Hướng dẫn học sinh lớp 12 trường THPT thọ xuân 5 phân loại và giải bài tập về phóng xạ hạt nhân nguyên tử

Nhằm hướng các em đến phương pháp học tích cực, chủ động, hệ thốngkiến thức, nâng cao kỹ năng giải nhanh chóng, chính xác các bài tập phóng xạdo đó tôi chọn đề tài " Hướng dẫn học sinh l

Nhằm hướng các em đến phương pháp học tích cực, chủ động, hệ thốngkiến thức, nâng cao kỹ năng giải nhanh chóng, chính xác các bài tập phóng xạ

do đó tôi chọn đề tài " Hướng dẫn học sinh lớp 12 trường THPT Thọ Xuân 5phân loại và giải bài tập về phóng xạ hạt nhân nguyên tử"

1.2 Mục đích nghiên cứu

Làm quen với công tác nghiên cứu khoa học

Tìm cho mình một phương pháp để tạo ra không khí hứng thú và lôi cuốnnhiều học sinh hứng thú say mê môn vật lý, đồng thời giúp các em đạt được kếtquả cao trong các kỳ thi

Nghiên cứu phương pháp giảng dạy bài vật lý với quan điểm tiếp cận:

“Phương pháp Trắc nghiệm khách quan”

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Nội dung kiến thức phần phóng xạ hạt nhân chương VII vật lí 12 cơ bảnHọc sinh lớp 12 trường THPT Thọ Xuân 5 ôn tập, kiểm tra tiết 15 phút vàkiểm tra cuối học kì II

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Nhóm phương pháp nghiên cứu lí luận.

- thu thập tài liệu, phân tích, tổng hợp …

- Phân tích nội dung chương trình Vật lí THPT ,đề thi tốt nghiệp THPT vàtuyển sinh đại học môn vật lí các năm gần đây

Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn.

- Sử dụng phiếu điều tra

- Thu thập các ý kiến về tính hiệu quả dạy học trong việc rèn luyện các kỹnăng cho học sinh ở trường THPT.

- Tổ chức thực nghiệm dạy học trên lớp xác định hiệu quả, tính khả thicủa đề tài

- Sử dụng phương pháp thống kê toán học trong nghiên cứu khoa học giáodục để xử lí và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm

1.5 Những điểm mới trong sáng kiến kinh nghiệm

Nhận dạng bài tập một cách nhanh chóng Sử dụng máy tính Casio mộtcách hiệu quả nhanh chóng tìm ra đáp án chính xác

2 NỘI DUNG

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm

Dạy học nhằm phát huy tính chủ động của người học liên quan tới quanđiểm "dạy học lấy hoạt động của người học làm trung tâm" Dạy học lấy hoạtđộng của người học làm trung tâm là một quá trình phức tạp, đa dạng, mang tínhtổng thể cao Đòi hỏi phải sử dụng, kết hợp một cách có hiệu quả, hợp lý cácphương pháp dạy học Việc tìm ra phương pháp giải và phân dạng bài tập vật lýcho học sinh trong nhà trường giúp học sinh hiểu được một cách sâu sắc và đầy

đủ những kiến thức cơ bản cần thiết trong chương trình, củng cố được hệ thống

lí thuyết theo ý đồ của người viết, đồng thời làm nổi bật ý nghĩa thực tế của bàidạy và dễ nâng cao trình độ kiến thức cho học sinh, giúp các em linh hoạt hơntrong cuộc sống về xử lí các tình huống Học sinh có kỹ năng vận dụng kiếnthức trong giải bài tập vật lý là một thước đo độ sâu những kiến thức mà họcsinh đã thu nhận được Trong thực tế ở trường học, mặc dù người giáo viên cótrình bày nội dung lý thuyết sách giáo khoa và tài liệu nâng cao một cách mạchlạc, hợp lôgic, phát biểu định luật chính xác, thì đó chỉ là điều kiện cần chứchưa đủ để học sinh hiểu và nắm sâu kiến thức Điều kiện đủ ở đây chính là phảicho học sinh phương pháp giải bài tập, biết phân loại bài tập, nắm được bản chấtvật lý, vận dụng được lý thuyết thành thạo để giải bài tập, phải luyện cho họcsinh kĩ năng giải

