Bài 54: Phản ứng hạt nhân - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao

Bài C1 (trang 275 SGK Vật Lí 12 nâng cao): Nêu một ví dụ về phản ứng hạt nhân xảy ra trong thiên nhiên mà em biết?

Bài giải:

Một ví dụ về phản ứng hạt nhân xảy ra trong thiên nhiên như sau:

Phản ứng của nơtron tương tác với hạt nhân trong khí quyển tạo nên phản ứng:

Bài C2 (trang 275): So sánh phản ứng hạt nhân và phản ứng hoá học.

Bài giải:

So sánh:

+ Phản ứng hạt nhân là tương tác giữa các hạt nhân dẫn đến sự biến đổi của chúng thành các hạt nhân khác.

+ Phản ứng hoá học là phản ứng xảy ra ở lớp vỏ các nguyên tử và kết hợp thành phân tử mới, còn bản thân các hạt nhân nguyên tử trước và sau phản ứng không thay đổi.

Bài C3 (trang 275): Viết định luật bảo toàn số nuclôn và điện luật bảo toàn điện tích cho phản ứng hạt nhân sau:

Bài giải:

+ Định luật bảo toàn số nuclôn: A₁ + A₂ = A₃ + A₄

+ Định luật bảo toàn điện tích: Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

Bài C4 (trang 276): Áp dụng các định luật bảo toàn, hãy viết phương trình đầy đủ của phản ứng hạt nhân nhân tạo do hai ông bà Giô-li-ô-Quy-ri thực hiện năm 1934. Cho biết hạt nhân có Z = 14 là hạt nhân silic (Si).

Bài giải:

Phương trình đầy đủ của phản ứng hạt nhân nhân tạo do hai ông bà Giô-li-ô-Quy-ri thực hiện năm 1934 như sau:

Hạt nhân lại tiếp tục phóng xạ

Bài C5 (trang 278): Tính năng lượng toả ra khi 1 kg urani 235U bị phân hạch theo phản ứng (54.7).

Bài giải:

Xét phản ứng phân hạch:

Cứ mỗi hạt phân hạch toả năng lượng 185 MeV. Số hạt nhân ²³⁵U có trong khối lượng m = 1 (kg).

⇒ năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn 1 kg Urani:

E = 185. N = 185.2,56.10²⁴ = 474.10²⁴ MeV = 4,74.10²⁶ MeV

Với 1 MeV = 1,6.10^-13 (J) ⇒ E = 7,58.10¹³ (J).

Câu 1 (trang 278 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Thế nào là phản ứng hạt nhân?

Bài giải:

* Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi của các hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân chia thành 2 loại:

+ Phản ứng hạt nhân tự phát (phóng xạ): Quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác: A ⇒ C + D. (Trong đó: A: hạt nhân mẹ; C: hạt nhân con; D: tia phóng xạ (α, β, γ))

+ Phản ứng hạt nhân kích thích: Quá trình các hạt nhân tương tác với nhau thành các hạt nhân khác.

A + B ⇒ C + D

Câu 2 (trang 278): Nêu và giải thích các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân.

Bài giải:

Phương trình phản ứng:

Trong số các hạt này có thể là hạt sơ cấp như:

* Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân đó là:

- Định luật bảo toàn số nuclôn (số khối): A₁ + A₂ = A₃ + A₄

- Định luật bảo toàn điện tích (nguyên tử số): Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

(Trong đó: Δ E là năng lượng phản ứng hạt nhân (Δ E > 0 toả năng lượng, Δ E < 0 thu năng lượng); K_X là động năng chuyển động của hạt X. )

Lưu ý: Phóng xạ hay phản ứng hạt nhân không tuân theo định luật bảo toàn khối lượng, năng lượng nghỉ, số proton, notron, electron, cơ năng (năng lượng cơ học).

