a) Phản ứng hạt nhân tự phát là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác. + Bảo toàn ñộng lượng. + Có hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng [r]
Trang 1Văn Kim Ngọc - Trường THPT Nguyễn Du – Sông Hinh - Phú Yên - Lưu hành nội bộ Trang 1
HỆ THỐNG HÓA KIẾN THỨC VẬT LÝ 12 NÂNG CAO Chương 9 HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
I/ Tính chất và cấu tạo hạt nhân nguyên tử
1 Cấu tạo hạt nhân
a) Cấu tạo hạt nhân
* Hạt nhân ñược cấu tạo từ những hạt nhỏ rất nhỏ gọi là nuclôn Có hai loại nuclôn:
+ Prôtôn (p) có khối lượng mp =1, 67262.10−27kg, mang ñiện tích nguyên tố dương +e
+ Nơtron (n) có khối lượng mn =1, 67493.10−27 kg, không mang ñiện
* Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Z ñược gọi là nguyên tử số (còn gọi là ñiện tích hạt nhân) Tổng số các nuclôn trong hạt nhân gọi là số khối, kí hiệu là A Số nơtron trong hạt nhân là: N = A – Z
b) kí hiệu hạt nhân: AZX hoặc AX hoặc XA Trong ñó X là kí hiệu hóa học Ví dụ 2311Na; 23892U
c) ðồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số prôtôn Z, nhưng có số nơtron N khác nhau (số khối
A khác nhau)
Ví dụ hiñrô có ba ñồng vị: hiñrô thường (11H) ; hiñrô nặng (21H) còn gọi là ñơteri (21D) và hiñrô siêu nặng (31H) còn gọi là triti (31T)
2 Khối lượng hạt nhân
a) ðơn vị khối lượng nguyên tử kí hiệu là u, có trị số bằng 1
12 khối lượng của ñồng vị cacbon
12
6C 27
1 u=1, 66055.10− kg Khối lượng prôtôn mp=1, 00728 u; nơtron mn =1, 00866 u b) Khối lượng và năng lượng
+ Theo Anh-xtanh, một vật có khối lượng m thì có năng lượng E tương ứng tỉ lệ với m và ngược lại
2
E=mc gọi là hệ thức Anh-xtanh, trong ñó c là tốc ñộ ánh sáng trong chân không
Nếu m = 1 u thì E=1 uc2≈931, 5 MeV Vậy 1 u≈931, 5 MeV / c2
MeV/c2 cũng là một ñơn vị ño khối lượng hạt nhân
+ Theo Anh-xtanh, một vật có khối lượng m0 khi ở trạng thái nghỉ thì khi chuyển ñộng với tốc ñộ v,
khối lượng sẽ tăng lên thành m với 0
2 2
m m
v 1 c
=
− 0
m gọi là khối lượng nghỉ, m gọi là khối lượng ñộng E0 =m c0 2 gọi là năng lượng nghỉ
2
2 2
m c
v 1 c
−
gọi là năng lượng toàn phần ( ) 2
∆ = − = − là ñộng năng của vật
II/ Năng lượng liên kết của hạt nhân
1 Lực hạt nhân
Các nuclôn trong hạt nhân liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh, gọi là lực hạt nhân Lực hạt nhân là lực tương tác mạnh, chỉ có tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân Bán kính tác dụng vào khoảng 15
10− m
2 Năng lượng liên kết của hạt nhân
a) Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân
ñó ∆ =m Zmp+(A−Z m) n−mX gọi là ñộ hụt khối của hạt nhân
b) Năng lượng liên kết của một hạt nhân ñược tính bằng tích của ñộ hụt khối của hạt nhân với thừa số c2
2 lk
W = ∆mc Hay: ( ) 2
W =Zm + A−Z m −m c
Trang 2Phương pháp giải bài tập Vật Lí 12 Nâng Cao - Chương IX
c) Năng lượng liên kết riêng (Wlk
A ) là năng lượng liên kết tính cho một nuclôn Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững Các hạt nhân trung bình có số khối 50< <A 95, có năng lượng liên kết riêng lớn nhất
III/ Phản ứng hạt nhân
1 ðịnh nghĩa và ñặc tính
a) Phản ứng hạt nhân tự phát là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác A→ +C D Trong ñó A là hạt nhân mẹ, C là hạt nhân con và D là tia phóng xạ
b) phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác
3
A
ZA+ Z B→ Z X+ ZY
2 Các ñịnh luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
+ Bảo toàn ñiện tích (Z1+Z2=Z3+Z4)
+ Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số khối A) (A1+A2=A3+A4)
+ Bảo toàn năng lượng toàn phần
+ Bảo toàn ñộng lượng
3 Năng lượng phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: A+ → +B C D
+ Tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước tương tác: mt =mA+mB
+ Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sau tương tác: ms=mC +mD
