Giải Vật Lí 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

Chúng tôi giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Phản ứng nhiệt hạch lớp 12.

Bài giảng Vật lí 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

Giải bài tập Vật Lí Lớp 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

Trả lời câu hỏi giữa bài

Trả lời câu C1 trang 200 SGK Vật Lí 12: Hãy tìm ra kết quả này dựa vào các số liệu cho trong bảng ở cuối sách (SGK)

Lời giải:

12H+13H24He+01n

Khối lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 hạt nhân α là:

MD = 2,012345u; mT = 3,0155u

mα=4,0015u;mn=1,00866uW=(mD+mTmαmn).c2=(2,012345u+3,0155u4,0015u1,00866).c2=0,01879.c2=0,1879.1,66055.1027.9.1016=0,2808.1011=0,2808.10111,6.1019ev=0,1755.108eV=17,55(MeV)

Câu hỏi và bài tập (trang 203 SGK Vật Lí 12)

Bài 1 trang 203 SGK Vật Lí 12: Hãy nêu lên các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra.

Lời giải:

Các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra là:

+ Nhiệt độ của hỗn hợp phải cỡ 100 triệu độ

+ Mật độ hạt trong khối plasma phải đủ lớn

+ Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao (100 triệu độ) phải đủ lớn.

Bài 2 trang 203 SGK Vật Lí 12: So sánh (định tính) phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch về các đặc điểm:

a) nhiên liệu phản ứng;

b) điều kiện thực hiện;

c) năng lượng tỏa ra ứng với cùng một khối lượng nhiên liệu;

d) ô nhiễm môi trường.

Lời giải:

a) Nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch dồi dào hơn.

b) Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch khó khăn hơn (nhiệt độ rất cao).

c) Với cùng một khối nhiên liệu thì năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn nhiều so với phản ứng phân hạch.

d) Ô nhiễm môi trường tái sản phẩm cuối cùng của phản ứng nhiệt hạch không có tính phóng xạ nên không gây ô nhiễm môi trường.

Bài 3 trang 203 SGK Vật Lí 12: Trên một số sao người ta tìm thấy các hạt nhân cacbon có vai trò xuất phát điểm của một chuỗi phản ứng tổng hợp (được gọi là chi trình CNO). Hãy hoàn chỉnh các phản ứng đó.

1. 612C + ? → 713N

2. 713N → 613C + ?

3. 613C + ? → 714N

4. 714N + ? → 815O

5. 815O → 715N + ?

6. 715N + 11H → 612C + ?

Phương pháp giải:

Z1A1A+Z2A2BZ3A3C+Z4A4D

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

{Z1+Z2=Z3+Z4A1+A2=A3+A4

Lời giải:

1. 612C+ZAX713N

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

{6+ZX=712+AX=13{ZX=1AX=1

X là 11H

Viết lại phương trình phản ứng: 612C+11H713N

2. 713N67C+ZAY

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

{7=6+ZY13=13+AX{ZY=1AY=0

Y là 10e

Viết lại phương trình phản ứng: 713N67C+10e

3. 613C+ZAM714N

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

{6+ZM=713+AM=14{ZM=1AM=1

M là 11H

Viết lại phương trình phản ứng: 613C+11H714N

4. 714N+ZAB815O

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

{7+ZB=814+AB=15{ZB=1AB=1

B là 11H

Viết lại phương trình phản ứng: 714N+11H815O

5. 815O715N+ZAE

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

{8=7+ZE15=15+AE{ZE=1AE=0

E là 10e

 Viết lại phương trình phản ứng: 815O715N+10e

6. 715N+11H612C+ZAF

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

{7+1=6+ZF15+1=12+AF{ZF=2AF=4

F là 24He

 Viết lại phương trình phản ứng: 715N+11H612C+24He

Bài 4 trang 203 SGK Vật Lí 12: Xét phản ứng.

12H + 12H → 23He + 01n

a) Xác định năng lượng tỏa ra bởi phản ứng đó (tính ra MeV và ra J)

b) Tính khối lượng đơteri cần thiết để có thể thu được năng lượng nhiệt hạch tương đương với năng lượng tỏa ra khi đốt 1kg than.

Cho biết: 12H = 2,0135 u

              23He = 3,0149 u 

              01n = 1,0087 u 

Năng lượng tỏa ra khi đốt 1 kg than là 30 000kJ.

Phương pháp giải:

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

+ Công thức liên hệ giữa khối lượng và số hạt: N=mA.NA

Lời giải:

a) Xét phản ứng: 12H + 12H → 23He + 01n

Năng lượng toả ra bởi phản ứng: 

Wtoa=(mH+mHmHemn)c2=(2,0135u+2,0135u3,0149u1,0087u)c2Wtoa=3,4.103.931,5MeV=3,1671MeV=3,1671.1,6.1013J5,07.1013J

b) Mỗi phản ứng cần 2 hạt nhân 12H và cho ra 1 hạt 23He

Đốt 1kg than cho 3.107 J, tương đương với năng lượng tỏa ra bởi N hạt 23He:

N=3.1075,07.1013=5,917.1019

Mỗi phản ứng cần 2 hạt nhân 12H => số hạt 12H tổng cộng cần dùng là: NH=2N=2.5,917.1019=1,1834.1020

=> Khối lượng hạt nhân 12H tổng cộng cần dùng là: mH=NHANA=1,1834.1020.26,02.1023=3,93.104g

        =39,3.108kg

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.

92235U+01n92236UZ1A1X+Z2A2X+k01n+200MeV

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 92235U phải đạt tới giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn mth.

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:    12H+12H23H+01n+3,25MeV

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:

ΔE=(mtrmsau)c2>0

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

N=m(kg)0,235(kg)NAQ=m(kg)0,235(kg)NAΔE

  • 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:

A=HQ=Hm(kg)0,235(kg)NAΔEP=At=1tHm(kg)0,235(kg)NAΔE

2. Năng lượng phản ứng nhiệt hạch

  • Năng lượng toàn phần do 1 nhiệt hạch:

ΔE=(mtrmsau)c2>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=NXk=1kmXAXNA

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=mc2;P=Et=mc2tm=P.tc2

Phần trăm khối lượng bị giảm sau thời gian t là: h=mM với M: khối lượng của mặt trời

Lý thuyết phản ứng nhiệt hạch

1. Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

2. Năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch gọi là năng lượng nhiệt hạch. Năng lượng nhiệt hạch lớn hơn nhiều năng lượng phân hạch.

Người ta chủ yếu quan tâm đến các phản ứng nhiệt hạch tạo nên heli.

11H + 12H → 23He

12H + 12H → 24He

12H + 13H → 24He + 01n

3. Điều kiện để thực hiện phản ứng nhiệt hạch :

-  Nhiệt độ cao (50 triệu đến 100 triệu độ).

-  Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.

-  Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao phải đủ lớn.

4. Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết vì sao.

5. Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu việt không gây ô nhiễm (sạch) và nguyên liệu dồi dào, sẽ là nguồn năng lương của thế kỉ XXI.