phương pháp giải các dạng bài tập vật lý phần vật lý hạt nhân nguyên tử

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN SÁNG KIẾN, GIẢI PHÁP Trước đây khi dạy phần này tôi hệ thống kiến thức toàn chương rồi đưa ra hệ thống ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm của chương rồi hướng dẫn học si

2 XÁC ĐỊNH HẠT NHÂN CÒN THIẾU TRONG

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN (TRONG PHƯƠNG

Tài liệu tham khảo: - Sách giáo khoa Vật Lý 12 – NXBGD

- Sách giáo khoa Nâng Cao Vật Lý 12 – NXBGD

-Sách 1008 câu hỏi trắc nghiệm Vật lý Tác giả Trương Thọ Lương

;Nguyễn Hùng Mãnh

-Hệ thống câu hỏi trắc nghiệm trên trang Thư Viện Vật lý

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

và tối ưu các câu trắc nghiệm, đặc biệt là các câu trắc nghiệm định lượng là rất cần thiết

để có thể đạt được kết quả cao trong các kì thi

Khi giảng dạy phần “vật lý hạt nhân” lớp 12 tôi nhận thấy hầu hết các em học sinh đều rất lúng túng khi làm các bài tập Bởi đây là phần khá mới mẻ , học sinh chưa được làm quen ở cấp THCS,có nhiều dạng bài tập ,có nhiều công thức cần nhớ và việc áp dụng các công thức toán học tương đối phức tạp.Hơn hết là phần dễ lấy điểm hơn trong các kì thi so với các chương khác của Vật lý 12 Khó khăn lớn nhất của các em là việc xác định bài toán thuộc dạng nào để đưa ra phương pháp giải phù hợp cho việc giải bài toán đó một cách đúng đắn và nhanh

Để giúp cho học sinh dễ dàng nắm chắc kiến thức ở chương hạt nhân nguyên tử, vận dụng tốt các phương pháp giải các bài toán trong các đề thi thuộc phần “ Hạt nhân

nguyên tử ”.Tôi chọn đề tài : “PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP HẠT NHÂN

NGUYÊN TỬ ”

II QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN SÁNG KIẾN, GIẢI PHÁP

Trước đây khi dạy phần này tôi hệ thống kiến thức toàn chương rồi đưa ra hệ thống ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm của chương rồi hướng dẫn học sinh giải mà không đưa ra phương pháp giải theo từng chuyên đề Cách làm đó học sinh làm cũng được nhưng hiệu quả chưa cao và các em cũng không nắm rõ trong phần hạt nhân có những dạng bài tập nào thuộc chuyên đề nào , xác định bài toán thuộc dạng nào để đưa ra

phương pháp giải phù hợp cho việc giải bài toán đó một cách đúng đắn và nhanh

Trong đề tài này tôi lần lượt giải quyết như sau :

-Tóm tắt lý thuyết của chương này

-Phân loại các dạng bài tập của chương và nêu phương pháp giải

-Các ví dụ minh họa cho từng dạng

-Đưa ra các bài tập áp dụng trong từng dạng để học sinh luyện tập

NỘI DUNG SÁNG KIẾN NHƯ SAU :

A.CƠ SỞ LÍ LUẬN

I.TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN

1.Cấu tạo hạt nhân

a Hạt nhân tích điện dương +Ze (Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn)

- Kích thước hạt nhân rất nhỏ, nhỏ hơn kích thước nguyên tử 104 105 lần

- Hạt nhân coi như quả cầu bán kính R thì bán kính hạt nhân đươc tính bởi công thức

1 1510.2,

b Cấu tạo hạt nhân

- Hạt nhân được tạo thành bởi các nuclôn

+ Prôtôn (p), mang điện tích nguyên tố dương (+e) , mP = 1,67262.10-27 kg = 1,0073 u + Nơtrôn (n), không mang điện, mN = 1,67493.10-27 kg = 1,0087 u

- Số prôtôn trong hạt nhân bằng Z (nguyên tử số)

- Tổng số nuclôn trong hạt nhân kí hiệu A (số khối)

- Số nơtrôn trong hạt nhân là A – Z

c Kí hiệu hạt nhân

- Hạt nhân của nguyên tố X được kí hiệu: Z A X

- Kí hiệu này vẫn được dùng cho các hạt sơ cấp: 11p, 01n, 10e

2 Khối lượng và năng lượng hạt nhân

- Theo Anh-xtanh, năng lượng E và khối lượng m tương ứng của cùng một vật luôn luôn tồn tại đồng thời và tỉ lệ với nhau, hệ số tỉ lệ là c2