Nếu ms <mt thì phản ứng tỏa năng lượng Nếu ms>mt thì phản ứng thu năng lượng
+ Năng lượng tỏa (thu vào) ( ) 2
t s
W = m - m c W > 0 : tỏa năng lượng W < 0 : thu năng lượng
+ Có hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch
IV/ Phóng xạ
1 Hiện tượng phóng xạ
a) ðịnh nghĩa: Phóng xạ là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững và biến ñổi thành các hạt khác và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ ñiện từ Hạt nhân tự phân hủy gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân ñược tạo thành gọi là hạt nhân con
b) Các dạng phóng xạ
+ Phóng xạ α: Phát ra tia α, là dòng hạt nhân của nguyên tử hêli (42He), theo phản ứng sau:
AZXα→A 4Z 2−−Y+42He
+ Phóng xạ β−: Phát ra tia β−, là dòng các hạt êlectron (−01e), theo phản ứng sau:
AZX→β− Z 1A+Y+ −01e+ ν00ɶ Với νɶ là phản hạt của nơtrinô
+ Phóng xạ β+: Phát ra tia β+, là dòng các hạt pôzitron còn gọi là êlectron dương (+01e), theo phản ứng sau:
AZX→β+ Z 1A−Y+ +01e+ ν00 Với ν là hạt nơtrinô
+ Phóng xạ γ: Phát ra tia γ, là phóng xạ ñi kèm theo của phóng xạ α và β Tia γ là bức xạ ñiện từ có bước sóng rất ngắn, khả năng ñâm xuyên sâu (vài mét trong bê tông và vài cm trong chì)
2 ðịnh luật phóng xạ
a) ðặc tính của quá trình phóng xạ
+ Là quá trình biến ñổi hạt nhân
+ Có tính tự phát và không ñiều khiển ñược, không chịu tác ñộng của các yếu tố bên ngoài
+ Là một quá trình ngẫu nhiên
b) ðịnh luật phóng xạ
Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo ñịnh luật hàm số mũ
Ta có:
t T o
N=N 2− Hay N=N eo −λt Với ln 2 0, 693
Trong ñó: Nosố hạt nhân (số nguyên tử) ban ñầu
N số hạt nhân chưa bị phân rã (số hạt nhân còn lại) sau thời gian t
T gọi là chu kỳ bán rã, λ gọi là hằng số phóng xạ ñều ñặc trưng cho chất phóng xạ
3 ðồng vị phóng xạ nhân tạo
Ngoài các ñồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta cũng tạo ra ñược nhiều ñồng vị phóng xạ gọi là ñồng
vị phóng xạ nhân tạo
a) Phóng xạ nhân tạo và phương pháp nguyên tử ñánh dấu
Trang 3Văn Kim Ngọc - Trường THPT Nguyễn Du – Sông Hinh - Phú Yên - Lưu hành nội bộ Trang 3
+ ðồng vị phôtpho 3015Plà ñồng vị phóng xạ nhân tạo ñầu tiên do hai ông bà Quy-ri thực hiện vào năm 1934, khi dùng hạt α ñể bắn phá nhôm: 42He+2713Al→3015P+ 10n
Phôtpho 3015P có tính phóng xạ β+, chu kỳ bán rã 195 s
+ Phương pháp tạo ra hạt nhân phóng xạ nhân tạo của nguyên tố X theo sơ ñồ AZX+01n→A 1+ZX
A 1
ZX
+
là ñồng vị phóng xạ của X, khi trộn lẫn với các hạt nhân bình thường không phóng xạ, các hạt nhân
A 1
ZX
+ ñược gọi là các nguyên tử ñánh dấu, ñược ứng dụng nhiều trong sinh học, hóa học, y học,…
b) ðồng vị 146C ñồng hồ của Trái ðất
Trong thành phần của tia vũ trụ có các nơtron chậm, khi gặp hạt nhân 147Ntrong khí quyển tạo nên phản ứng: 01n+147N→146C+11H
14
6C là một ñồng vị phóng xạ β−, chu kỳ bán rã 5730 năm.Trong khí quyển tỉ lệ 146C / C là không ñổi Dựa vào sự phân rã của 146C trong các di vật cổ gốc sinh vật, người ta xác ñịnh ñược tuổi của các di vật này V/ Phản ứng phân hạch
1 Cơ chế của phản ứng phân hạch
+ Phân hạch là phản ứng trong ñó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn
+ ðể gây ra ñược phản ứng phân hạch ở hạt nhân X thì phải truyền cho nó một năng lượng, giá trị tối thiểu
của năng lượng cần truyền gọi là năng lượng kích hoạt Phương pháp dễ nhất là bắn nơtron vào X Hạt nhân X chuyển sang trạng thái kích thích và sự phân hạch xảy ra Trong mỗi phân hạch lại sinh ra k = 1, 2 hoặc 3 nơtron n+ →X X*→ + +Y Z kn
2 Năng lượng phân hạch
+ Phản ứng phân hạch của urani 235
+ Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng, năng lượng ñó gọi là năng lượng phân hạch Một phân hạch của urani tỏa ra năng lượng khoảng 200 MeV