Câu 3 (trang 278): Điều kiện để một phản ứng tỏa năng lượng là gì? Vì sao sự phóng xạ là phản ứng tỏa năng lượng? Nêu ví dụ về hai phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

Bài giải:

Năng lượng thu – tỏa của phản ứng hạt nhân:

Δ E = (m₀ - m).c² ()

Trong đó:

m₀ = m_X1 + m_X2 là tổng khối lượng các hạt nhân trước phản ứng.

m = m_X3 + m_X4 là tổng khối lượng các hạt nhân sau phản ứng.

* Nếu m₀ > m ⇔ Δ E > 0 phản ứng toả năng lượng Δ E dưới dạng động năng của các hạt X₃, X₄ hoặc phôtôn γ. Trong phản ứng toả năng lượng các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn.

* Nếu m₀ < m ⇔ Δ E < 0 phản ứng thu năng lượng |Δ E| dưới dạng động năng của các hạt X₁, X₂ hoặc phôtôn γ. Trong phản ứng thu năng lượng các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững.

* Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử của một số nguyên tố (kém bền vững) tự phóng ra các bức xạ rồi biến đổi thành hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố khác (bền vững hơn). Tức là các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn.

→ phản ứng toả năng lượng Δ E dưới dạng động năng của các hạt nhân con hoặc phôtôn γ.

* Ví dụ về hai phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng:

Lưu ý: Các hiện tượng: phóng xạ, phân hạch, nhiệt hạch luôn là phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

Bài 1 (trang 278 sgk Vật Lí 12 nâng cao): Trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng của các hạt tham gia

A. Được bảo toàn.

B. Tăng.

C. Giảm.

D. Tăng hoặc giảm tùy theo phản ứng.

Bài giải:

Đáp án đúng là: D.

Giải thích:

Trong một phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng của các hạt tham gia tăng hoặc giảm tùy theo phản ứng.

Bài 2 (trang 278): Trong dãy phân rã phóng xạ có bao nhiêu hạt α và β được phát ra?

A. 3α và 4β.

B. 7α và 4β.

C. 4α và 7β.

D. 7α và 2β.

Bài giải:

Đáp án đúng là: B

Hướng dẫn giải:

Gọi x là số hạt α và y là số hạt electron (β-).

Ta có:

Phân rã xảy ra tuân theo định luật bảo toàn số khối A và điện tích Z. Vậy ta có hệ phương trình:

235 = 207 + x. 4 + y. 0 (1)

92 = 82 + x. 2 + y (-1).

Từ (1) suy ra: x = 7. Thế vào (2) ta có y = 4.

Kết quả khẳng định: Hạt nhân đã phóng ra 7 hạt α và 4 electron.

Bài 3 (trang 278): Xác định hạt X trong các phản ứng sau đây:

Bài giải:

Áp dụng các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân ta được:

Bài 4 (trang 278): Cho phản ứng hạt nhân:

a) Xác định số khối, nguyên tử số và tên gọi hạt nhân X.

b) Phản ứng đó tỏa ra hay thu năng lượng. tính độ lớn của năng lượng tỏa ta hay thu đó theo đơn vị jun.

Cho biết: m_Ar = 36,956889u; m_Cl = 36,956563u; m_n = 1,008665u; m_p = 1,007276u.

Bài giải:

a) Xác định số khối, nguyên tử số và tên gọi hạt nhân X.

Từ phương trình phản ứng ta có hạt X có Z = 1; A = 1. Đó là hạt proton

Vậy phương trình phản ứng đầy đủ:

b) Ta có:

M₀ = m (Cl) + m (P) = 37,963839u;

M = m (Ar) + m (n) = 37,965559u

Ta thấy M > M₀: phản ứng thu năng lượng.

Độ lớn của năng lượng thu là:

Q = (M - M₀)c² = - 0,001720u. c² = 1,6022 MeV = 2,56.10^-13 J.

Bài trước: Bài 53: Phóng xạ - Giải BT Vật Lí 12 nâng cao