Phản ứng hạt nhân, trắc nghiệm vật lý lớp 12 2022

Chủ đề này gồm có các vấn đề sau: phản ứng hạt nhân, phản ứng phân hạch

A. LÍ THUYẾT

I. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1. Phản ứng hạt nhân

-Khái niệm: Mọi quá trình dẫn sự biển đổi của hạt nhân (Biến đổi về Z và A – Biến đổi về số lượng proton và nơtron).

${}_{{{{Z}_{1}}}}^{{{{A}_{1}}}}X+{}_{{{{Z}_{2}}}}^{{{{A}_{2}}}}Yto {}_{{{{Z}_{3}}}}^{{{{A}_{3}}}}C+{}_{{{{Z}_{4}}}}^{{{{A}_{4}}}}D$

X và Y là hạt tương tác

C và D là sản phẩm

– Có hai loại phản ứng hạt nhân:

+Phản ứng hạt nhân tự phát: Quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác.( Quá trình phóng xạ).

Phương trình: ${}_{Z}^{A}Xto {}_{{Z'}}^{{A'}}C$ + tia phóng xạ(D)

X hạt nhân mẹ, C là hạt nhân con

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

${}_{{{{Z}_{1}}}}^{{{{A}_{1}}}}X+{}_{{{{Z}_{2}}}}^{{{{A}_{2}}}}Yto {}_{{{{Z}_{3}}}}^{{{{A}_{3}}}}C+{}_{{{{Z}_{4}}}}^{{{{A}_{4}}}}D$

2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân:

Phản ứng hạt nhân: ${}_{{{{Z}_{1}}}}^{{{{A}_{1}}}}X+{}_{{{{Z}_{2}}}}^{{{{A}_{2}}}}Yto {}_{{{{Z}_{3}}}}^{{{{A}_{3}}}}C+{}_{{{{Z}_{4}}}}^{{{{A}_{4}}}}D$ .

– Định luật bảo toàn số nuclon (số khối):

${{A}_{1}}+{{A}_{2}}={{A}_{3}}+{{A}_{4}}$

– Định luật bảo toàn điện tích:

Có thể gọi là định luật bảo toàn số hiêu nguyên tử với

${{Z}_{1}}+{{Z}_{2}}={{Z}_{3}}+{{Z}_{4}}$

– Định luật bảo toàn véc tơ động lượng động lượng:

$overrightarrow{{{{p}_{X}}}}+overrightarrow{{{{p}_{Y}}}}=overrightarrow{{p{}_{C}}}+overrightarrow{{{{p}_{D}}}}$

<=> ${{m}_{X}}overrightarrow{{{{v}_{X}}}}+{{m}_{Y}}overrightarrow{{{{v}_{Y}}}}={{m}_{C}}overrightarrow{{v{}_{C}}}+{{m}_{D}}overrightarrow{{{{v}_{D}}}}$

– Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần.

$begin{array}{l}{{E}_{{TPtext{X}}}}+{{E}_{{TPY}}}={{E}_{{TPC}}}+{{E}_{{TPtext{D}}}}\<=>{{K}_{X}}+{{m}_{X}}.{{c}_{2}}+{{K}_{Y}}+{{m}_{Y}}.{{c}_{2}}={{K}_{C}}+{{m}_{C}}.{{c}_{2}}+{{K}_{D}}+{{m}_{D}}.{{c}_{2}}end{array}$

=> Chúng ta không có định luật bảo toàn khối lượng,

3. Năng lượng phản ứng hạt nhân

$begin{array}{l}{{m}_{{0(T)}}}={{m}_{X}}+{{m}_{Y}}\{{m}_{S}}={{m}_{C}}+{{m}_{D}}end{array}$

Năng lượng tỏa ra hoặc thu vào:

$Delta E=({{m}_{t}}-{{m}_{s}}).{{c}^{2}}=(Delta {{m}_{s}}-Delta {{m}_{T}}).{{c}^{2}}={{text{W}}_{{lkS}}}-{{text{W}}_{{lkT}}}$

* Nếu $Delta E>0<=>{{m}_{{tr}}}>{{m}_{s}}$ thì phản ứng toả năng lượng, năng lượng được tính bởi:

$displaystyle {{text{W}}_{{toa}}}=text{W}=({{m}_{{tr}}}-{{m}_{s}}){{c}^{2}}$

(Năng lượng tỏa ra được tỏa ra dưới dạng động năng của sản phẩm)

=> Trong phản ứng tỏa năng lượng:

+ Khối lượng sản phẩm nhỏ hơn khối lượng các hạt tương tác

+ Hạt nhân sau bền vững hơn các hạt nhân trước.

