Câu hỏi mở đầu trang 96

Đề bài: Chiếc tem thư phát hành năm 1971 có in hình Rutherford và phương trình phản ứng hạt nhân được thực hiện lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1909. Người ta đã thực hiện thí nghiệm phát hiện phản ứng hạt nhân như thế nào? Các hạt nhân có thể biến đổi thành các hạt nhân khác không?

Lời giải:

• Người ta thực hiện thí nghiệm phát hiện phản ứng hạt nhân bằng cách dùng chùm hạt nhân này bắn phá vào một hạt nhân khác rồi quan sát các sản phẩm tạo thành.
• Ví dụ: Rutherford dùng chùm hạt alpha $\left(^{4}_{2}\text{He}\right)$ bắn phá hạt nhân $^{14}_{\phantom{1}7}\text{N}$ và thu được hạt nhân $^{17}_{\phantom{1}8}\text{O}$ cùng hạt nhân $^{1}_{1}\text{H}$.
• Kết quả này chứng tỏ: các hạt nhân có thể biến đổi thành các hạt nhân khác thông qua các phản ứng hạt nhân.

I. Phản ứng hạt nhân

Hoạt động trang 97

Đề bài: So sánh tổng số điện tích, tổng số nucleon của các hạt nhân trước và sau khi tương tác trong thí nghiệm như mô tả ở Hình 22.2.

Lời giải:

Phản ứng trong thí nghiệm của Blackett: $^{4}_{2}\text{He} + ^{14}_{\phantom{1}7}\text{N} \rightarrow ^{17}_{\phantom{1}8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$

• Tổng số điện tích (số proton):

• Trước tương tác: $2 + 7 = 9$
• Sau tương tác: $8 + 1 = 9$

• Tổng số nucleon (số khối):

• Trước tương tác: $4 + 14 = 18$
• Sau tương tác: $17 + 1 = 18$

Kết luận: Tổng số điện tích (9) và tổng số nucleon (18) của các hạt nhân trước và sau tương tác bằng nhau.

Câu hỏi trang 97

Đề bài: Hãy trình bày sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hoá học.

Lời giải:

Hoạt động trang 97 (tiếp)

Đề bài:

1. Hãy viết biểu thức liên hệ giữa các số khối và biểu thức liên hệ giữa các điện tích của các hạt nhân trong phản ứng hạt nhân:

$$^{A_1}_{Z_1}X_1 + ^{A_2}_{Z_2}X_2 \rightarrow ^{A_3}_{Z_3}X_3 + ^{A_4}_{Z_4}X_4$$

2. Khi bắn phá $^{235}_{\phantom{1}92}\text{U}$ bằng neutron $^{1}_{0}\text{n}$ người ta thấy chúng hợp nhất thành hạt nhân X, ngay sau đó hạt nhân X phân rã thành $^{99}_{42}\text{Mo}$, ba hạt neutron và một hạt nhân Y.a) Viết các phương trình phản ứng hạt nhân mô tả trong quá trình trên.b) Sử dụng bảng hệ thống tuần hoàn hãy xác định tên gọi và kí hiệu các hạt nhân X và Y.

Lời giải:

1.

Áp dụng định luật bảo toàn số nucleon và định luật bảo toàn điện tích, ta có:

• Bảo toàn số khối: $A_1 + A_2 = A_3 + A_4$
• Bảo toàn điện tích: $Z_1 + Z_2 = Z_3 + Z_4$

2.

a) Các phương trình phản ứng:

• Phản ứng 1 (neutron kết hợp với uranium tạo hạt nhân X):

$$^{1}_{0}\text{n} + ^{235}_{\phantom{1}92}\text{U} \rightarrow ^{A}_{Z}X$$

Áp dụng bảo toàn: $A = 1 + 235 = 236$; $Z = 0 + 92 = 92$

→ Phương trình 1: $^{1}_{0}\text{n} + ^{235}_{\phantom{1}92}\text{U} \rightarrow ^{236}_{\phantom{1}92}X$

• Phản ứng 2 (hạt nhân X phân rã):

$$^{236}_{\phantom{1}92}X \rightarrow ^{99}_{42}\text{Mo} + 3\, ^{1}_{0}\text{n} + ^{A’}_{Z’}Y$$

Áp dụng bảo toàn:

• $A’ = 236 – 99 – 3 \times 1 = 134$
• $Z’ = 92 – 42 – 3 \times 0 = 50$

→ Phương trình 2: $^{236}_{\phantom{1}92}X \rightarrow ^{99}_{42}\text{Mo} + 3\, ^{1}_{0}\text{n} + ^{134}_{\phantom{1}50}Y$

b) Tên gọi và kí hiệu X, Y:

Tra bảng tuần hoàn:

• $Z = 92$ → nguyên tố Uranium (U) → $X = ^{236}_{\phantom{1}92}\text{U}$
• $Z = 50$ → nguyên tố Thiếc (Sn) → $Y = ^{134}_{\phantom{1}50}\text{Sn}$

II. Năng lượng liên kết

Câu hỏi trang 98

Đề bài: Vì sao để tách được các nucleon ra khỏi hạt nhân cần một năng lượng lớn?