+ Sau mỗi phân hạch của urani lại sinh ra trung bình 2,5 nơtron Các nơtron này kích thích cho các phân hạch mới Kết quả là các phân hạch xảy ra liên tục tạo thành phản ứng dây chuyền
Giả sử sau mỗi phân hạch, có k nơtron sinh ra kích thích k phân hạch mới thì:
khi k < 1 phản ứng dây chuyền không xảy ra
khi k = 1 phản ứng dây chuyền tự duy trì và năng lượng tỏa ra không ñổi theo thời gian, có thể kiểm soát ñược
khi k > 1 Phản ứng dây chuyền tự duy trì và năng lượng tỏa ra tăng rất nhanh, không kiểm soát ñược, gây nên sự bùng nổ
+ ðể có k≥1 thì khối lượng của chất phân hạch phải lớn hơn hoặc bằng khối lượng tới hạn
+ Phản ứng phân hạch có ñiều khiển ñược thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, ứng với k = 1 Trong lò
có những thanh ñiều khiển có chứa Bo hay Cañimi có tác dụng hấp thụ nơtron thừa, ñể ñảm bảo cho k = 1 VI/ Phản ứng nhiệt hạch
1 Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch
Phản ứng nhiệt hạch là sự tổng hợp hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn Sự tổng hợp này chỉ xảy ra ở nhiệt ñộ rất cao, nên gọi là phản ứng nhiệt hạch
Ví dụ: 21H+31H→ 42He+10n 17, 6 MeV+ Phản ứng này tỏa ra năng lượng 17,6 MeV
+ ðiều kiện ñể có phản ứng nhiệt hạch xảy ra là
- Nhiệt ñộ cao (50÷100 triệu ñộ)
- Mật ñộ hạt nhân trong plasma (n) phải ñủ lớn
- Thời gian duy trì trạng thái plasma ( ) τ ở nhiệt ñộ cao 100 triệu ñộ phải ñủ lớn
2 Năng lượng nhiệt hạch
+ Năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch gọi là năng lượng nhiệt hạch
+ Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 g heli từ hiñrô gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 g urani và gấp 200 triệu lần năng lượng tỏa ra khi ñốt 1 g cacbon
+ Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao
+ Ưu ñiểm của năng lượng nhiệt hạch: nhiên liệu dồi dào, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm môi
trường
3 Phản ứng nhiệt hạch trên Trái ðất
Trang 4Phương pháp giải bài tập Vật Lí 12 Nâng Cao - Chương IX Trên Trái ðất, loài người ñã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H và ñang nghiên cứu tạo ra phản ứng nhiệt hạch có ñiều khiển
PHẦN I CÁC DẠNG TOÁN THƯỜNG GẶP
DẠNG 1 XÁC ðỊNH NGUYÊN TỬ SỐ VÀ SỐ KHỐI CỦA MỘT HẠT NHÂN X
TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1 PHƯƠNG PHÁP
- Phương trình phản ứng hạt nhân: 1 2 3 4
A
Z A+ Z B→Z C+Z D
- Áp dụng ñịnh luật bảo toàn ñiện tích hạt nhân (ñịnh luật bảo toàn số hiệu nguyên tử):
Z1 + Z2 = Z3 + Z4
- Áp dụng ñịnh luật bảo số khối:
A1 + A2 = A3 + A4
2 BÀI TẬP
Bài 1 Viết lại cho ñầy ñủ các phản ứng hạt nhân sau ñây:
37 18
) ) )
α
+ → +
+ → +
Bài 2 Cho phản ứng hạt nhân Urani có dạng: 238 206
92U→ 82Pb+x.α+y.β− Tìm x, y
phóng xạ β−
Viết phương trình phản ứng xảy ra và xác ñịnh các nguyên tố X và Y
Bài 3
a Cho biết cấu tạo của hạt nhân nhôm 1327Al
b Bắn phá hạt nhân Nhôm bằng chùm hạt Hêli, phản ứng sinh ra hạt nhân X và một Nơtron Viết phương trình phản ứng và cho biết cấu tạo của hạt nhân X
c Hạt nhân X là chất phóng xạ β+
Viết phương trình phân rã phóng xạ của hạt nhân X
DẠNG 2 HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
ðỊNH LUẬT PHÓNG XẠ
A PHƯƠNG PHÁP
Phương trình phóng xạ hạt nhân nguyên tử có dạng: A→ +B C
1 Tìm số nguyên tử còn lại ở thời ñiểm t
Gọi N là số nguyên tử còn lại ở thời ñỉêm t áp dụng ñịnh luật phóng xạ, ta có:
ln 2
.ln 2 0
0 0 0
2
t
k
N
N =N e−λ =N e− =N e− =
Trong ñó: N0 là số nguyên tử ban ñầu; k là hằng số phóng xạ ln 2 0, 693
k T
=
* Chú ý:
0
( )
( )
A
A
A g N
m N
m g N
A
→
2 Tìm số nguyên tử phân rã sau thời gian t
Ta có:
2
t
e
λ
3 Tìm khối lượng còn lại ở thời ñiểm t
Gọi m là khối lượng còn lại ở thời ñiểm t, ta có: 0
0 2
t k
m
m=m e λ =
4 Tìm khối lượng phân ra sau thời gian t
1
2
t
k
m m m m e−λ m
5 Xác ñịnh ñộ phóng xạ
ðộ phóng xạ H ñược xác ñịnh: H =λ.N =λN e0 −λt =H e0 −λt