* Nếu $Delta E>0<=>{{m}_{{tr}}}<{{m}_{s}}$ thì phản ứng thu năng lượng, năng lượng được tính bởi:

(Năng lượng thu vào dưới dạng động năng của các hạt)

=> Trong phản ứng thu năng lượng:

+ Khối lượng sản phẩm nặng hơn khối lượng các hạt tương tác

+ Hạt nhân tương tác bền vững hơn các hạt nhân sản phẩm

II. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH

1.Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch: là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn.

Mytranshop.com khuyên bạn nên xem: Những cách làm bớt sưng đỏ sau khi nặn mụn tại nhà 2022 | Mytranshop.com

a) Sự phân hạch của urani.

${}_{0}^{1}n+{}_{{92}}^{{235}}U->{}_{{{{Z}_{1}}}}^{{{{A}_{1}}}}{{X}_{1}}+{}_{{{{Z}_{2}}}}^{{{{A}_{2}}}}{{X}_{2}}+k{}_{0}^{1}n$

b) Đặc điểm chung của các phản ứng phân hạch

+ Mỗi phản ứng đều có hơn 2 nơtron được phóng ra $k>1$ ,

+ Mỗi phân hạch đều giải phóng ra năng lượng lớn; người ta thường gọi đó là năng lượng hạt nhân.

c. Phản ứng hạt nhân dây chuyền.

+ Các nơtron sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ các hạt nhân khác ở gần đó, và, cứ thế, sự phân hạch tiếp diễn thành một dây chuyền. Số phân hạch tăng lên rất nhanh trong một thời gian rất ngắn, ta có phản ứng hạt nhân dây chuyền.

+ Điều kiện xảy ra phản ứng hạt nhân dây chuyền

Hệ số nhân nơtron k bằng tỉ số giữa số nơtron sinh ra và số nơtron mất mát đi do các nguyên nhân khác nhau đã nêu.

– Nếu $k<1$ thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra.

– Nếu k = 1 thì phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ nơtron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được trong các lò phản ứng hạt nhân.

– Nếu $k>1$ thì dòng nơtron tăng liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.

Để giảm thiểu số nơtron bị mất vì thoát ra ngoài nhằm đảm bảo có $kge 1$ , thì khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải đạt tới một giá trị tối thiểu, gọi là khối lượng tới hạn ${{m}_{{th}}}$ .

d. Lò phản ứng hạt nhân

– Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị trong đó phản ứng dây chuyền tự duy trì, có điều khiển (với k = 1); nhiên liệu phân hạch chủ yếu là U135 hay ${}^{{288}}Pu$

– Sơ đồ lò phản ứng nơtron nhiệt

– Khi số nơtron trong lò tăng lên quá nhiều ( $k>1$ ) nêu giải pháp khắc phục

2. Phản ứng nhiệt hạch

a. Phản ứng nhiệt hạch: Quá trình kết hợp hai hạt nhân nhẹ để tạo nên một hạt nhân nặng hơn gọi là sự tổng hợp hạt nhân, hay phản ứng nhiệt hạch.

Mytranshop.com khuyên bạn nên xem: Ngắm là mê 15 mẫu nhà vuông 2 tầng mái bằng hiện đại đẳng cấp - 2022 | Mytranshop.com

b. Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng kết hợp hạt nhân chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao nên mới gọi là phản ứng nhiệt hạch.

c. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ

Phản ứng nhiệt hạch trong lòng Mặt trời và các ngôi sao là nguồn gốc năng lượng của chúng.

d .Thực hiện phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất

Trên Trái Đất, con người đã thực hiện một phản ứng nhiệt hạch dưới dạng không kiểm soát được. Đó là sự nổ của bom nhiệt hạch hay bom H (còn gọi là bom khinh khí)

+ Ưu điểm của phản ứng nhiệt hạch là :

– Năng lượng mỗi phản ứng nhiệt hạch tỏa ra nhỏ nhơn của phân hạch. Nhưng tính trên cùng một khối lượng nhiện liệu thì năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn năng lượng tỏa ra trong phản ứng phân hạch rất nhiều,

– Nhiên liệu nhiệt hạch có thể coi là vô tận trong thiên nhiên

+ Nhược điểm: làm thế nào thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng kiểm soát được, để đảm bảo cung cấp năng lượng lâu dài của nhân loại.

