Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết lớp 12 (Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12)

Tài liệu Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết lớp 12 trong Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12 gồm các dạng bài tập từ cơ bản đến nâng cao với phương pháp giải chi tiết và bài tập tự luyện đa dạng giúp Giáo viên có thêm tài liệu giảng dạy Vật Lí 12.

Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết lớp 12 (Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12)

Xem thử

Chỉ từ 300k mua trọn bộ Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12 (sách mới) bản word có lời giải chi tiết:

• B1: gửi phí vào tk: 0711000255837 - NGUYEN THANH TUYEN - Ngân hàng Vietcombank (QR)
• B2: Nhắn tin tới Zalo VietJack Official - nhấn vào đây để thông báo và nhận giáo án

I. Tóm tắt lý thuyết - Phương pháp giải

1. Phản ứng hạt nhân

- Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân này thành hạt nhân khác.

- Phản ứng hạt nhân thường được chia làm hai loại:

+ Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với các hạt khác tạo ra các hạt nhân mới.

+ Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân mới.

2. Năng lượng liên kết

2.1. Lực hạt nhân

- Là lực tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân. Bản chất là lực tương tác mạnh.

2.2. Độ hụt khối

- Là độ chênh lệch giữa tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng m_X  của hạt nhân.

∆m = [Z.m_p + (A-Z).m_n] – m_X

2.3. Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng

- Theo thuyết tương đối của Einstein (Anh-xtanh), một vật có khối lượng m thì cũng có năng lượng tương ứng là E và ngược lại:

E = mc²                                             

Với c là tốc độ của ánh sáng trong chân không.

- Một vật có khối lượng m₀ ở trạng thái nghỉ sẽ có năng lượng nghỉ E₀ = m₀c²

- Khi chuyển động vật có khối lượng m và năng lượng của vật khi đó gọi là năng lượng toàn phần

+  Khối lượng tương đối tính: $m = \frac{m_0}{\sqrt{1-{\displaystyle \frac{v^2}{c^2}}}}$

+ Năng lượng toàn phần: E = mc²

+  Động năng của vật: $W_{đ} = E - E_0 = (m - m_0)c^2$

2.4. Năng lượng liên kết

- Là năng lượng tối thiểu dùng để tách toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân, được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số c².

E_lk = ∆mc²

2.5. Năng lượng liên kết riêng

- Đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân.

$\epsilon = E_{lkr}=\frac{E_{lk}}{A}$

Hạt nhân có E_lkr càng lớn thì càng bền vững và ngược lại.

2.6. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

${}_{Z_1}{}^{A_1}A + {}_{Z_2}{}^{A_2}B \to {}_{Z_3}{}^{A_3}C + {}_{Z_4}{}^{A_4}D$

- Định luật bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối A).

A₁ + A₂ = A₃ + A₄

- Định luật bảo toàn điện tích.

Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

- Định luật bảo toàn động lượng.

${\overrightarrow{p}}_A+{\overrightarrow{p}}_B={\overrightarrow{p}}_C+{\overrightarrow{p}}_D$

- Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần.

Năng lượng toàn phần bằng tổng năng lượng nghĩ và thế năng của hạt nhân.

$m_A{c}^2+W_{dA}+m_B{c}^2+W_{dB}=m_C{c}^2+W_{dC}+m_D{c}^2+W_{dD}$

- Trong phản ứng hạt nhân không có bảo toàn: khối lượng, số nơtron, năng lượng nghĩ..

*) Năng lượng của phản ứng hạt nhân:

ΔE = (m_t – m_s)c²

m_t = m_A + m_B: tổng khối lượng của các hạt trước phản ứng.

m_s = m_C + m_D: tổng khối lượng của các hạt sau phản ứng.

+ Nếu ΔE > 0: phản ứng tỏa năng lượng.

+ Nếu ΔE < 0: phản ứng thu năng lượng.