Trang 5Văn Kim Ngọc - Trường THPT Nguyễn Du – Sông Hinh - Phú Yên - Lưu hành nội bộ Trang 5
Ngoài ra, ta có thể sử dụng: H dN
dt
= − ; Trong ñó H0 là ñộ phóng xạ ban ñầu
1Ci = 3,7.1010Bq; 1Bq = 1 phân rã/giây
6 Tính tuổi của mẫu vật
Ta có thể dựa vào các phương pháp:
+ Dựa theo ñộ phóng xạ
+ Dựa theo tỉ lệ khối lượng của chất sinh ra và khối lượng của chất phóng xạ còn lại
+ Dựa theo tỉ số giữa hai chất phóng xạ có chu kì khác nhau
B BÀI TẬP
Bài 1: Một chất phóng xạ có chu kì bán rã T = 10s, lúc ñầu có ñộ phóng xạ H0 = 2.107Bq
1 Tính hằng số phóng xạ
2 Tính số nguyên tử ban ñầu
3 Tính số nguyên tử còn lại và ñộ phóng xạ sau thời gian 30s
Bài 2: Dùng 21 mg chất phóng xạ 21084Po Chu kì bán rã của Poloni là 140 ngày ñêm Khi phóng xạ tia α, Poloni biến thành chì (Pb)
1 Viết phương trình phản ứng
2 Tìm số hạt nhân Poloni phân rã sau 280 ngày ñêm
3 Tìm khối lượng chì sinh ra trong thời gian nói trên
Bài 3: Chu kì bán rã của 22688Ralà 1600 năm Khi phân rã, Ra di biến thành Radon 22286Rn
1 Radi phóng xạ hạt gì? Viết phương trình phản ứng hạt nhân
2 Lúc ñầu có 8g Radi, sau bao lâu thì còn 0,5g Radi
Bài 4: ðồng vị 2411Nalà chất phóng xạ β−tạo thành ñồng vị của magiê Mẫu 1124Nacó khối lượng ban ñầu là m0 = 0,24g Sau 105 giờ, ñộ phóng xạ của nó giảm ñi 128 lần Cho NA = 6,02.1023
1 Viết phương trình phản ứng
2 Tìm chu kì bán rã và ñộ phóng xạ ban ñầu (tính ra Bq)
3 Tìm khối lượng magiê tạo thành sau 45 giờ
Bài 5: Trong các mẫu quặng Urani ta thường thấy có lẫn chì Pb206 cùng với Urani U238 (chì là do Urani phân rã phõng xạ biến ñổi thành) Biết chu kỳ bán rã của U238 là 4,5.109 năm, tính tuổi của quặng trong các trường hợp sau:
1 Khi tỉ lệ tìm thấy cứ 10 nguyên tử Urani có 2 nguyên tử chì
2 Khi tỉ lệ tìm thấy là 1g chì/ 5g Urani
DẠNG 3 XÁC ðỊNH NĂNG LƯỢNG
A PHƯƠNG PHÁP
1 Xác ñịnh năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng
+ Tính ñộ hụt khối: ∆ =m m0− =m Z m p+(A Z m− ) n−m
+ Năng lượng liên kết hạt nhân: W lk =E0− =E (m0−m c) 2= ∆m c 2
+ Năng lượng liên kết riêng: Lập tỉ số : Năng lượng liên kết riêng W lk
A
=
* Chú ý: NLLK riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững
2 Năng lượng phản ứng hạt nhân
Xét phản ứng hạt nhân A+ → +B C D
+ Tính ñộ chênh lệch khối lượng của các hạt nhân trước và sau phản ứng
0 ( A B) ( C D)
Trong ñó: m0 = mA + mB là khối lượng của các hạt nhân trước phản ứng
m = mC + mD là khối lượng của các hạt nhân sau phản ứng
* Nếu m0 > m thì phản ứng toả năng lượng Năng lượng toả ra là: Wtoả = (m0 – m).c2 = ∆m c 2
* Nếu m0 < m thì phản ứng thu năng lượng Năng lượng thu vào là: Wthu = -Wtoả = (m – m0).c2
+ Muốn thực hiện phản ứng thu năng lượng, ta phải cung cấp cho các hạt A và B một năng lượng W dưới dạng ñộng năng (bằng cách bắn A vào B) Giả sử các hạt sinh ra có tổng ñộng năng là Wñ Vậy năng lượng cần phải cung cấp W thoả mãn ñiều kiện:
W = Wñ + Wthu = Wñ + (m –m0).c2
Chú ý: 1u.c2 = 931,5 MeV; 1eV = 1,6.10-19 J; 1u = 1,66055.10-27kg
B BÀI TẬP
Bài 1: Tìm ñộ hụt khối và năng lượng liên kết của hạt nhân Liti 37Li Biết khối lượng nguyên tử Liti, nơtron và prôtôn
có khối lượng lần lượt là: mLi = 7,016005u; mn = 1,008665u và mp = 1,007825u
Trang 6Phương pháp giải bài tập Vật Lí 12 Nâng Cao - Chương IX
Bài 2: Cho phản ứng hạt nhân: 1 9 4
1H+4Be→2He+ +X 2,1MeV
1 Xác ñịnh hạt nhân X
2 Tính năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi tổng hợp 2 gam Hêli Biết số Avôgañrô NA = 6,02.1023
Bài 3: Cho phản ứng hạt nhân: 23 20
1 Xác ñịnh hạt nhân X
2 Phản ứng trên toả hay thu năng lượng? Tính ñộ lớn của năng lượng toả ra hay thu vào? Cho biết mX = 1,0073u; mNa = 22,9837u; mNe = 19,9870u; mHe = 4,0015u 1u = 1,66055.10-27 kg = 931MeV/c2