B.BÀI TẬP

DẠNG 1: BÀI TẬP VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1. Cân bằng phản ứng

a. Định luật bảo toàn số nuclon (số khối):

${{A}_{1}}+{{A}_{2}}={{A}_{3}}+{{A}_{4}}$

b. Định luật bảo toàn điện tích:

${{Z}_{1}}+{{Z}_{2}}={{Z}_{3}}+{{Z}_{4}}$

2. Năng lượng tối tiểu tỏa ra hoặc thu vào:

+ Năng lượng tỏa ra hoặc tối thiểu cần cung cấp

${{varepsilon }_{{max tiagamma }}}=Delta E=({{m}_{t}}-{{m}_{s}}).{{c}^{2}}=(Delta {{m}_{s}}-Delta {{m}_{T}}).{{c}^{2}}={{text{W}}_{{lkS}}}-{{text{W}}_{{lkT}}}$

* Nếu $Delta E>0<=>{{m}_{{tr}}}>{{m}_{s}}$ thì phản ứng toả năng lượng,

* Nếu $Delta E>0<=>{{m}_{{tr}}}<{{m}_{s}}$ thì phản ứng thu năng lượng

+ Tổng năng lượng tỏa ra hoặc cung cấp

$sum{{Delta E}}={{N}_{{pu}}}.Delta {{E}_{{pu}}}$

DẠNG 2: ĐỘNG NĂNG, ĐỘNG LƯỢNG, VẬN TỐC

1. Động năng, Vận tốc các hạt trước và sau tương tác:

+ Mối quan hệ giữa động lượng và động năng,vận tốc:

$p=mv,K=mfrac{{{{v}^{2}}}}{2}$ ${{p}^{2}}=2m.K$

+ Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần.

${{K}_{X}}+{{K}_{Y}}+Delta E={{K}_{C}}+{{K}_{D}}$

+ Định luật bảo toàn véc tơ động lượng động lượng:

$displaystyle overrightarrow{{{{p}_{X}}}}+overrightarrow{{{{p}_{Y}}}}=overrightarrow{{p{}_{C}}}+overrightarrow{{{{p}_{D}}}}$

– Xét trường hợp phóng xạ:

Mytranshop.com khuyên bạn nên xem: Phải lòng trước những thiết kế nhà ống 2 tầng kiểu nhật hiện đại - 2022 | Mytranshop.com

$displaystyle overrightarrow{{{{p}_{X}}}}=overrightarrow{{p{}_{C}}}+overrightarrow{{{{p}_{D}}}}$

Để khử dấu vecto có thể bình phương hai vế

2. Các trường hợp đặc biệt:

a. Trường hợp hạt nhân đứng yên tự phân rã:

$begin{array}{l}left{ begin{array}{l}{{K}_{C}}+{{K}_{D}}=Delta E\overrightarrow{{{{p}_{C}}}}+overrightarrow{{{{p}_{D}}}}=overrightarrow{0},Leftrightarrow left{ begin{array}{l}frac{{overrightarrow{{{{v}_{C}}}}}}{{overrightarrow{{{{v}_{D}}}}}}=-frac{{{{m}_{D}}}}{{{{m}_{C}}}}\{{p}_{c}}={{p}_{D}}Leftrightarrow left{ begin{array}{l}frac{{{{K}_{C}}}}{{{{K}_{D}}}},=frac{{{{m}_{D}}}}{{{{m}_{C}}}}\{{K}_{C}}=frac{{{{m}_{D}}}}{{{{m}_{C}}+{{m}_{D}}}}.Delta E;{{K}_{D}}=frac{{{{m}_{C}}}}{{{{m}_{C}}+{{m}_{D}}}}.Delta Eend{array} right.end{array} right.end{array} right.,\,,,end{array}$

b. Trường hợp phản ứng hạt nhân X đến bắn phá hạt nhânY

$begin{array}{l}left{ begin{array}{l}{{K}_{C}}+{{K}_{D}}=Delta E+{{K}_{X}}\overrightarrow{{{{p}_{C}}}}+overrightarrow{{{{p}_{D}}}}=overrightarrow{{{{p}_{X}}}},end{array} right.,\,,,end{array}$

