Giải Vật Lí 12 Bài 38: Phản ứng phân hạch

68 lượt xem

Bài trước

Bài sau

Chúng tôi giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 12 Bài 38: Phản ứng phân hạch chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Phản ứng phân hạch lớp 12.

Bài giảng Vật Lí 12 Bài 38: Phản ứng phân hạch

Giải bài tập Vật Lí Lớp 12 Bài 38: Phản ứng phân hạch

Trả lời câu hỏi giữa bài

Trả lời câu C1 trang 195 SGK Vật Lí 12: Quá trình phóng xạ α có phải là phân hạch hay không?

Lời giải:

Quá trình phóng xạ α không phải là sự phân hạch vì hai mảnh vỡ có khối lượng khác nhau nhiều.

Trả lời câu C2 trang 195 SGK Vật Lí 12: Tại sao không dùng proton thay cho nơtron?

Lời giải:

Ta dùng nơtron bắn vào hạt nhân X để hạt nhân X chuyển sang một trạng thái kích thích X*. Ta không dung proton thay cho nơtron vì proton mang điện tích dương sẽ chịu tác dụng của lực đẩy do các hạt nhân tác dụng.

Câu hỏi và bài tập (trang 198 SGK Vật Lí 12)

Bài 1 trang 198 SGK Vật Lí 12: So sánh quá trình phóng xạ α và quá trình phân hạch.

Lời giải:

Phóng xạ α

Phân hạch

- Tự hủy thành hạt nhân mới cùng với các hạt α (và có thể thêm ɣ ).

- Là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững.

- Năng lượng tạo ra rất nhỏ so với phản ứng phân hạch.

- Không thể tạo ra phản ứng dây chuyền.

- Tỏa năng lượng.

- Vỡ thành hai mảnh, kèm theo sự phát ra một và nơtron.

- Là quá trình tự phát xảy ra với xác suất rất nhỏ, đa số là các phản ứng phân hạch kích thích.

- Năng lượng tạo ra từ phản ứng phân hạch rất lớn so với năng lượng phóng xạ.

- Có thể tạo ra phản ứng dây chuyền

- Tỏa năng lượng.

Bài 2 trang 198 SGK Vật Lí 12: Căn cứ vào độ lớn của $\frac{W_{l k}}{A}$ chứng tỏ rằng, quá trình phân hạch thường chỉ xảy ra đối với các hạt nhân có số nuclôn lớn hơn hay bằng 200.

Lời giải:

Vì trong quá trình phân hạch, hạt nhân bị phân hạch sẽ vỡ ra và tạo thành hai hạt nhân có số khối trung bình đồng thời tỏa năng lượng nên đối với phản ứng phân hạch thì $\frac{W_{l k}}{A}$ sau (các hạt có số A vào cỡ 100) sẽ lớn hơn $\frac{W_{l k}}{A}$ trước (các hạt có số A lớn hơn 200). Do vậy muốn xảy ra loại phản ứng này thì hạt nhân tham gia phản ứng phải có số nuclon lớn hơn hoặc bằng 200.

Bài 3 trang 198 SGK Vật Lí 12: Chọn câu đúng.

Phần lớn năng lượng giải phóng trong phân hạch là

A. động năng các nơtron phát ra.

B. động năng các mảnh.

C. năng lượng tỏa ra do phóng xạ của các mảnh.

D. năng lượng prôtôn của tia ɣ.

Phương pháp giải:

Sử dụng Bảng 38.1 trang 196 SGK Vật Lí 12

Lời giải:

Đáp án B.

Phần lớn năng lượng giải phóng trong phân hạch là động năng các mảnh.