2.2 Thực trạng của vấn đề

Vật lý hạt nhân đối với học sinh trung học phổ thông thật là mới mẻ, trìutượng , học sinh chỉ được nghe mà chưa bao giờ được nhìn thấy Những thànhtựu khoa học mà ngành vật lý hạt nhân đem lại thật là to lớn… Trong quá trìnhgiảng dạy tôi nhận thấy học sinh thường chỉ biết làm những bài tập đơn giản nhưthay vào công thức có sẵn, còn những bài tập yêu cầu phải có khả năng phântích đề hoặc tư duy thì kết quả rất kém Để giúp cho học sinh dễ dàng nắm được

và vận dụng tốt các phương pháp cơ bản giải các bài toán trong các đề thi thuộcphần “ phóng xạ hạt nhân nguyên tử” cần phân dạng cụ thể, hợp lí cho học sinh.Với mỗi dạng có phương pháp làm hợp lí, thuận tiện và nhanh nhất

2.3 Các giải pháp

Phải hệ thống hóa kiến thức trọng tâm của phóng xạ hạt nhân một cáchlôgic và khái quát nhất

Hệ thống bài tập tự luận từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp để HSvận dụng các dạng bài tập, các phương pháp của từng dạng để giải bài tập nhanhchóng chính xác

Phải tích cực rèn kỹ năng hệ thống hóa kiến thức sau mỗi dạng bài tập

2.3.1 nội dung kiến phần Phóng xạ hạt nhân

*Phóng xạ  :  E n  E m hf

Phóng xạ  là phóng xạ đi kèm phóng xạ ; 

  và 

 Tia  đi được vài mét trong bêtông và vài cm trong chì

2 Định luật phóng xạ

a Đặc tính của quá trình phóng xạ

Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân

b Định luật phân rã phóng xạ  

Xét một mẫu phóng xạ ban đầu

- N0 số hạt nhân ban đầu

- N số hạt nhân còn lại sau thời gian t: t

0

N N e 

Trong đó X là một hằng số dương gọi là hằng số phân rã, đặc trưng cho chất phóng xạ đang xét

d Độ phóng xạ (H)

Chú ý: Sách cơ bản không viết về độ phóng xạ tuy nhiên đây là khái niệm

rất quan trọng các em nên biết để có thể giải quyết nhiều bài toán khó

Để đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yêu của một lượng chất phóng xạ,người ta dùng đại lượng gọi là độ phóng xạ (hay hoạt độ phóng xạ), được xácđịnh bằng số hạt nhân phân rã trong một giây

Độ phóng xạ đặc trưng cho tốc độ phân rã Đơn vị đo độ phóng xạ có tên gọi làbecơren, kí hiệu Bq, bằng một phân rã/giây Trong thực tế, người ta còn dùngmột đơn vị khác, có tên là curi, kí hiệu Ci: 1Ci = 3,7.1010 Bq, xấp xỉ bằng độphóng xạ của một gam rađi

Vì số hạt nhân của một lượng chất phóng xạ giảm dần, nên độ phóng xạ Hcủa chất phóng xạ cũng giảm theo thời gian Nếu ΔN là số hạt nhân bị phân rãN là số hạt nhân bị phân rãtrong khoảng thời gian ΔN là số hạt nhân bị phân rãt, ta có:

Trong thăm dò địa chất, người ta còn dùng đơn vị picocuri ( 1pCi =

10−12Ci) để so sánh độ phóng xạ rất nhỏ của đất đá tự nhiên:

Cơ thể chúng ta có tỉnh phóng xạ Các phép đo cho thấy: một người cókhối lượng 70 kg có độ phóng xạ trung bình 1,2.104 Bq trong đó chủ yếu là sựphóng xạ do 40K (4.5.103 Bq) và do 14C (3,7.103 Bq)

II ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ VÀ CÁC ỨNG DỤNG

1 Đồng vị phóng xạ nhân tạo.

Có những phả ứng hạt nhân xảy ra trong thiên nhiên Chẳng hạn, do tácdụng của các tia vũ trụ, ở các tầng thấp của khí quyển Trái Đất có một lượngnhỏ cacbon phóng xạ 14C được tạo ra (1 14 14 1

0n7 N 6 C1H)

Ngoài các đồng vị phóng xạ có sẵn trong thiên nhiên, gọi là đồng vịphóng xạ tự nhiên, người ta cũng đã chế tạo được nhiều đồng vị phóng xạ, gọi làđồng vị phóng xạ nhân tạo Bằng phản ứng hạt nhân nhân tạo người ta đã kéodài bảng tuần hoàn Menđeleep và tạo ra các nguyên tố vượt urani có Z > 92 Tất

cả các nguyên tố này đều là nguyên tố phóng xạ, trong đó quan trọng nhất làchất plutôni, Z = 94, đây là nhiên liệu hạt nhân

2 Các ứng dụng đồng vị phóng xạ

Các đồng vị phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo có những ứng dụng rất đa dạng,

a Phương pháp nguyên tử đánh dấu

Trước hết, phải kể đến ứng dụng của chúng trong Y học, sinh học, hóahọc Người ta đưa các đồng vị phóng xạ khác nhau vào trong cơ thể để theo dõi

sự thâm nhập và di chuyển của các nguyên tố nhất định ở trong cơ thể ngườichúng được gọi là nguyên tử đánh dấu ; ta sẽ nhận diện được chúng nhờ cácthiết bị ghi bức xạ Nhờ phương pháp nguyên tử đánh dấu, người ta có thể biếtđược chính xác nhu cầu với các nguyên tố khác nhau của cơ thể trong từng thời

kì phát triển của nó và tình trạng bệnh lí của các bộ phận khác nhau của cơ thể,khi thừa hoặc thiếu những nguyên tố nào đó

b Đồng vị 14 C, đồng hồ Trái Đất

Các nhà khảo cổ học đã sử dụng phương pháp xác định tuổi theo lượng

14C để xác định niên đại của các cổ vật gốc sinh vật khai quật được

Cacbon có ba đồng vị chính: 12C (phổ biến nhất) và 13C là bền, 14C là chất phóng

xạ 

 14C được tạo ra trong khí quyển và thâm nhập vào mọi vật trên Trái Đất

Nó có chu kì bán rã 5730 năm Sự phân rã này cân bằng với sự tạo ra, nên từhàng vạn năm nay, mật độ 14C trong khí quyển không đổi: 14C chiếm 10-6% Mộtcây còn sống, còn quá trình quang hợp, thì còn giữ tỉ lệ trên trong các thànhphần chứ cacbon của nó Nhưng nếu cây chết, thì nó không trao đổi gì với khôngkhí nữa, 14C vẫn phân rã mà không được bù lại, nên tỉ lệ của nó sẽ giảm, sau

5730 năm chỉ còn một nửa; độ phóng xạ H của nó cũng giảm tương ứng Đo độphóng xạ này thì tính được thời gian đã trôi qua từ khi cây chết Động vật ănthực vật nên tỉ lệ 14C : C trong cơ thể cũng giảm như trên sau khi chết Vì vậy,

có thể xác định tuổi các mẫu xương động vật tìm được trong các di chỉ bằngphương pháp này Phương pháp này cho phép tính được các khoảng thời gian từ

5 đến 55 thế kỉ

c ứng dụng tia gama

Chất côban 60

27Co phát ra tia có khả năng xuyên sâu lớn nên được dùng

để tìm khuyết tật trong các chi tiết máy (phương pháp tương tự như dùng tia X

để chụp ánh các bộ phận trong cơ thể), bao quán thực phẩm (vì tiadiệt các vikhuẩn), chữa bệnh ung thư v.v