Ví dụ 1: Cho phản ứng hạt nhân: $displaystyle {}_{{17}}^{{37}}Cl+Xto n+{}_{{18}}^{{37}}Ar$

Cho $displaystyle {{m}_{{Cl}}}=36,9566u;{{m}_{{Ar}}}=36,9569u;{{m}_{n}}=1,0087u;$ $displaystyle {{m}_{X}}=1,0073u;1u=931frac{{MeV}}{{{{c}^{2}}}}$

a. Tên hạt nhân X là

A. $displaystyle X={}_{2}^{1}H$ B. $displaystyle X={}_{1}^{1}H$ C. $displaystyle X={}_{1}^{1}He$ D. $displaystyle X={}_{0}^{1}n$

b. Năng lượng tỏa (hay thu) ra đơn vị MeV là

A. 1,58MeV B. 15,8MeV C. 0,0017MeV D. 0,0017.c MeV

Hướng dẫn

a. Phản ứng hạt nhân: $displaystyle {}_{{17}}^{{37}}Cl+{}_{Z}^{A}Xto {}_{0}^{1}n+{}_{{18}}^{{37}}Ar$

Định luật bảo toàn số khối: 37 + A = 1 + 37 => A = 1

Định luật bảo toàn điện tích: 17 + Z = 0 + 18 => Z = 1

Vậy $displaystyle X={}_{1}^{1}H$ (Hiđrô) $displaystyle {}_{{17}}^{{37}}Cl+{}_{1}^{1}Hto {}_{0}^{1}n+{}_{{18}}^{{37}}Ar$

=> Đáp án B

b. Năng lượng phản ứng: Tổng khối lượng $displaystyle {{M}_{1}}$ và $displaystyle {{M}_{2}}$ của hạt trước và sau phản ứng là

$displaystyle {{M}_{1}}={{m}_{{Cl}}}+{{m}_{H}}=37,9639u$

$displaystyle {{M}_{2}}={{m}_{n}}+{{m}_{{Ar}}}=37,9656u$

Ta thấy $displaystyle {{M}_{1}}<{{M}_{2}}$ => phản ứng thu năng lượng

Năng lượng thu vào $displaystyle Delta E=({{M}_{2}}-{{M}_{1}}){{c}^{2}}$

Thay số $displaystyle Delta E=0,0017u{{c}^{2}}=0,0017times 931MeVapprox 1,58MeV$

=> Đáp án A

Ví dụ 2: Hạt nhân phóng xạ ${}_{{92}}^{{234}}U$ đứng yên phóng ra hạt $alpha ({}_{2}^{4}He)$

Cho: $begin{array}{l}{{m}_{U}}=233,9904u;{{m}_{X}}=229,9737u\{{m}_{alpha }}=4,0015u;end{array}$ , $1u=frac{{931}}{{{{c}^{2}}}}MeV$

1. Hạt nhân con và năng lượng tỏa ra là

A. ${}_{{90}}^{{230}}Th$ ;14,1512MeV C. ${}_{{230}}^{{90}}Th$ ;14,1512MeV

B. ${}_{{90}}^{{230}}Th$ ;141,512MeV D. ${}_{{140}}^{{230}}Th$ ;141,512MeV

2. Động năng và vận tốc của hạt của hạt $alpha$ và hạt nhân con là

A. ${{K}_{alpha }}=0,25MeV;{{K}_{X}}=13,9MeV;{{v}_{alpha }}=2,{{5810.10}^{5}}m/s;{{v}_{X}}=4,{{57.10}^{5}}m/s$

B. ${{K}_{alpha }}=13,9MeV;{{K}_{X}}=0,25MeV;{{v}_{alpha }}=4,{{57.10}^{5}}m/s;{{v}_{X}}=2,{{5810.10}^{7}}m/s$

C. ${{K}_{alpha }}=0,25MeV;{{K}_{X}}=13,9MeV;{{v}_{alpha }}=4,{{57.10}^{5}}m/s;{{v}_{X}}=2,{{5810.10}^{7}}m/s$

D. ${{K}_{alpha }}=13,9MeV;{{K}_{X}}=0,25MeV;{{v}_{alpha }}=2,{{5810.10}^{7}}m/s;{{v}_{X}}=4,{{57.10}^{5}}m/s$

Hướng dẫn

a. Ta có: 234=4 +A ->A =230

92= 2 + Z => Z = 90

=> Có 90p và có 230 – 90 =140n => ${}_{{90}}^{{230}}X={}_{{90}}^{{230}}Th$ (Thori)

