Bài 2 PHẢN ỨNG hạt NHÂN

+ Phát biểu được các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân.. + Phân biệt được phản ứng tỏa năng lượng và phản ứng thu năng lượng  Kĩ năng + Viết được phương trình phản ứng hạt nh

BÀI 2: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Mục tiêu

 Kiến thức

+ Trình bày được khái niệm về phản ứng hạt nhân

+ Phát biểu được các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

+ Phân biệt được phản ứng tỏa năng lượng và phản ứng thu năng lượng

 Kĩ năng

+ Viết được phương trình phản ứng hạt nhân

+ Tính được năng lượng tỏa ra hoặc thu vào của phản ứng hạt nhân

+ Vận dụng được các định luật bảo toàn để tính được các thông số động năng, vận tốc các hạt sinh ra sau phản ứng

I LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Phản ứng hạt nhân

Là mọi quá trình dẫn tới sự biến đổi hạt nhân, cũng

có thể hiểu đó là quá trình tương tác giữa các hạt

nhân để tạo ra các hạt nhân khác đồng thời hấp thụ

hoặc tỏa ra năng lượng

1 1 2 2 3 3 4 4

A

Z X  Z X  Z X Z X

2 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt

nhân

a Định luật bảo toàn số Z (điện tích hạt nhân):

Z Z Z Z

b Định luật bảo toàn số khối:

A A A A

c Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần:

K K  m m c K K  m m c

d Định luật bảo toàn vectơ động lượng P :

p  p  p p Với pm v

Chú ý:

 Trong vật lý hạt nhân, không có định luật bảo

toàn khối lượng

 Phóng xạ cũng là một phản ứng hạt nhân tỏa năng

lượng

3 Phản ứng hạt nhân tỏa – thu năng lượng

Cho phản ứng hạt nhân tổng quát

X X X X (1) Gọi

t

m m m là tổng khối lượng của các hạt nhân

trước phản ứng

s

m m m là tổng khối lượng của các hạt nhân

sau phản ứng

+ Nếu m t m s  phản ứng hạt nhân tỏa năng

Mô hình phản ứng hạt nhân giữa nơtron và hạt nhân uranium

Một số ví dụ về phản ứng hạt nhân

7N2He 9F 0Y

4Be1H 3Li2He

9F2He10Ne1H

Khi giải các bài tập về phản ứng hạt nhân ta thường phải vẽ giản đồ véctơ động lượng, và biểu thức cho định luật bảo toàn động lượng được thể hiện dưới dạng hệ thức lượng trong tam giác (định

lý hàm số cos) Từ đó chuyển mối liên hệ về động lượng sang mối liên hệ về động năng

Thông thường, hạt nhân X trong phương trình (1) 2 đứng yên Do đó động năng K và động lượng P của

nó bằng không Vậy nên có thể xác định giản đồ véctơ của phản ứng

lượng   2

t s

  

+ Nếu m t m s  phản ứng hạt nhân thu năng

s t

W  m m c

Năng lượng của phản ứng dưới dạng động năng các

hạt

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HÓA

II CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Phản ứng hạt nhân chưa biết trong phản ứng hạt nhân

Phương pháp giải

Ví dụ: Cho phản ứng hạt nhân:

A Z

Bo X   Be Hạt nhân X là

A 31T. B 12D

Định luật bảo toàn Z

Z Z Z Z

Định luật bảo toàn số khối

A A A A

Định luật bảo toàn

năng lượng toàn phần

K K  m m c

Định luật bảo toàn

véctơ động lượng

PP P P

Liên hệ giữa động lượng

và động năng

2

p  mK

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

3

1 1 2 2 3 3 4 4

A

Z X Z X  Z X Z X

Năng lượng của phản ứng hạt nhân

m m m

mm m

0

m  m Tỏa năng lượng

0

m  m Thu năng lượng

Năng lượng tỏa ra/thu vào dưới dạng động năng các hạt

0

W  m m c

0

   

       

LK LK LK LK

Các định luật bảo toàn

Bước 1: Hoàn chỉnh các kí hiệu hạt nhân còn thiếu

trong phản ứng hạt nhân về dạng đầy đủ:

3

1 1 2 2 3 3 4 4

A

Z X Z X Z X Z X

Ghi nhớ: 4 1 1 0 0 1 2 3

2,0n p,1 , 1,1,1H,1D T,1 ,

Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn điện tích hạt

nhân Z1Z2 Z3Z4 và định luật bảo toàn số

khối A1A2  A3A4 để tìm hạt nhân chưa biết

C 01n. D 11p

Hướng dẫn giải

Bước 1: Phương trình phản ứng:

A Z

Bo X   Be

1

D

     

Vậy hạt nhân X là 2

1D

Chọn B

Ví dụ mẫu

Ví dụ 1: Cho phương trình phản ứng: 23592U n Z A X 4193Nb3n7. Trong đó Z, A là

A Z58;A143 B Z44;A140.