Bài 4: Xét phản ứng hạt nhân sau: 12D+31T →24He+01n Biết ñộ hụt khối khi tạo thành hạt nhân 21D T;31 ;24He lần lượt là ∆m D =0, 0024 ;u ∆m T =0, 0087 ;u ∆m He =0, 0305u Phản ứng trên toả hay thu năng lượng Năng lượng toả
ra hay thu vào bằng bao nhiêu
Bài 5: Hạt nhân Natri có kí hiệu 1123Na và khôí lượng của nó là mNa = 22,983734 u, biết mp = 1,0073 u, mn = 1,0087 u
1 Tính số hạt notron có trong hạt nhân Na
2 Tính số nuclon có trong 11,5 g Na
3 Tính ñộ hụt khối và năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Na
DẠNG 4 XÁC ðỊNH ðỘNG NĂNG CỦA CÁC HẠT
A PHƯƠNG PHÁP
1 Vận dụng ñịnh luật bảo toàn năng lượng toàn phần
E = E0 + Wñ
Trong ñó: E0, E là năng lượng nghỉ của hạt nhân trước và sau phản ứng
Wñ trước , Wñ sau lần lượt là ñộng năng của hạt nhân trước và sau phản ứng
2 Vận dụng ñịnh luật bảo toàn ñộng lượng: p=Const ⇔p tr =p s
3 Mối quan hệ giữa ñộng năng và ñộng lượng: p = m.v; Wñ =1 2 2
2
2mv ⇒ p = m Wñ
B BÀI TẬP
Bài 1: Người ta dung một hạt prôtôn có ñộng năng Wp = 1,6MeV bắn vào một hạt nhân ñang ñứng yên 37Li và thu ñược hai hạt giống nhau có cùng ñộng năng
1 Viết phương trình phản ứng hạt nhân Ghi rõ nguyên tử số Z và số khối A của hạt nhân sản phẩm
2 Tính ñộng năng của môĩ hạt
Biết rằng khối lượng hạt nhân: m p=1, 0073 ;u m Li =7, 0144 ;u m X =4, 0015u và ñơn vị khối lượng nguyên tử 1u = 1,66055.10-27 kg = 931 MeV/c2
Bài 2: Người ta dùng một hạt prôtôn bắn phá hạt nhân Beri ñang ñứng yên Hai hạt nhân sinh ra là Hêli và hạt nhân X: 9
4
p+ Be→ +α X
1 Viết ñầy ñủ phản ứng hạt nhân X là hạt nhân gì?
2 Biết rằng prôtôn có ñộng năng Wp = 5,45MeV; Hêli có vận tốc vuông góc với vận tốc của prôtôn và có ñộng năng WHe = 4MeV Tính ñộng năng của X
3 Tìm năng lượng mà phản ứng toả ra
Chú ý: Người ta không cho khối lượng chính xác của các hạt nhân nhưng có thể tính gần ñúng khối lượng của một hạt nhân ño bằng ñơn vị u có giá trị gần bằng số khối của nó
Bài 3: Hạt nhân Urani phóng xạ ra hạt α
1 Tính năng lượng toả ra (dưới dạng ñộng năng của các hạt) Cho biết M (U234) = 233,9904u; m(Th230) = 229,9737u; m(He4) = 4,0015u và 1 u = 1,66055.10-27kg
2 Tính ñộng năng của hạt Hêli
Bài 4: Bắn một hạt Hêli có ñộng năng WHe = 5MeV vào hạt nhân X ñang ñứng yên ta thu ñược một hạt prôtôn và hạt nhân 178O
1 Tìm hạt nhân X
2 Tính ñộ hụt khối của phản ứng Biết mp = 1,0073u; mHe = 4,0015u; mX = 13,9992u và
mO = 16,9947u
3 Phản ứng này thu hay toả năng lượng? Năng lượng toả ra hay thu vào là bao nhiêu?
4 Biết prôtôn bay ra theo hướng vuông góc với hạt nhân 178O và có ñộng năng là 4MeV Tìm ñộng năng và vận tốc của hạt nhân 178O và góc tạo bởi của hạt nhân 178O so với hạt nhân Hêli
Bài 5: Bắn hạt α có ñộng năng 4MeV vào hạt nhân 147 N ñứng yên thì thu ñược một hạt prôton và một hạt nhân X
Trang 7Văn Kim Ngọc - Trường THPT Nguyễn Du – Sông Hinh - Phú Yên - Lưu hành nội bộ Trang 7
1 Viết phương trình phản ứng, nêu cấu tạo của hạt nhân X và tính xem phản ứng ñó tỏa ra hay thu vào bao nhiêu năng lượng
2 Giả sử hai hạt sinh ra có cùng tốc ñộ, tính ñộng năng và tốc ñộ của prôton Cho: mα = 4,0015u; mX = 16,9947u;
mN = 13,9992u; mp = 1,0073u; 1u = 931MeV/c2; c = 3.108m/s
Bài 6: Dùng một prôtôn có ñộng năng 2MeV bắn vào hạt nhân 37Li ñứng yên, ta thu ñược hai hạt giống nhau có cùng ñộng năng
1 Viết phương trình phản ứng
2 Tìm ñộng năng mỗi hạt sinh ra
3 Tính góc hợp bởi phương chuyển ñộng của hai hạt nhân vừa sinh ra Cho mH = 1,0073u; mLi = 7,0144u; mHe
= 4,0015u; 1u = 931MeV/c2
DẠNG 5 PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
NHÀ MÁY ðIỆN NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN
A PHƯƠNG PHÁP
1 Phản ứng phân hạch Phản ứng nhiệt hạch. (ñọc phần “hệ thống kiến thức”)
2 Nhà máy ñiện nguyên tử hạt nhân.
+ Hiệu suất nhà máy: ci(%)
tp
P H P
= + Tổng năng lượng tiêu thụ trong thời gian t: A = Ptp t
+ Số phân hạch: A P t tp.