Lời giải:

Vì các nucleon trong hạt nhân liên kết với nhau bằng lực hạt nhân — là một loại lực hút có cường độ rất lớn (mạnh hơn nhiều so với lực điện từ và lực hấp dẫn).

Muốn tách các nucleon ra khỏi hạt nhân, ta phải cung cấp năng lượng đủ lớn để thắng lực hạt nhân này. Năng lượng tối thiểu đó chính là năng lượng liên kết $E_{lk}$ của hạt nhân.

Hoạt động trang 98

Đề bài:

1. Nêu mối liên hệ giữa độ bền vững của hạt nhân và năng lượng liên kết riêng.
2. Giá trị năng lượng liên kết riêng $E_{lkr}$ của nhiều hạt nhân được biểu diễn trên đồ thị Hình 22.3. Em hãy:a) Chỉ ra hai hạt nhân bền vững nhất, ước lượng $E_{lkr}$ của chúng.b) Xác định năm hạt nhân nhẹ ($A \leq 30$) và bốn hạt nhân nặng ($A \geq 160$) có $E_{lkr} < 8{,}2$ MeV.

Lời giải:

1. Mối liên hệ giữa độ bền vững và năng lượng liên kết riêng:

• Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng $E_{lkr}$ càng lớn thì càng bền vững.
• Ngược lại, $E_{lkr}$ càng nhỏ thì hạt nhân càng kém bền vững.

2.

a) Dựa vào đồ thị Hình 22.3, hai hạt nhân bền vững nhất là $^{56}\text{Fe}$ và $^{75}\text{As}$:

• $E_{lkr}$ của $^{56}\text{Fe}$ khoảng 8,7 MeV
• $E_{lkr}$ của $^{75}\text{As}$ khoảng 8,6 MeV

b)

• Năm hạt nhân nhẹ ($A \leq 30$) có $E_{lkr} < 8{,}2$ MeV: $^{6}\text{Li}$, $^{9}\text{Be}$, $^{11}\text{B}$, $^{4}\text{He}$, $^{14}\text{N}$
• Bốn hạt nhân nặng ($A \geq 160$) có $E_{lkr} < 8{,}2$ MeV: $^{180}\text{Hf}$, $^{197}\text{Au}$, $^{209}\text{Bi}$, $^{238}\text{U}$

Câu hỏi trang 99

Đề bài: Hãy tính độ hụt khối của hạt nhân oxygen $^{16}_{\phantom{1}8}\text{O}$, biết khối lượng hạt nhân oxygen là $m_O \approx 15{,}99492$ amu.

Lời giải:

Hạt nhân $^{16}_{\phantom{1}8}\text{O}$ có: $Z = 8$; $A = 16$; số neutron $N = A – Z = 8$.

Áp dụng công thức (22.2):

$$\Delta m = [Zm_p + (A-Z)m_n] – m_O$$

Với $m_p \approx 1{,}00728$ amu và $m_n \approx 1{,}00866$ amu:

$$\Delta m = [8 \cdot 1{,}00728 + 8 \cdot 1{,}00866] – 15{,}99492$$

$$\Delta m = 8{,}05824 + 8{,}06928 – 15{,}99492$$

$$\boxed{\Delta m \approx 0{,}1326 \text{ amu}}$$

Hoạt động trang 100

Đề bài: Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

a) Tính năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân $^{4}_{2}\text{He}$.

b) Tìm hệ số chuyển đổi giữa các đơn vị amu và MeV/c².

Lời giải:

b) Trước hết ta tìm hệ số chuyển đổi giữa amu và MeV/c² (dùng cho câu a):

Từ hệ thức Einstein $E = mc^2$, với $1$ amu $\approx 1{,}66054 \cdot 10^{-27}$ kg và $c \approx 3 \cdot 10^8$ m/s:

$$E = 1{,}66054 \cdot 10^{-27} \cdot (3 \cdot 10^{8})^{2} \approx 1{,}4945 \cdot 10^{-10} \text{ J}$$

Đổi ra MeV (biết $1$ MeV $= 1{,}6 \cdot 10^{-13}$ J):

$$E \approx \dfrac{1{,}4945 \cdot 10^{-10}}{1{,}6 \cdot 10^{-13}} \approx 934 \text{ MeV}$$

Vậy: $\boxed{1 \text{ amu} \approx 931{,}5 \text{ MeV/c}^2}$ (giá trị chính xác thường dùng trong tính toán)

a) Tính $E_{lk}$ và $E_{lkr}$ của $^{4}_{2}\text{He}$:

Hạt nhân $^{4}_{2}\text{He}$ có $Z = 2$; $A = 4$; $m_{He} \approx 4{,}00260$ amu (theo mục 2 trang 99).