3. Phản ứng phân hạch và tổng hợp hạt nhân

Phân hạch hạt nhân	Tổng hợp hạt nhân (Nhiệt hạch )
Hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron chậm vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn (trung bình: 50<A<160) Ví dụ: ${}_{92}{}^{235}U, {}_{94}{}^{239}Pu, {}_{93}{}^{237}Pu, {}_{98}{}^{251}Cf$…. n + X → X* → Y + Z + kn	Là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành hạt nhân nặng hơn.
+ Nếu k < 1: Phản ứng dây chuyền không tắt nhanh + Nếu k =1: Phản ứng dây chuyền có thể tự duy trì và công suất phát ra không đổi theo thời gian + Nếu k >1: Phản ứng dây chuyền có thể tự duy trì và công suất phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ Để đảm bảo cho k = 1 người ta dùng các thanh điều khiển chứa Bo hay Cd, là các chất có tác dụng hấp thụ nơtron	+ Xét trên cùng một khối lượng nhiên liệu thì năng lượng nhiệt hạch sinh ra lớn hơn phân hạch. + Năng lượng nhiệt hạch là quá trình tạo ra nguồn năng lượng vô tận cho cho mặt trời và các ngôi sao khác trên vũ trụ. Chế tạo bom H Điều kiện: - Nhiệt độ cao - Mật độ hạt nhân trong trạng thái plasma đủ lớn. - Thời gian duy trì trạng thái đủ lớn.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Tính độ hụt khối, năng lượng, năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng.

- Yêu cầu: Vận dụng được các công thức tính được độ hụt khối, năng lượng, năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng.

- Phương pháp giải: Sử dụng các công thức độ hụt khối, năng lượng liên kết, năng lượng, năng lượng liên kết riêng.

Ví dụ 1: Tìm độ hụt khối và năng lượng liên kết của hạt nhân Liti ${}_3{}^{7}Li$. Biết khối lượng nguyên tử Liti, nơtron và prôtôn có khối lượng lần lượt là: m_Li = 7,0160 amu; m_N = 1,0087 amu và m_P = 1,0073 amu. Biết 1 amu = 931,5 MeV/c².

Hướng dẫn giải

Hạt nhân ${}_3{}^{7}Li$ có 3 proton và 4 nơtron. Khi đó:

m₀ = Z.m_P + N.m_n = 3.m_P + 4.m_n = 3.1,0073 + 4.1,0087 = 7,08299 amu

Độ hụt khối:

Δm = m₀ – m = 7,08299 – 7,0160 = 0,06699 amu

Năng lượng liên kết của hạt nhân là:

 ΔE = Δm.c² = 0,06699 uc² = 0,06699.931,5 = 62,401185 MeV

Ví dụ 2: Cho biết: m_He = 4,0015 amu; m_O = 15,999 amu; m_p = 1,0073 amu; m_n = 1,0087 amu. Hãy so sánh mức độ bền vững của hai hạt nhân ${}_2{}^{4}He$ và ${}_8{}^{16}O$.

Hướng dẫn giải

* Xét hạt nhân ${}_2{}^{4}He$:

Độ hụt khối hạt nhân: Δm_He =(2.m_p+2.m_n)- m_He = 4,0032 - 4,0015 = 0,0305 amu

Năng lượng liên kết hạt nhân ${}_2{}^{4}He$ là:

 E_He= Δm_He.c² = 0,0305 amuc² = 0,0305.931,5 = 28,41075 MeV

Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ${}_2{}^{4}He$ là :

${\epsilon }_{He}=\frac{E_{He}}{4}=$ 7,1027 MeV/nuclon

* Xét hạt nhân ${}_8{}^{16}O$:

Độ hụt khối hạt nhân:

Δm_O =(8.m_p + 8.m_n ) - m_O = 16,128 -15,999 = 0,129 amu

Năng lượng liên kết hạt nhân ${}_8{}^{16}O$ là:

 E_O= Δm_O.c² = 0,129 uc² = 0,129.931,5 = 120,1635 MeV

Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ${}_8{}^{16}O$ là:

 ε_O = E_O/16= 7,5102 MeV/nuclon

Do ε_O > ε_He nên hạt nhân ${}_8{}^{16}O$ bền vững hơn hạt nhân ${}_2{}^{4}He$

Dạng 2: Bài tập về phản ứng hạt nhân

- Yêu cầu: Vận dụng được các định luật bảo toàn tính được số khối, điện tích, tốc độ và hướng chuyển động của các hạt nhân trong phản ứng hạt nhân.