N
E E
∆ ∆ (Trong ñó ∆E là năng lượng toả ra trong một phân hạch) + Nhiệt lượng toả ra: Q = m q
B BÀI TẬP
Bài 1: Xét phản ứng phân hạch Urani 235 có phương trình: 23592U + →n 4295Mo+13957La+2.n+7.e−
Tính năng lượng mà một phân hạch toả ra Biết mU235 = 234,99u; mMo = 94,88u; mLa = 138,87u Bỏ qua khối lượng của êlectron
Bài 2: Một hạt nhận Urani 235 phân hạch toả năng lượng 200MeV Tính khối lượng Urani tiêu thụ trong 24 giờ bởi một nhà máy ñiện nguyên tử có công suất 5000KW Biết hiệu suất nhà máy là 17% Số Avôgañrô là NA = 6,023.1023 kmol-1
Bài 3: Coi rằng mỗi hạt nhân U235 bị phân hạch cho năng lượng 215MeV
1 Hỏi nếu 1kg U235 bị phân hạch hoàn toàn sẽ cho bao nhiêu Jun
2 Năng lượng ñó tương ñương với năng lượng toả ra khi ñốt cháy bao nhiêu kg xăng, biết năng suất toả nhiệt của xăng là 46.106J/kg
PHẦN II CÁC CÂU TRẮC NGHIỆM TRONG ðỀ THI TNPT – ðẠI HỌC
A CÁC CÂU TRẮC NGHIỆM TRONG ðỀ THI TNPT
A Tổng ñộng năng của các hạt trước và sau phản ứng hạt nhân luôn ñược bảo toàn
B Tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng hạt nhân luôn ñược bảo toàn
C Tất cả các phản ứng hạt nhân ñều thu năng lượng
D Năng lượng toàn phần trong phản ứng hạt nhân luôn ñược bảo toàn
84 có
A 84 prôtôn và 210 nơtron B 126 prôtôn và 84 nơtron
C 210 prôtôn và 84 nơtron D 84 prôtôn và 126 nơtron
A cùng số nuclôn nhưng khác số prôtôn B cùng số nơtron nhưng khác số prôtôn
C cùng số nuclôn nhưng khác số nơtron D cùng số prôtôn nhưng khác số nơtron
15 27 13
α thì hạt X là
A prôtôn B nơtrôn C pôzitrôn D êlectrôn
Trang 8Phương pháp giải bài tập Vật Lí 12 Nâng Cao - Chương IX
A 24H e B 23592U C 2656F e D 13755C s
ñiểm ban ñầu, tỉ số giữa số hạt nhân chất phóng xạ X phân rã thành hạt nhân của nguyên tố khác và số hạt nhân chất phóng xạ X còn lại là
N0 bị phân rã Chu kì bán rã của chất ñó là
A 8 giờ B 4 giờ C 2 giờ D 3 giờ
ST-C9.8. Pôlôni 21084p o phóng xạ theo phương trình: 21084p o →Z A X +20682p b Hạt X là
A −01e B 01e C 24H D 23H
ST-C9.9. Khi một hạt nhân 23592U bị phân hạch thì tỏa ra năng lượng 200 MeV Cho số A-vô-ga-ñrô NA = 6,02.1023 mol-1 Nếu 1 g 23592U bị phân hạch hoàn toàn thì năng lượng tỏa ra xấp xỉ bằng
A 5,1.1016 J B 8,2.1010 J C 5,1.1010 J D 8,2.1016J
A năng lượng liên kết càng lớn B năng lượng liên kết càng nhỏ
C năng lượng liên kết càng lớn D năng lượng liên kết càng nhỏ
Biết 1u = 931,5MeV/c2 Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ñơteri 12D là :
A 3,06 MeV/nuclôn B 1,12 MeV/nuclôn
C 2,24 MeV/nuclôn D 4,48 MeV/nuclôn
A tia β+ B tia α C tia hồng ngoại D Tia β−
sau thời gian t là:
A N e0 −λt B N (10 − λt) C N (1 e )0 − λt D N (1 e0 − −λt)
ST-C9.14.Số prôtôn và số nơtron trong hạt nhân nguyên tử 3067Zn lần lượt là:
A.30 và 37 B 30 và 67 C 67 và 30 D 37 và 30
nhân của ñồng vị này ñã bị phân rã Chu kì bán rã của ñồng vị này là
A 24 giờ B 3 giờ C 30 giờ D 47 giờ
A 1 0
1
1
1
16H
B CÁC CÂU TRẮC NGHIỆM TRONG ðỀ THI ðH Câu 1(Cð 2007): Ban ñầu một mẫu chất phóng xạ nguyên chất có khối lượng m0 , chu kì bán rã của chất này là 3,8 ngày Sau 15,2 ngày khối lượng của chất phóng xạ ñó còn lại là 2,24 g Khối lượng m0 là
A. 5,60 g B 35,84 g C 17,92 g D 8,96 g
Câu 2(Cð 2007): Phóng xạ β- là
A phản ứng hạt nhân thu năng lượng
B phản ứng hạt nhân không thu và không toả năng lượng
C sự giải phóng êlectrôn (êlectron) từ lớp êlectrôn ngoài cùng của nguyên tử
Trang 9Văn Kim Ngọc - Trường THPT Nguyễn Du – Sông Hinh - Phú Yên - Lưu hành nội bộ Trang 9
D phản ứng hạt nhân toả năng lượng
Câu 3(Cð 2007): Hạt nhân Triti ( T1 ) có
A 3 nuclôn, trong ñó có 1 prôtôn B 3 nơtrôn (nơtron) và 1 prôtôn
C 3 nuclôn, trong ñó có 1 nơtrôn (nơtron) D 3 prôtôn và 1 nơtrôn (nơtron)
Câu 4(Cð 2007): Các phản ứng hạt nhân tuân theo ñịnh luật bảo toàn
A số nuclôn B số nơtrôn (nơtron) C khối lượng D số prôtôn
Câu 5(Cð 2007): Hạt nhân càng bền vững khi có
A số nuclôn càng nhỏ B số nuclôn càng lớn