$begin{array}{l}{{M}_{0}}={{m}_{U}}=233,9904u\M={{m}_{alpha }}+{{m}_{X}}=229,9737+4,0015=233,9752uend{array}$

$Delta M={{M}_{0}}-M=0,0152u$

Năng lượng tỏa ra: $Q=0,0152.931=14,1512MeV=2,{{264.10}^{{-12}}}J$

=> Đáp án A

b. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần :

${{m}_{U}}{{c}^{2}}+{{K}_{U}}={{m}_{{He}}}{{c}^{2}}+{{K}_{{He}}}+{{m}_{X}}.{{c}^{2}}+{{K}_{X}}$

$begin{array}{l}({{m}_{U}}-{{m}_{{He}}}-{{m}_{X}}){{c}^{2}}+{{K}_{U}}={{K}_{{He}}}+{{K}_{X}}\=>Q+{{K}_{U}}={{K}_{{He}}}+{{K}_{X}}end{array}$

U lúc đầu đứng yên nên động năng bằng 0 => ${{K}_{U}}=0$

=> ${{K}_{{He}}}+{{K}_{X}}=Q=14,15MeV(1)$

Động năng của hạt He: ${{K}_{{He}}}=frac{{{{m}_{{He}}}.v_{{He}}^{2}}}{2}$ (2)

Động năng của hạt X: ${{K}_{X}}=frac{{{{m}_{X}}.v_{X}^{2}}}{2}$ (3)

=> $frac{{{{K}_{{He}}}}}{{{{K}_{X}}}}=frac{{{{m}_{{He}}}.v_{{He}}^{2}}}{{{{m}_{X}}.v_{X}^{2}}}(4)$

Định luật bảo toàn động lượng : có U đứng yên nên động lượng bằng 0

$overrightarrow{0}=overrightarrow{{{{p}_{alpha }}}}+overrightarrow{{{{p}_{X}}}}=>overrightarrow{{{{p}_{alpha }}}}=-overrightarrow{{{{p}_{X}}}}$

$begin{array}{l}{{m}_{alpha }}overrightarrow{{{{v}_{alpha }}}}=-{{m}_{X}}.overrightarrow{{{{v}_{X}}}}\m_{alpha }^{2}.{{v}_{alpha }}=-m_{X}^{2}.{{v}_{X}}end{array}$

=> ${{v}_{alpha }}=frac{{m_{X}^{2}.{{v}_{X}}}}{{m_{alpha }^{2}}}$ Thay vào (4) ta được :

$frac{{{{K}_{alpha }}}}{{{{K}_{X}}}}=frac{{{{m}_{alpha }}frac{{m_{X}^{2}.{{v}_{X}}}}{{m_{alpha }^{2}}}}}{{{{m}_{X}}.v_{X}^{2}}}=frac{{{{m}_{X}}}}{{{{m}_{alpha }}}}$

=> Động năng tỉ lệ nghịch với khối lượng => ${{K}_{X}}={{K}_{alpha }}.frac{{{{m}_{X}}}}{{{{m}_{alpha }}}}$

Thay vào (1) ta được: ${{K}_{alpha }}+{{K}_{alpha }}.frac{{{{m}_{alpha }}}}{{{{m}_{X}}}}=14,15=>{{K}_{alpha }}=frac{{14,15}}{{1+frac{{{{m}_{alpha }}}}{{{{m}_{X}}}}}}=13,9$ MeV

=> ${{K}_{X}}=14,15-13,9=0,25MeV$

Thay vào (2),(3), ta được:

${{v}_{X}}=sqrt{{frac{{2{{K}_{X}}}}{{{{m}_{X}}}}}}=sqrt{{frac{{2.0,25.{{c}^{2}}}}{{229,9737.931}}}}=4,{{57.10}^{5}}m/s$

${{v}_{alpha }}=sqrt{{frac{{2{{K}_{alpha }}}}{{{{m}_{alpha }}}}}}=sqrt{{frac{{2.13,9.{{c}^{2}}}}{{4,0015.931}}}}=2,{{5810.10}^{7}}m/s$

=> Đáp án D.

Phản ứng hạt nhân, trắc nghiệm vật lý lớp 12 2022 | Mytranshop.com