C Z58;A140 D Z58;A139

Hướng dẫn giải

92U 0n Z A X 41Nb 30n 7 1



Ta có:

 

Chọn C

1

0

3.1 3

3

3.0 0

A

n

Z

 



   

Ví dụ 2: Cho phản ứng hạt nhân: X 199F 24He168O Hạt X là

Hứng dẫn giải

Phương trình phản ứng: 19 4 16

A

Z X  F  He O

p

     

Vậy X là hạt prôtôn

Chọn D

Bài toán 2: Phản ứng tỏa – thu năng lượng

Phương pháp giải

Ví dụ: Cho phản ứng hạt nhân:

11Na1H 2He10Ne Lấy khối lượng các

Bước 1: Phương trình phản ứng: X1X2X3X4

 



  

Bước 2:

+ Nếu m0 m hoặc m0  m phản ứng hạt nhân

0

+ Nếu m0 m hoặc m0  m phản ứng hạt nhân

0

hạt nhân 1123Na;1020Ne He H;24 ;11 lần lượt là

22,9837 u; 19,9869 u; 4,0015 u; 1,0073 u và

2

1u931,5MeV c/ 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

Hướng dẫn giải

Bước 1: 0 22,9837 1, 0073 23,991

4, 0015 19,9869 23,9884



Bước 2: Vì m0  m phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng

0 23, 991 23, 9884

0, 0026.931,5 2, 4219 MeV

Chọn C

Ví dụ mẫu

Ví dụ 1: Cho phản ứng hạt nhân: 31T21D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931,5MeV c/ 2 Năng lượng tỏa ra của phản ứng xấp xỉ bằng:

A 15,017 MeV B 200,025 MeV C 17,498 MeV D 21,076 MeV

Hướng dẫn giải

Ta có phương trình phản ứng: 3 2 4 1

1T 1D2He0n Năng lượng tỏa ra của phản ứng là:

W    m m c  m  m  m c

0, 030382 0, 009106 0, 002491 931, 5 17, 498 MeV

Chọn C

Nơtron 1

0n không có độ hụt khối

Năng lượng tỏa ra từ phản ứng được tính:

0

W  m m c

  2

0

   

0

lk lk

Ví dụ 2: Cho phản ứng hạt nhân sau: 12H12H 24He01n3, 25MeV Biết độ hụt khối của 21H là

0, 0024

D

  và 1u931,5 MeV c/ 2 Năng lượng liên kết hạt nhân 4

2He là

A 7,72 MeV B 5,22 MeV C 9,24 MeV D 8,52 MeV

Hướng dẫn giải

Ta có năng lượng tỏa ra từ phản ứng là 3,25 MeV

He

lk D

3, 25 2.0, 0024.931,5 7, 72

He

lk

Chọn A

3, 25 MeV 0

   phản ứng tỏa năng lượng

Ví dụ 3: Cho phản ứng hạt nhân: 3 2 4

1T1 D2 He X 17, 6 MeV Năng lượng tỏa ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 2 g heli là

A 52,976.10 MeV 23 B 5, 2976.10 MeV 23

2, 012.10 MeV

Hướng dẫn giải

Ta có năng lượng tỏa ra từ phản ứng là 17,6 MeV

Số nguyên tử heli có trong 2 g heli là:

2

.6, 02.10 3, 01.10

4

A

m

A

Năng lương tỏa ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 2 g heli là:

17, 6.3, 01.10 52,976.10

Chọn A

Số Avôgađrô:

23 1

6, 02.10

A

Bài tập tự luyện dạng 1

Bài tập cơ bản

Câu 1: Cho phản ứng hạt nhân: 37 37

Z

Cl X  n Ar Trong đó Z, A là

A Z1,A1. B Z2,A3. C Z1,A3. D Z2,A4

Câu 2: Cho phản ứng hạt nhân sau: 42He147 N  X 11H Hạt nhân X là

A 1910Ne. B 178 O. C 43Li. D 94He

Câu 3: Trong phản ứng hạt nhân: 12D12 D X p và 1123Na  p Y 1020Ne thì X và Y lần lượt là

A Triti và  B Prôtôn và  C Triti và đơteri D  và triti

Câu 4: Cho phản ứng sau: 25 22

12MgX 11 Na Hạt nhân X là

A pôzitron B nơtron C êlectron D prôtôn

Câu 5: Hạt nhân 1124Na phân rã 

và biến thành hạt nhân X Số khối A và nguyên tử số Z là

A A24;Z10 B A23;Z12.