C năng lượng liên kết càng lớn D năng lượng liên kết riêng càng lớn
Câu 6(Cð 2007): Xét một phản ứng hạt nhân: H1
2 + H1 2 → He2 3 + n0 1 Biết khối lượng của các hạt nhân H1
2
MH = 2,0135u ; mHe = 3,0149u ; mn = 1,0087u ; 1 u = 931 MeV/c2 Năng lượng phản ứng trên toả ra là
A 7,4990 MeV B 2,7390 MeV C 1,8820 MeV D 3,1654 MeV
Câu 7(Cð 2007): Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết
A tính cho một nuclôn B tính riêng cho hạt nhân ấy
C của một cặp prôtôn-prôtôn D của một cặp prôtôn-nơtrôn (nơtron)
Câu 8(ðH – 2007): Giả sử sau 3 giờ phóng xạ (kể từ thời ñiểm ban ñầu) số hạt nhân của một ñồng vị phóng xạ còn lại bằng 25% số hạt nhân ban ñầu Chu kì bán rã của ñồng vị phóng xạ ñó bằng
A 2 giờ B 1,5 giờ C 0,5 giờ D 1 giờ
Câu 9(ðH – 2007): Phát biểu nào là sai?
A Các ñồng vị phóng xạ ñều không bền
B Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn nhưng có số nơtrôn (nơtron) khác nhau gọi là ñồng vị
C Các ñồng vị của cùng một nguyên tố có số nơtrôn khác nhau nên tính chất hóa học khác nhau
D Các ñồng vị của cùng một nguyên tố có cùng vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn
Câu10(ðH – 2007): Phản ứng nhiệt hạch là sự
A kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn trong ñiều kiện nhiệt ñộ rất cao
B kết hợp hai hạt nhân có số khối trung bình thành một hạt nhân rất nặng ở nhiệt ñộ rất cao
C phân chia một hạt nhân nhẹ thành hai hạt nhân nhẹ hơn kèm theo sự tỏa nhiệt
D phân chia một hạt nhân rất nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn
Câu 11(ðH – 2007): Biết số Avôgañrô là 6,02.1023/mol, khối lượng mol của urani U92
238
là 238 g/mol Số nơtrôn (nơtron) trong 119 gam urani U 238 là
A 8,8.1025 B 1,2.1025 C 4,4.1025 D 2,2.1025
Câu 12(ðH – 2007): Cho: mC = 12,00000 u; mp = 1,00728 u; mn = 1,00867 u; 1u = 1,66058.10-27 kg; 1eV = 1,6.10-19 J
; c = 3.108 m/s Năng lượng tối thiểu ñể tách hạt nhân C 126 thành các nuclôn riêng biệt bằng
A 72,7 MeV B 89,4 MeV C 44,7 MeV D 8,94 MeV
Câu 13(Cð 2008): Hạt nhân Cl17 có khối lượng nghỉ bằng 36,956563u Biết khối lượng của nơtrôn (nơtron) là1,008670u, khối lượng của prôtôn (prôton) là 1,007276u và u = 931 MeV/c2 Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Cl1737 bằng
A 9,2782 MeV B 7,3680 MeV C 8,2532 MeV D 8,5684 MeV
Câu 14(Cð 2008): Trong quá trình phân rã hạt nhân U92238 thành hạt nhân U92234, ñã phóng ra một hạt α và hai hạt
A nơtrôn (nơtron) B êlectrôn (êlectron) C pôzitrôn (pôzitron) D prôtôn (prôton)
Câu15(Cð 2008): Ban ñầu có 20 gam chất phóng xạ X có chu kì bán rã T Khối lượng của chất X còn lại sau khoảng thời gian 3T, kể từ thời ñiểm ban ñầu bằng
A 3,2 gam B 2,5 gam C 4,5 gam D 1,5 gam
Câu 16(Cð 2008): Khi nói về sự phóng xạ, phát biểu nào dưới ñây là ñúng?
A Sự phóng xạ phụ thuộc vào áp suất tác dụng lên bề mặt của khối chất phóng xạ
B Chu kì phóng xạ của một chất phụ thuộc vào khối lượng của chất ñó
C Phóng xạ là phản ứng hạt nhân toả năng lượng
D Sự phóng xạ phụ thuộc vào nhiệt ñộ của chất phóng xạ
Câu 17(Cð 2008): Biết số Avôgañrô NA = 6,02.1023 hạt/mol và khối lượng của hạt nhân bằng số khối của nó Số prôtôn (prôton) có trong 0,27 gam Al1327 là
A 6,826.1022 B 8,826.1022 C 9,826.1022 D 7,826.1022
Câu 18(Cð 2008): Phản ứng nhiệt hạch là
A nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời
B sự tách hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ nhờ nhiệt ñộ cao
C phản ứng hạt nhân thu năng lượng
D phản ứng kết hợp hai hạt nhân có khối lượng trung bình thành một hạt nhân nặng
Câu 19(ÐỀ ðẠI HỌC – 2008): Hạt nhân 22688Ra biến ñổi thành hạt nhân 22286Rn do phóng xạ
A α và β
- B β
Trang 10Phương pháp giải bài tập Vật Lí 12 Nâng Cao - Chương IX
Câu 20(ÐỀ ðẠI HỌC – 2008): Một chất phóng xạ có chu kỳ bán rã là 3,8 ngày Sau thời gian 11,4 ngày thì ñộ phóng xạ (hoạt ñộ phóng xạ) của lượng chất phóng xạ còn lại bằng bao nhiêu phần trăm so với ñộ phóng xạ của lượng chất phóng xạ ban ñầu?