Bài 4 trang 198 SGK Vật Lí 12: Hoàn chỉnh các phản ứng:

$_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{39}^{94} Y$ + $_{?}^{140} I$ + x $(_{0}^{1} n)$

$_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{?}^{95} Zn$ + $_{52}^{138} Te$ + x $(_{0}^{1} n)$

Phương pháp giải:

Sử dụng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số nuclon (bảo toàn số khối A)

Lời giải:

+ Phản ứng: $_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{39}^{94} Y$ + $_{?}^{140} I$ + x $(_{0}^{1} n)$

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

${\begin{matrix} 0 + 92 = 39 + Z + 0. x \\ 1 + 235 = 94 + 140 + 1. x \end{matrix} \Rightarrow {\begin{matrix} Z = 53 \\ x = 2 \end{matrix}$

=> Phương trình phản ứng: $_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{39}^{94} Y$ + $_{53}^{140} I$ + 2 $(_{0}^{1} n)$

+ Phản ứng: $_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{?}^{95} Zn$ + $_{52}^{138} Te$ + x $(_{0}^{1} n)$

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

${\begin{matrix} 0 + 92 = Z + 52 + 0. x \\ 1 + 235 = 95 + 138 + 1. x \end{matrix} \Rightarrow {\begin{matrix} Z = 40 \\ x = 3 \end{matrix}$

=> Phương trình phản ứng: $_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{40}^{95} Zn$ + $_{52}^{138} Te$ + 3 $(_{0}^{1} n)$

Bài 5 trang 198 SGK Vật Lí 12: Xét phản ứng phân hạch:

$_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{53}^{139} I$ + $_{39}^{94} Y$ + 3 $(_{0}^{1} n)$ + ɣ

Tính năng lượng toả ra khi phân hạch một hạt nhân 235U

Cho biết 235U = 234,99332 u

139I = 138,89700 u

94Y = 93,89014 u

Phương pháp giải:

Năng lượng toả ra của phản ứng: W = (mtrước – msau)c2

Lời giải:

+ Phương trình phản ứng hạt nhân: $_{0}^{1} n$ + $_{92}^{235} U$ → $_{53}^{95} I$ + $_{39}^{94} Y$ + 3 $(_{0}^{1} n)$ + ɣ

+ Năng lượng toả ra khi phân hạch một hạt nhân 235U là:

$\begin{array}{l} W = [m_{t r c} - m_{s a u}] c^{2} \\ = [(m_{n} + m_{U}) - (m_{I} + m_{Y} + 3 m_{n})] c^{2} \\ = [(1, 00866 u + 234, 99332 u) - (138, 89700 u + 93, 89014 u + 3.1, 00866 u)] c^{2} \\ = 0, 18886 u c^{2} \\ = 0, 18886.931, 5 = 175, 923 M e V \end{array}$

Bài 6 trang 198 SGK Vật Lí 12: Tính năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1kg 235U.

Cho rằng mỗi phân hạch tỏa ra năng lượng 200MeV.

Phương pháp giải:

Công thức liên hệ giữa số hạt và khối lượng: $N = \frac{m}{A} N_{A}$

Lời giải:

+ Số hạt nhân $_{92}^{235} U$ trong 1kg $_{92}^{235} U$ là:

$N_{235} = \frac{m}{A} N_{A} = \frac{10^{3}}{235} .6, {02.10}^{23} = 2, {5617.10}^{24}$

+ Mỗi phân hạch toả ra năng lượng 200MeV => Năng lượng toả ra khi phân hạch 1kg 235U là:

$W = 2, {5617.10}^{24} .200 M e V$

$= 2, {5617.10}^{24} .200 .1, {6.10}^{- 13} (J) = 8, {2.10}^{13} (J)$

Phương pháp giải bài tập phân hạch - nhiệt hạch

I - Phản ứng phân hạch

1.Định nghĩa

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân rất nặng hấp thụ một nơtron và vỡ thành hai hạt nhân trung bình.

$_{92}^{235} U +_{0}^{1} n \to_{92}^{236} U \to_{Z_{1}}^{A_{1}} X +_{Z_{2}}^{A_{2}} X + k_{0}^{1} n + 200 M e V$

2. Phản ứng phân hạch dây chuyền.

Điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền: xét số nơtrôn trung bình k sinh ra sau mỗi phản ứng phân hạch ( $k$ là hệ số nhân nơtron).

Nếu $k < 1$ : thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra.
Nếu $k = 1$ : thì phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra và điều khiển được.
Nếu $k > 1$ : thì phản ứng dây chuyền xảy ra không điều khiển được.

Ngoài ra khối lượng $_{92}^{235} U$ phải đạt tới giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn $m_{t h}$ .

Chú ý: Than chì đóng vai trò chất làm chậm tốt nhất đối với notron

II - Phản ứng nhiệt hạch

1. Định nghĩa

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.

VD: $_{1}^{2} H +_{1}^{2} H \to_{2}^{3} H +_{0}^{1} n + 3, 25 M e V$

2. Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch

Nhiệt độ cao khoảng từ 50 triệu độ tới 100 triệu độ.
Hỗn hợp nhiên liệu phải “giam hãm” trong một khoảng không gian rất nhỏ.

3. Năng lượng nhiệt hạch

Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao.
Nhiên liệu nhiệt hạch là vô tận trong thiên nhiên: đó là đơteri, triti rất nhiều trong nước sông và biển.
Về mặt sinh thái, phản ứng nhiệt hạch sạch hơn so với phản ứng phân hạch vì không có bức xạ hay cặn bã phóng xạ làm ô nhiễm môi trường.
Tuy một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch nhưng nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn.

III - Các dạng bài tập và phương pháp giải

1. Năng lượng phân hạch

Năng lượng toàn phần do 1 phân hạch:

$Δ E = (\sum m_{t r} - \sum m_{s a u}) c^{2} > 0$

Năng lượng toàn phần do N phân hạch: Q = N.∆E
Đối với trường hợp phân hạch $^{235} U$ , số phân hạch bằng số hạt $^{235} U$

$N = \frac{m (k g)}{0, 235 (k g)} N_{A} \to Q = \frac{m (k g)}{0, 235 (k g)} N_{A} Δ E$

Nếu hiệu suất của quá trình sử dụng năng lượng là H thì năng lượng có ích và công suất có ích lần lượt là:

$\begin{array}{l} A = H Q = H \frac{m (k g)}{0, 235 (k g)} N_{A} Δ E \\ P = \frac{A}{t} = \frac{1}{t} H \frac{m (k g)}{0, 235 (k g)} N_{A} Δ E \end{array}$

2. Năng lượng phản ứng nhiệt hạch

Năng lượng toàn phần do 1 nhiệt hạch:

$Δ E = (\sum m_{t r} - \sum m_{s a u}) c^{2} > 0$

Năng lượng toàn phần do N phân hạch: Q = N.∆E
Nếu cứ 1 phản ứng có k hạt X thì số phản ứng: $N = \frac{N_{X}}{k} = \frac{1}{k} \frac{m_{X}}{A_{X}} N_{A}$

3. Bức xạ năng lượng của Mặt Trời, các sao

Nếu trong thời gian t, khối lượng Mặt Trời giảm do bức xạ là m thì năng lượng bức xạ toàn phần và công suất bức xạ toàn phần lần lượt là: $E = m c^{2}; P = \frac{E}{t} = \frac{m c^{2}}{t} \Rightarrow m = \frac{P . t}{c^{2}}$

Phần trăm khối lượng bị giảm sau thời gian t là: $h = \frac{m}{M}$ với M: khối lượng của mặt trời

Lý thuyết Bài 38: Phản ứng phân hạch

1. Phân hạch là sự phá vỡ của một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân trung bình, kèm theo một vài nơtron phát ra.

2. Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng, năng lượng đó gọi là năng lượng phân hạch.

3. Phân hạch của 235U dưới tác dụng của một nơtron tỏa ra năng lượng vào cỡ 200MeV và được duy trì theo quá trình dây chuyền (trong điều kiện khối lượng 235U đủ lớn). Các sảm phẩm phân hạch là những hạt nhân chứa nhiều nơtron và phóng xạ β-.

4. Phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển được tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân.

5. Điều kiện xảy ra phản ứng phân hạch: Phải truyền cho X một năng lượng đủ lớn (năng lượng kích hoạt) vào cỡ vài MeV để X chuyển sang trạng thái kích thích X*, trạng thái này không bền vững và X sẽ phân hạch.

Xem thêm các chương trình khác:

Bài trước

Bài sau

Giải SGK, SBT, Chuyên đề Vật Lý Lớp 12