C A24;Z12 D A24;Z11

Câu 6: Cho phản ứng: 238 206

92U 82 Pbxy Giá trị x và y là

A x6,y8 B x5,y 12.

C x8,y6 D x 12,y5

Câu 7: Sau bao nhiêu lần phóng xạ  và bao nhiêu lần phóng xạ 

thì hạt nhân 23290 Th biến đổi thành

hạt nhân 82206Pb?

A 4 lần phóng xạ  ; 6 lần phóng xạ 

B 6 lần phóng xạ  ; 8 lần phóng xạ 

C 8 lần phóng xạ  ; 6 lần phóng xạ 

D 6 lần phóng xạ  ; 4 lần phóng xạ 

Câu 8: Cho phản ứng hạt nhân: 12D12 DA Z X 10n Biết độ hụt khối của hạt nhân D và hạt nhân X lần

lượt là m D 0, 0024 ;u m X 0, 0083 u Cho 1u931,5 MeV c/ 2 Phản ứng này

A tỏa năng lượng là 3,24 MeV B thu năng lượng là 3,26 MeV

C thu năng lượng là 4,24 MeV D tỏa năng lượng là 3,26 MeV

Câu 9: Cho phản ứng hạt nhân: 1737Cl11H 1837 Ar10n Biết m Cl 39,956563 ;u m H 1, 007276 ;u

2 36,956889 ; 1, 008665 ;1 931,5 /

A thu vào 3,2 MeV B thu vào 1,6 MeV

Câu 10: Giả sử trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng của các hạt trước phản ứng nhỏ hơn tổng

khối lượng của các hạt sau phản ứng là 0,02 u Phản ứng hạt nhân này

A tỏa năng lượng 1,863 MeV B tỏa năng lượng 18,63 MeV

C thu năng lượng 1,863 MeV D thu năng lượng 18,63 MeV

Câu 11: Cho phản ứng hạt nhân: 13T12 D  n Biết m T 3, 01605 ;u m D 2, 01411 ;u m 4, 00260u

; m n 1, 00867 ;1u u931,5MeV c/ 2 Năng lượng tỏa ra khi 1 hạt  được hình thành là

A 17,6 MeV B 23,4 MeV C 11,04 MeV D 16,7 MeV

Câu 12: Pôlôni 210

84 Po phóng xạ  và biến đổi thành chì Pb Biết khối lượng các hạt nhân Po; ; Pb lần

lượt là 209,937303 u; 4,001506 u; 205,929442 u và 2

1u931,5MeV c/ Năng lượng tỏa ra khi 1 hạt nhân pôlôni phân rã xấp xỉ bằng

A 5,92 MeV B 2,96 MeV C 29,60 MeV D 59,20 MeV

Câu 13: Trong phản ứng hạt nhân không có sự bảo toàn

A số nuclôn B động lượng C số nơtron D năng lượng toàn phần Bài tập nâng cao

Câu 14: Biết khối lượng của các hạt nhân m C 12, 0000 ;u m 4, 0015 ;u m p 1, 0073 ;u m n 1, 0087u và

1u931,5MeV c/ ;1eV 1, 6.10 J Năng lượng cần thiết tối thiểu để chia hạt nhân 12

6 C thành 3 hạt 

là

A 1, 43.1011J B 6, 7.1013J. C 6, 7.1015J. D 6, 7.1017J

Câu 15: Tổng hợp hạt nhân heli 42He từ phản ứng hạt nhân 11H 73 Li42 HeX Mỗi phản ứng trên tỏa

năng lượng 17,3 MeV Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 0,5 mol heli là

A 1,3.1024MeV B 2, 6.1024MeV C 5, 2.1024MeV D 2, 4.1024MeV

Câu 16: Xét phản ứng: n23592 U 14058 Ce9341Nb3n7 e Cho năng lượng liên kết riêng 235U là 7,7 MeV/nuclôn; của 140Ce là 8,43 MeV/nuclôn; của 93Nb là 8,7 MeV/nuclôn Năng lượng tỏa ra ở phản ứng

trên bằng

A 179,8 MeV B 173,4 MeV C 82,75 MeV D 128,5 MeV

Dạng 2: Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Bài toán 1: Xác định góc, động năng và vận tốc của các hạt trong phản ứng hạt nhân

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định các đại lượng đề bài đã cho và

quy đổi về đơn vị chuẩn Viết phương trình phản

ứng

Bước 2: Áp dụng các định luật:

Bảo toàn động lượng:

p p  p  p với pmv

Bảo toàn năng lượng:

W W  m m c W W  m m c

Ví dụ: Bắn 1 hạt  vào hạt nhân nitơ 14

7 N đang đứng yên tạo ra phản ứng 4 14 1 17

2He7 N 1 H8 O Năng lượng của phản ứng là  E 1, 21MeV Giả

sử hai hạt sinh ra có cùng vectơ vận tốc Động năng của hạt  là

A 1,36 MeV B 1,65 MeV

C 1,63 MeV D 1,56 MeV

Hướng dẫn giải

Bước 1: Năng lượng tỏa ra của phản ứng là

1, 21

Bước 2: Theo định luật bảo toàn động lượng ta có:

m v   m m v (với v là vận tốc hai hạt sau

9

H O

m v

 



2 2 2 2

m v

K     v

Lưu ý:

- Không có định luật bảo toàn khối lượng

- Mối quan hệ giữa động lượng p và động năng K

là p22mK

- Sử dụng phương pháp hình học giải bài toán

2 2

H O

2

4 2

9v 9K

 

H O

K K K   E K K  K  E

9

1,56 7

Chọn D

Ví dụ mẫu

Ví dụ 1: Bắn hạt nhân  có động năng 18 MeV vào hạt nhân 147 N đứng yên ta có phản ứng

7 N 8 O p

   Biết các hạt nhân sinh ra cùng vectơ vận tốc Cho m 4, 0015 ;u m p 1, 0072 ;u

13,9992 ; 16,9947

m  u m  u Cho 1u931,5MeV c/ 2 Động năng của hạt prôtôn sinh ra là

A 0,111 MeV B 0,938 MeV C 0,333 MeV D 0,555 MeV

Hướng dẫn giải

1,1178

N O p

16,8822

C p

K K K   E MeV

2 2

;

p p

O O

m v

m v

O p

16,8822

0,9379

o p

p

Chọn B

Ví dụ 2: Dùng 1 prôtôn có động năng 5,45 MeV bắn vào hạt nhân 84Be đang đứng yên Phản ứng tạo ra

hạt nhân X và hạt nhân  Hạt  bay ra theo phương vuông góc với phương tới của prôtôn và có động

năng 4 MeV Khi tính động năng của các hạt, lấy khối lượng của các hạt tính theo đơn vị khối lượng

nguyên tử bằng số khối của chúng Năng lượng tỏa ra trong phản ứng này bằng

A 3,125 MeV B 4,225 MeV C 1,145 MeV D 2,125 MeV

Hướng dẫn giải

Phương trình phản ứng: 9 4 6

p Be He Li

1, 45

Li p Li

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: p p  p Li p và p  p p

3, 575 s

2,125

Chọn D

Bài tập tự luyện dạng 2

Câu 1: Hạt  có năng lượng là K 3,1MeV va chạm vào hạt nhôm đứng yên gây ra phản ứng

13 Al 15 P n

   Biết khối lượng các hạt m 4, 0015 ;u m Al 26,97435 ;u m p 29,97005 ;u

1, 00867 ;

n

1u931,5MeV c/ Giả sử hai hạt sinh ra có cùng vận tốc Động năng của hạt n là

A 0,8716 MeV B 0,9367 MeV C 0,2367 MeV D 0,0138 MeV

Câu 2: Ta dùng prôtôn có 2,0 MeV vào hạt nhân 73Li đứng yên thì thu hai hạt X có cùng động năng

Năng lượng liên kết của hạt nhân X là 28,3 MeV và độ hụt khối của hạt 7

3Li là 0,0421 u Cho

2

1u931,5MeV c/ Khối lượng hạt nhân tính theo u xấp xỉ bằng số khối Tốc độ của hạt nhân X bằng

A 1,96m s / B 2, 20m s / C 2,16.107m s / D 1,93.107m s /

Câu 3: Dùng hạt prôtôn có động năng K p 5, 45MeV bắn vào hạt nhân Beri đứng yên tạo ra phản ứng

1H4Be2 He3 Li Heli sinh ra bay theo phương vuông góc với phương chuyển động của prôtôn Biết động năng của heli là K 4MeV và khối lượng các hạt tính theo đơn vị u bằng số khối của chúng