• Độ hụt khối:

$$\Delta m = [2m_p + 2m_n] – m_{He}$$

$$\Delta m = [2 \cdot 1{,}00728 + 2 \cdot 1{,}00866] – 4{,}00260$$

$$\Delta m = 4{,}03188 – 4{,}00260 = 0{,}02928 \text{ amu}$$

• Năng lượng liên kết:

$$E_{lk} = \Delta m \cdot c^2 = 0{,}02928 \cdot 931{,}5 \approx 27{,}28 \text{ MeV}$$

• Năng lượng liên kết riêng:

$$E_{lkr} = \dfrac{E_{lk}}{A} = \dfrac{27{,}28}{4} \approx 6{,}82 \text{ MeV/nucleon}$$

III. Phản ứng phân hạch hạt nhân

Hoạt động trang 101

Đề bài: Sự phân hạch hạt nhân là gì? Nêu đặc điểm phản ứng phân hạch của uranium.

Lời giải:

• Sự phân hạch hạt nhân:

Là phản ứng hạt nhân trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn (có số khối trung bình và bền vững hơn hạt nhân ban đầu).

• Đặc điểm phản ứng phân hạch của uranium ($^{235}_{\phantom{1}92}\text{U}$):

• Dùng neutron chậm (neutron nhiệt) bắn vào hạt nhân $^{235}_{\phantom{1}92}\text{U}$.
• $^{235}_{\phantom{1}92}\text{U}$ hấp thụ neutron tạo thành hạt nhân **trung gian $^{236}_{\phantom{1}92}\text{U}^*$** ở trạng thái kích thích, không bền vững.
• Sau khoảng $10^{-14}$ s, $^{236}_{\phantom{1}92}\text{U}^*$ bị biến dạng và vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn có số khối trung bình.
• Đồng thời giải phóng 2 – 3 neutron và toả năng lượng khoảng 200 MeV cho mỗi phân hạch.

Câu hỏi trang 101

Đề bài:

1. Nêu đặc điểm của phản ứng phân hạch dây chuyền.
2. Tính năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn 1 kg $^{235}_{\phantom{1}92}\text{U}$. Biết mỗi phân hạch toả ra năng lượng 200 MeV.

Lời giải:

1. Đặc điểm phản ứng phân hạch dây chuyền:

• Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch tiếp tục kích thích các hạt nhân uranium khác trong khối chất phân hạch.
• Điều này tạo ra các phản ứng phân hạch mới, cứ như vậy phản ứng xảy ra liên tiếp tạo thành dây chuyền.
• Kết quả: phản ứng toả ra năng lượng rất lớn trong thời gian ngắn.

2. Tính năng lượng toả ra khi phân hạch 1 kg $^{235}\text{U}$:

• Số hạt nhân $^{235}\text{U}$ có trong 1 kg:

$$N = \dfrac{m \cdot N_A}{M} = \dfrac{1000 \cdot 6{,}022 \cdot 10^{23}}{235} \approx 2{,}563 \cdot 10^{24} \text{ hạt}$$

Trong đó: $m = 1$ kg $= 1000$ g; $M = 235$ g/mol; $N_A \approx 6{,}022 \cdot 10^{23}$ hạt/mol.

• Năng lượng toả ra:

$$E = N \cdot 200 \text{ MeV} = 2{,}563 \cdot 10^{24} \cdot 200 \approx 5{,}13 \cdot 10^{26} \text{ MeV}$$

• Đổi ra Joule (biết $1$ MeV $= 1{,}6 \cdot 10^{-13}$ J):

$$E \approx 5{,}13 \cdot 10^{26} \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-13} \approx 8{,}2 \cdot 10^{13} \text{ J}$$

IV. Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Câu hỏi trang 103

Đề bài:

1. Sự tổng hợp hạt nhân là gì? Nêu điều kiện xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân.
2. So sánh định tính phản ứng tổng hợp hạt nhân và phản ứng phân hạch về các đặc điểm: nhiên liệu phản ứng và điều kiện xảy ra phản ứng.

Lời giải:

1.

• Sự tổng hợp hạt nhân: là phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

• Điều kiện xảy ra:

• Nhiệt độ rất cao (khoảng $10^7$ đến $10^8$ K) → phản ứng này còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.
• Mật độ hạt nhân $n$ đủ lớn.
• Thời gian $\Delta t$ duy trì nhiệt độ cao đủ dài, thoả mãn: $n \cdot \Delta t > 10^{14}$ s/cm³.

2. So sánh phản ứng tổng hợp và phản ứng phân hạch:

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn