m m ) c2
- Suy ra: W p = -1,6 MeV < 0
- Phản ứng thu năng lượng 1,6MeV
Ví dụ 4:
Phản ứng 235
92 U + 01 n → 4295 Mo + 139
57 La +2 01 n 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 m ) ( m m 2 m ).c2 = 215,3403MeV
- Số hạt nhân nguyên tử 235U trong 1 gam U là :
A N A=2351 6, 02.10 23 2,5617.1021 hạt
- Năng lượng khi 1 gam U phản ứng phân hạch :
W = N.W P = 5,5164.1023 MeV = 5,5164.1023 1,6.10–3 J = 8,8262J
- Khối lượng xăng cần dùng để thu được năng lượng của 1 gam 235U phân hạch :
46.10 6
7
Trang 8Dạng 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:
Z A1 X1Z 2 X2 Z 3 X3 Z A4 X4
- Ta gọi:
m1 , m2 , m3 , m4 là độ hụt khối của các hạt nhân
W Lk1 , W Lk2 , W Lk3 , W Lk4 là năng lượng liên kết của các hạt nhân
WLkr1 , WLkr 2 , WLkr 3 , WLkr 4 là năng lượng liên kết riêng của
các hạt nhân - Năng lượng phản ứng hạt nhân:
W p = ( m3 m4 ) ( m1 m2 ) c2 (1)
W p = (W Lk3 W Lk4 ) (W Lk1 W Lk2 ) (2)
W p = (A 3 W Lkr3 A 4 W Lkr4 ) (A 1 W Lkr1 A 2 W 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: 3
1T12D 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 1T 12 D 24 He 01n
- Vận dụng công thức :
( mm ) ( m m ) c2
- Ở đây X là Nơtron, nên độ hụt khối bằng 0, nên :
Ví dụ 2: Hai hạt nhân đơteri 12D tương tác với nhau thành hạt nhân 23He và một nơtron 01n : 12 D 12 D 23 He 01n Biết năng lượng liên kết của 12D bằng 2,18 MeV
và của 23He 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:
Trang 9Tìm 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 kết riêng W Lkr
của các hạt nhân
- Ta có phương trình: 234
92 U → 230
90 Th + α
- Áp dụng công thức: W p = (A 3 W Lkr3
phản ứng khi biết năng lượng liên
) (A 1W Lkr1 A 2W Lkr2 )
- Ta có: W p = (ATh W Lkr(Th) AW Lkr( ) ) AU W Lkr(U) 13,98MeV
Ví dụ 4: Cho phản ứng hạt nhân sau: 12 H12 H23He 01n 3,25MeV Biết độ hụt khối
của 1 2 H là m D = 0,0024 u và 1u = 931,5 MeV/ c2 Xác định năng lượng liên kết của hạt nhân 23He ?
Giải
- Ta có phản ứng hạt nhân: 12H 12H 23He 01n 3,25MeV
- 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) ) (2W Lk(D) )
Suy ra: W Lk (He) 2W
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
Z A1 X 1 Z A2 X2 Z A3 X 3 Z A4 X4
- Ta gọi:
W 1 , W 2 , W 3 , W 4 là động năng của các hạt nhân
P1 , P2, P3, P4 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 P2P3P4 Đến
đây ta vận dụng dẳng thức:
(a b ) 2 ( c d ) 2 a 2 b 2 2ab cos(a , b ) c 2 d 2 2cd cos(c , d )
Ta suy ra : P12 P22 2P1 P2 cos(P1 , P2 ) P32 P42
2P3 P4 cos(P3 , P4 ) (2)
- Mối liên hệ giữa động năng và động lượng: P2 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
Z1 X1 Z 2 X 2 Z A3 X3
A
4 W
Lkr 4
Trang 10- Hạt nhân mẹ đứng yên nên động năng, động lượng bằng không
- Năng lượng phản ứng : W p = ( W 2 +W 3 ) (1)
- Định luật bão toàn động lượng: P 2 P 3 0 P2 P3 , với: P2 2mW đ (2)
9