Động năng của hạt liti có giá trị là

A 46,565 MeV B 3,575 MeV C 48,565 MeV D 12,87 MeV

Câu 4: Dùng prôtôn có động năng K bắn vào hạt nhân 1 94Be đứng yên gây ra phản ứng

p Be  Li Phản ứng này tỏa ra năng lượng W2,1MeV Hạt nhân 63Li và hạt  bay ra với các động năng lần lượt bằng K23,58MeV K; 34MeV Lấy gần đúng khối lượng các hạt nhân, tính

theo đơn vị u, bằng số khối Góc giữa các hướng chuyển động của hạt  và hạt p là

A 45  B 90  C 75  D 120 

Câu 5: Người ta dùng hạt prôtôn bắn vào hạt nhân 73Li đứng yên, để gây ra phản ứng 11H37Li2 

Biết phản ứng tỏa năng lượng và hai hạt  có cùng động năng Lấy khối lượng các hạt theo đơn vị u gần

bằng số khối của chúng Góc  tạo bởi hướng của các hạt  có thể là

A Giá trị bất kì B 60  C 160  D 120 

Câu 6: Cho prôtôn có động năng K p 2, 25MeV bắn phá hạt nhân Liti 73Li đứng yên Sau phản ứng xuất hiện hai hại X giống nhau, có cùng động năng và có phương chuyển động hợp với phương chuyển động của prôtôn góc  như nhau Cho biết m p 1, 0073 ;u m Li 7, 0142 ,u m x 4, 0015 ,u

2

1u931,5MeV c/ Coi phản ứng không kèm theo phóng xạ gamma Giá trị của góc  là

A 39, 45  B 41,35  C 78,9  D 83, 07 

Câu 7: Cho phản ứng hạt nhân: 12D12D32 He10n Biết độ hụt khối của 12D là (m D0, 0024 ;u

0, 0505

He

  và 1u931,5MeV c/ 2; N A6, 022.1023mol1 Nước trong tự nhiên có chứa 0,015% 2

D O , nếu toàn bộ 12D được tác ra từ 1 kg nước làm nhiên liệu dùng cho phản ứng trên thì tỏa ra năng lượng là

A 3, 46.108kJ B 1, 73.1010kJ C 3, 46.1010kJ D 30, 76.106kJ

Câu 8: Bắn hạt prôtôn có động năng 5,5 MeV vào hạt nhân 37Li đang đứng yên gây ra phản ứng hạt nhân 7

p Li  Giả sử phản ứng không kèm theo bức xạ  , hai hạt  có cùng động năng và bay theo hai hướng tạo với nhau góc 160  Coi khối lượng của mỗi hạt tính theo đơn vị u gần bằng số khối của nó

Năng lượng mà phản ứng tỏa ra là

A 14,6 MeV B 10,2 MeV C 17,3 MeV D 20,4 MeV

Câu 9: Bắn hạt  vào hạt nhân nguyên tử nhôm đang đứng yên gây ra phản ứng: 4 27 30 1

2He13 Al15 P0n

Biết phản ứng thu năng lượng là 2,70 MeV; giả sử hai hạt tạo thành bay ra với cùng vận tốc và phản ứng

không kèm bức xạ  Lấy khối lượng của các hạt tính theo đơn vị u có giá trị bằng số khối của chúng

Động năng của hạt  là

A 2,70 MeV B 3,10 MeV C 1,35 MeV D 1,55 MeV

Câu 10: Dùng hạt  bắn phá hạt nhân nitơ đang đứng yên thì thu được một hạt prôtôn và hạt nhân ôxi theo phản ứng: 4 14 17 1

27 N 8 O1 p Biết khối lượng các hạt trong phản ứng trên là: m 4, 0015 ;u

13,9992

N

m  u; m O 16,9947 ;u m p 1, 0073u Cho uc2931,5MeV Nếu bỏ qua động năng của các hạt sinh ra thì động năng tối thiếu của hạt là  là

A 3,007 MeV B 1,211 MeV C 29,069 MeV D 1,503 MeV

ĐÁP ÁN VÀ LỜI GIẢI Dạng 1: Phản ứng hạt nhân và Năng lượng tỏa ra từ phản ứng

1 – A 2 – B 3 – A 4 – D 5 – C 6 – C 7 – D 8 – D 9 – B 10 – D

11 – A 12 – A 13 – D 14 – B 15 – B 16 – A

Dạng 2: Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

1 – D 2 – C 3 – B 4 – B 5 – C 6 – D 7 – D 8 – C 9 – B 10 – B