2.3.2 Hướng dẫn học sinh phân loại bài tập và phương pháp giải 2.3.2.a Bài toán liên quan đến vận dụng định luật phóng xạ

a.1 Khối lượng còn lại và khối lượng bị phân rã

Phương pháp: Gọi khối lượng chất phóng xạ ban đầu là m0 thì đến thời điểm t khối lượng còn lại là m và khối lượng bị phân rã là m ta có:

Ví dụ 1: Sau 1 năm, khối lượng chất phóng xạ nguyên chất giảm đi 3 lần.

Hỏi sau 2 năm khối lượng chất phóng xạ trên giảm đi bao nhiêu lần so với banđầu?

Hướng dẫn: Đây là bài toán lập tỉ số hạt còn lại và số hạt tạo thành

Thời điểm sau 1 năm

t

t T

A 30 giờ B 45 giờ C 120 giờ D 60 giờ.

84Po nguyên chất Khối lượng trong mẫu 210

84Po ở các thời điểm t = t0 , t =t0 + 2t và t = t0 + 3t (t >0 ) có giá trị lần lượt là m0, 8g và 1g Giá trị của m0

Phương pháp: Số hạt nhân chất phóng xạ ban đầu 0

A 23,9.1021 B 2,39.1021 C 3.29.1021 D 32,9.1021

Hướng dẫn

9,5 t

84 Pocòn lại Giá trị của t bằng

A 552 ngày B 414 ngày C 828 ngày D 276

Sử dụng máy tính Casio và gán ẩn ta có kết quả t = 414 ngày  Chọn B

Ví dụ 7: Một hỗn hợp phóng xạ có hai chất phóng xạ X và Y Biết chu kì

bán rã của X và Y lần lượt là T1 = 1 h và T2 = 2 h và lúc đầu số hạt X bằng sốhạt Y Tính khoảng thời gian để số hạt nguyên chất của hỗn hợp chỉ còn một nửa

Sử dụng máy tính Casio và gán ẩn ta có kết quả t = 1,39giờ  Chọn D

a.3 Phần trăm còn lại, phần trăm bị phân rã

Phương pháp: Phần trăm chất phóng xạ còn lại sau thời gian t:

Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã sau thời gian t:

Ví dụ 1: (ĐH−2008) Một chất phóng xạ có chu kỳ bán rã là 3,8 ngày Sau

thời gian 11,4 ngày thì độ phóng xạ (hoạt độ phóng xạ) của lượng chất phóng xạcòn lại bằng bao nhiêu phần trăm so với độ phóng xạ của lượng chất phóng xạban đầu?

Hướng dẫn:

t T cl

Ví dụ 2: (CĐ − 2009) Gọi  là khoảng thời gian để số hạt nhân của một

đồng vị phóng xạ giảm đi bốn lần Sau thời gian 2 số hạt nhân còn lại của đồng

vị đó bằng bao nhiêu phần trăm số hạt nhân ban đầu?

2 T

Ví dụ 3: (ĐH – 2007) Giả sử sau 3 giờ phóng xạ (kể từ thời điểm ban

đầu) số hạt nhân của của một đồng vị phóng xạ còn lại bằng 25% số hạt nhânban đầu Chu kì bán rã của đồng vị phóng xạ đó bằng

A 2 giờ B 1,5 giờ C 0,5 giờ D 1 giờ.