A 25% B 75% C 12,5% D 87,5%
Câu 21(ÐỀ ðẠI HỌC – 2008): Phát biểu nào sao ñây là sai khi nói về ñộ phóng xạ (hoạt ñộ phóng xạ)?
A ðộ phóng xạ là ñại lượng ñặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ
B ðơn vị ño ñộ phóng xạ là becơren
C Với mỗi lượng chất phóng xạ xác ñịnh thì ñộ phóng xạ tỉ lệ với số nguyên tử của lượng chất ñó
D ðộ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ phụ thuộc nhiệt ñộ của lượng chất ñó
Câu 22(ÐỀ ðẠI HỌC – 2008): Hạt nhân 104Becó khối lượng 10,0135u Khối lượng của nơtrôn (nơtron) mn = 1,0087u, khối lượng của prôtôn (prôton) mP = 1,0073u, 1u = 931 MeV/c2 Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 10
4Be là
A 0,6321 MeV B 63,2152 MeV C 6,3215 MeV D 632,1531 MeV
Câu 23(ÐỀ ðẠI HỌC – 2008) : Hạt nhân A ñang ñứng yên thì phân rã thành hạt nhân B có khối lượng mB và hạt α
có khối lượng mα Tỉ số giữa ñộng năng của hạt nhân B và ñộng năng của hạt α ngay sau phân rã bằng
A
B
m
m
α B
2 B m
mα
B m
mα
2
B
m m α
Câu 24(ÐỀ ðẠI HỌC – 2008) : 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 ñơn vị u Biết chất phóng xạ 1
1
A
Z X có chu kì bán rã là T Ban ñầu 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
A 1
2
A
4
2
1
A 4
2
1
A 3
1
2
A 3 A
Câu 25(ðề thi cao ñẳng năm 2009): Biết NA = 6,02.1023 mol-1 Trong 59,50 g 23892U có số nơtron xấp xỉ là
A 2,38.1023 B 2,20.1025 C 1,19.1025 D 9,21.1024
Câu 26(ðề thi cao ñẳng năm 2009): Phát biểu nào sau ñây là sai khi nói về hiện tượng phóng xạ?
A Trong phóng xạ α, hạt nhân con có số nơtron nhỏ hơn số nơtron của hạt nhân mẹ
B Trong phóng xạ β
-, hạt nhân mẹ và hạt nhân con có số khối bằng nhau-, số prôtôn khác nhau
C Trong phóng xạ β, có sự bảo toàn ñiện tích nên số prôtôn ñược bảo toàn
D Trong phóng xạ β+
, hạt nhân mẹ và hạt nhân con có số khối bằng nhau, số nơtron khác nhau
Câu 27(ðề thi cao ñẳng năm 2009): Gọi τ là khoảng thời gian ñể số hạt nhân của một ñồng vị phóng xạ giảm ñi bốn lần Sau thời gian 2τ số hạt nhân còn lại của ñồng vị ñó bằng bao nhiêu phần trăm số hạt nhân ban ñầu?
A 25,25% B 93,75% C 6,25% D 13,5%
Câu 28(ðề thi cao ñẳng năm 2009): Cho phản ứng hạt nhân: 2311Na+11H→42He+ 2010Ne Lấy khối lượng các hạt nhân 2311Na; 2010Ne; 42He; 11H lần lượt là 22,9837 u; 19,9869 u; 4,0015 u; 1,0073 u và 1u = 931,5 MeV/c2 Trong phản ứng này, năng lượng
A thu vào là 3,4524 MeV B thu vào là 2,4219 MeV
C tỏa ra là 2,4219 MeV D tỏa ra là 3,4524 MeV
Câu 29(ðề thi cao ñẳng năm 2009): Biết khối lượng của prôtôn; nơtron; hạt nhân 168 O lần lượt là 1,0073 u; 1,0087 u; 15,9904 u và 1u = 931,5 MeV/c2 Năng lượng liên kết của hạt nhân 168 O xấp xỉ bằng
A 14,25 MeV B 18,76 MeV C 128,17 MeV D 190,81 MeV
Câu 30(ÐỀ ðẠI HỌC – 2009): Trong sự phân hạch của hạt nhân 23592U, gọi k là hệ số nhân nơtron Phát biểu nào sau ñây là ñúng?
A Nếu k < 1 thì phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra và năng lượng tỏa ra tăng nhanh
B Nếu k > 1 thì phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và có thể gây nên bùng nổ
C Nếu k > 1 thì phản ứng phân hạch dây chuyền không xảy ra
D Nếu k = 1 thì phản ứng phân hạch dây chuyền không xảy ra
Câu 31(ÐỀ ðẠI HỌC – 2009): Giả sử hai hạt nhân X và Y có ñộ hụt khối bằng nhau và số nuclôn của hạt nhân X
lớn hơn số nuclôn của hạt nhân Y thì
A hạt nhân Y bền vững hơn hạt nhân X