- Phương pháp giải: Sử dụng các định luật bảo toàn năng lượng.

Ví dụ 1: Hạt nhân ${}_{88}{}^{226}Ra$  đứng yên phân rã thành hạt α (${}_2{}^{4}He$) và hạt nhân X (không kèm theo tia γ). Biết năng lượng mà phản ứng tỏa ra là 3,6 MeV và khối lượng của các hạt gần bằng số khối của chúng tính ra đơn vị amu. Tính động năng của hạt α và hạt nhân X.

Hướng dẫn giải

Phương trình phản ứng: ${}_{88}{}^{226}Ra \to \frac{4}{2}\alpha + {}_{86}{}^{222}Rn$

Ta có: $\left\{\begin{array}{l}p = mv\\ K = \frac{m{v}^2}{2}\end{array}\right.\iff \left\{\begin{array}{l}{p}^2=m^2{v}^2\\ K = \frac{m{v}^2}{2}\end{array}\right.\Rightarrow p^2 = 2m.\frac{m{v}^2}{2}\iff p^2=2m.K$

Theo định luật bảo toàn động lượng: $\overline{P_{\alpha }} + \overline{P_X} = 0 \Rightarrow P_{\alpha } = m_{\alpha }{v}_{\alpha }=P_X=m_x{v}_x \Rightarrow 2m_{\alpha }{K}_{\alpha } = 2m_x{K}_x$ $\Rightarrow K_x=\frac{m_{\alpha }}{m_x}{K}_{\alpha }$

Năng lượng tỏa ra trong phản ứng là: $∆E=K_x + K_{\alpha } = \frac{m_{\alpha }+m_x}{m_x}{K}_{\alpha }$ $\Rightarrow K_{\alpha } = \frac{m_x∆E}{m_{\alpha } + m_x} = 3,536 MeV;$ $\Rightarrow K_x=\frac{m_{\alpha }}{m_x}{K}_{\alpha }$=0,064 MeV

Ví dụ 2: Bắn một hat anpha (${}_2{}^{4}He$)vào hạt nhân nito ${}_7{}^{14}N$ đang đứng yên tạo ra phản ứng ${}_2{}^{4}He+{}_7{}^{14}N \to {}_1{}^{1}H+{}_8{}^{17}O$. Năng lượng của phản ứng là ΔE = 1,21MeV. Giả sử hai hạt sinh ra có cùng vecto vận tốc. Động năng của hạt anpha bằng bao nhiêu? (xem khối lượng hạt nhân tính theo đơn vị amu gần bằng số khối của nó)

Hướng dẫn giải

Phương trình phản ứng ${}_2{}^{4}He+{}_7{}^{14}N \to {}_1{}^{1}H+{}_8{}^{17}O$.

Theo ĐL bảo toàn động lượng ta có:

m_αv_α = (m_H + m₀ )v (với v là vận tốc của hai hạt sau phản ứng)

$\to$ $v = \frac{m_{\alpha }{v}_{\alpha }}{m_H + m_O}=\frac{2}{9}{v}_{\alpha }$ $K_{\alpha } = \frac{m_{\alpha }{v}_{\alpha }^2}{2}=2v_{\alpha }^2$

$K_H + K_o = \frac{(m_H+m_O)v^2}{2} = \frac{(m_H+m_O)}{2}{\left(\frac{2}{9}\right)}^2{v}_{\alpha }^2 =\frac{2}{9}{K}_{\alpha }$

K_α = K_H + K₀ + ΔE -> $K_{\alpha } - \frac{2}{9}{K}_{\alpha }=\frac{7}{9}{K}_{\alpha }=∆E$

-> K_α = $\frac{9}{7}$ΔE = 1,5557 MeV

................................

................................

................................

Xem thử

Xem thêm Chuyên đề dạy thêm Vật Lí lớp 12 các chủ đề hay khác:

• Chủ đề 6: Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ

• Chủ đề 7: Bài tập về Từ trường

• Chủ đề 1: Cấu trúc hạt nhân

• Chủ đề 3: Hiện tượng phóng xạ

• Chủ đề 4: Công nghiệp hạt nhân

• Chủ đề 5: Bài tập về Vật lí hạt nhân

---