Sử dụng máy tính Casio và gán ẩn ta có kết quả T= 1,5 giờ => Chọn B

Ví dụ 4: Một lượng hỗn hợp gồm hai đồng vị với số lượng hạt nhân ban

đầu như nhau Đồng vị thứ nhất có chu kì bán rã là 2,4 ngày, đồng vị thứ hai cóchu kì bán rã là 40 ngày Sau thời gian t1 thì có 87,75% số hạt nhân trong hỗnhợp bị phân rã, sau thời gian t2 thì có 75% số hạt nhân của hỗn hợp bị phân rã

a.4 Số hạt nhân con tạo thành

Phương pháp: Vì cứ mỗi hạt nhân mẹ bị phân rã tạo thành một hạt nhâncon nên số hạt nhân con tạo thành đúng bằng số hạt nhân mẹ bị phân rã:

a.5 Khối lượng hạt nhân con

Phương pháp: khối lượng hạt nhân con tạo thành

t

t T

82 Pb Cho chu kì bán rã của 210

84 Polà 138 ngày Ban đầu (t = 0) có mộtmẫu pôlôni nguyên chất Tại thời điểm t1, tỉ số giữa số hạt nhân pôlôni và số hạtnhân chì trong mẫu là 1/3 Tại thời điểm t2 = t1 + 276 ngày, tỉ số giữa số hạt nhânpôlôni và số hạt nhân chì trong mẫu là

Hướng dẫn: Đến thời điểm t, số hạt nhân Po210 còn lại và số hạt nhân

chì 208Pb tạo thành lần lượt là:

1

t T

A 95 ngày B 105 ngày C 83 ngày D 33 ngày.

Hướng dẫn:

t t

Sử dụng máy tính Casio và gán ẩn ta có kết quả t1 = 95 ngày  Chọn A

a.7 Số hạt (khối lượng) hạt nhân con được tạo ra từ t 1 đến t 2

Phương pháp: Phân bố số hạt nhân mẹ còn lại theo trục thời gian:

Số hạt nhân con tạo ra từ thời điểm t1đến thời điểm t2 đúng bằng số hạt nhân mẹ

bị phân rã trong thời gian đó: tT1 tT2

Chú ý: Nếu liên quan đến số hạt bị phân rã trong các khoảng thời gian

khác nhau thì ta tính cho từng khoảng rồi lập tỉ số N'

N

Ví dụ 1: Một mẫu 226Ra nguyên chất có tổng số nguyên tử là 6,023.1023.Sau thời gian nó phóng xạ tạo thành hạt nhân 222Rn với chu kì bán rã 1570(năm), số hạt nhân 222Rn được tạo thành trong năm thứ 786 là

A 1,7.1020 B 1,8.1020 C 1,9.1020 D 2,0.1020

Hướng dẫn: Ta chọn t1 = 785 năm và t2 = 786 năm.

0.2 (1 2 )

t t t

A 35,83 (g) B 35.82 (g) C 35,84 (g) D 35,85 (g) Bài 2: Ban đàu có một mẫu 210Po nguyên chất khối lượng 1 (g) sau một thời gian

nó phóng xạ α và chuyển thành hạt nhân 206Pb Biết chu kì bán rã 210Po là 138ngày Sau bao lâu mẫu chất đó chỉ còn 50 mg

A 595,4 ngày B 596 ngày C 567,4 ngày D 566 ngày Bài 3: Một hỗn họp phóng xạ có hai chất phóng xạ X và Y Biết chu kì bán rã

của X và Y lần lượt là T1 = 1 h và T2 = 2 h và lúc đầu số hạt X gấp đôi số hạt Y.Tính khoảng thời gian để số hạt nguyên chất của hỗn hợp chỉ còn một nửa số hạtlúc đầu

Bài 4: Một hỗn hợp phóng xạ có hai chất phóng xạ X và Y Biết chu kì bán rã

của X và Y lần lượt là T1 = 1 h và T2 = 2 h và lúc đầu số hạt X bằng một nửa sốhạt Y Tính khoảng thời gian để số hạt nguyên chất của hỗn hợp chỉ còn một nửa

số hạt lúc đầu

A 1,24 h B 1,57 h C 1,42 h D 1,39 h.

Bài 5: Một hỗn hợp phóng xạ có hai chất phóng xạ X và Y Biết chu kì bán rã

của X và Y lần lượt là T1 = 1 h và T2 = 2 h và lúc đầu số hạt X bằng số hạt Y.Tính khoảng thời gian để số hạt nguyên chất của hỗn họp chỉ còn một phần ba

số hạt lúc đầu

A 0,69 h. B 1,5 h C 2,26 h D 1,39 h.

Bài 6: Radon 222Rn là chất phóng xạ có chu kì bán rã là 3,8 ngày Cho biết sốAvôgađro là 6,02.1023 Một mẫu 222Rn có khối lượng 2 mg sau 19 ngày còn baonhiêu nguyên tử chưa phân rã

A 1,69.1017 B 1,69.1020 C 0,847.1017 D 0,847.1018

Bài 7: Khối chất phóng xạ 222Rn có chu kỳ bán rã 3,8 ngày, số phần trăm chấtphóng xạ Radon bị phân rã trong thời gian 1,5 ngày là

A 23,9% B 76,1% C 3,7% D 33,8% Bài 8: Một chất phóng xạ có chu kì bán rã là 71,3ngày Sau 30 ngày phần trăm

đã bị phân rã là

A 25% B 35% C 45% D 75% Bài 9: Một lượng chất phóng xạ, sau 2h độ phóng xạ của nó giảm đi 4 lần Hỏi

sau 6h độ phóng xạ của chất đó còn lại bao nhiêu phần trăm so với ban đầu

A 1,4% B 1,5% C 1,6% D 1,7% Bài 10: Ban đầu một lượng chất phóng xạ nguyên chất, sau thời gian ba chu kì

bán rã lượng chất phóng xạ bị mất là

Bài 37: Một lượng hỗn hợp gồm hai đồng vị với số lượng hạt nhân ban đầu như

nhau Đồng vị thứ nhất có chu kì bán rã là 2,4 ngày, đồng vị thứ hai có chu kibán rã là 3 ngày Sau thời gian t thì có 87% số hạt nhân trong hỗn họp đã bị phân

rã Tìm t

A 0,61ngày B 0,58 ngày C 0,54 ngày D 7,95 ngày Bài 11: Đồng vị 210Po phóng xạ α và biến thành một hạt nhân chì 206Pb Chu kibán rã của 210Po là 138 ngày Ban đầu mẫu chất 210Po có khối lượng 1 (g) sauthời gian 1 năm thì thể tích hêli ở điều kiện tiêu chuẩn (1 mol khí trong điều kiệntiêu chuẩn chiếm một thể tích 22,4 lít) được giải phóng là bao nhiêu?

A 89,4 ml B 89,5 ml C 89,6 ml D 89,7 ml Bài 12: Một nguồn phóng xạ 224Ra ban đầu có khối lượng 35,84 g Biết sốAvogađro 6,023.1023 Cứ mỗi hạt 224Ra khi phân rã tạo thành 1 hạt anpha Sau

14,8 ngày nó tạo ra 3347 cm3 khí Hêli ở đktc Chu kì bán rã của 224Ra là

A 3,7 ngày B 3,5 ngày C 3,6 ngày D 3,8 ngày Bài 13: Lúc đầu 2 g chất phóng xạ Poloni 210Po sau thời gian t tạo ra 179,2 cm3khí Heli ở điều kiện chuẩn Chu kì bán rã của 210Po là 138 ngày Biết một hạt

210Po khi phân rã cho một hạt anpha và 1 năm có 365 ngày Giá trị t là

A 365 ngày B 366 ngày C 367 ngày D 368 ngày Bài 14: Đồng vị 24Na là chất phóng xạ 

 và tạo thành đồng vị của mage với chu

ki bán rã 15 h Một mẫu đồng vị 24Na nguyên chất có khối lượng ban đầu 0,24 g.Cho biết số Avôgađro là 6,02.1023 Xác định khối lượng mage tạo thành sau 45 h

A 0,21 g B 0,22 g C 0,2 g D 0,03g.