E = mc2c: vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108m/s)

1uc2 = 931,5MeV

 1u = 931,5MeV/c2MeV/c2 được coi là 1 đơn vị khối lượng hạt nhân

- Chú ý quan trọng:

+ Một vật có khối lượng m0 khi ở trạng thái nghỉ thì khi chuyển động với vận tốc v, khối lượng sẽ tăng lên thành m với

0 2 2 1

m m

v c



Trong đó m0: khối lượng nghỉ và m là khối lượng động

+ Năng lượng toàn phần:

2

2 0

2 2 1

m c

E mc

v c

Trong đó: E0 = m0c2 gọi là năng lượng nghỉ

+ Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (10-15m)

2.Năng lượng liên kết của hạt nhân

c Năng lượng liên kết riêng

- Năng lượng liên kết riêng, kí hiệu E lk

A , là năng lượng liên kết tính cho một nuclôn

- Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân

2 Độ phóng xạ : Để đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất

phóng xạ, người ta dùng đại lượng gọi là độ phóng xạ (hay hoạt độ phóng xạ), được xác

định bằng số phân rã trong một giây

Đơn vị đo độ phóng xạ có tên gọi là Becơren, kí hiệu Bq hay phân rã/s

1Ci = 3,7.1010 Bq

H = N

+ Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ tại thời điểm t bằng tích hằng số phóng xạ

và số lượng hạt nhân phóng xạ chứa trong lượng chất đó ở thời điểm t Độ phóng xạ ban

đầu bằng Ho = No

+ Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ giảm theo thời gian theo cùng quy luật hàm

số mũ, như số hạt nhân (số nguyên tử) của nó

- Đồng vị phát ra tia được dùng để làm nguyên tử đánh dấu trong khoa học

- Đồng vị được dùng trong xác định tuổi của các cổ vật trong khảo cổ học (phương pháp cacbon 14)

IV PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1 Khái niệm:

a.Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân

Có hai loại phản ứng hạt nhân:

- Sự tự phân rã của hạt nhân không bền dẫn đến hạt nhân khác

- Các hạt nhân tương tác với nhau dẫn đến sự biến đổi chúng thành các hạt nhân khác

2 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

a Định luật l bảo toàn số nuclon (số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclon của hạt tương tác bằng tổng số nuclon của hạt sản phẩm

b Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm

c Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (bao gồm động năng và năng lượng nghỉ)

Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm

d Định luật bảo toàn động lượng

3 Quy tắc dịch chuyển trong sự phóng xạ

Vậy quy tắc dịch chuyển của phân rã + là : Trong phân rã +, so với hạt nhân mẹ thì hạt nhân con lùi một ô trong Bảng tuần hoàn

4 Năng lượng trong phản ứng hạt nhân

Phản ứng tỏa một lượng năng lượng: W = (m0 – m)c2 (3)

Năng lượng này tồn tại dưới dạng động năng của các hạt C, D hoặc năng lượng của

photon gọi là năng lượng hạt nhân

b Nếu m>m 0

Để phản ứng này xảy ra ta phải cung cấp cho các hạt A, B một động năng ban đầu

Vậy năng lượng thỏa điều kiện

W = (m0 – m)c2 + Wđ (4)

5 Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng

+ Phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng xảy ra khi các hạt sinh ra bền vững hơn các hạt tương tác ban đầu

+ Có hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng

- Phản ứng nhiệt hạch

- Phản ứng phân hạch

mp = 1,00728u : khối lượng prôtôn

mn = 1,00866u khối lượng nơtron

mX khối lượng hạt nhân X

*Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân :  =Wlk ;

A đv: MeV/ nuclôn

1.VÍ DỤ :

Câu 1: (TN – THPT 2007): Các nguyên tử được gọi là đồng vị khi hạt nhân của chúng

có

Câu 2: (TN – THPT 2009): Trong hạt nhân nguyên tử 21084p o có

A 84 prôtôn và 210 nơtron B 126 prôtôn và 84 nơtron

C 210 prôtôn và 84 nơtron D 84 prôtôn và 126 nơtron

Câu 3: ( TN năm 2010)So với hạt nhân 4 0

2 0Ca, hạt nhân 5 62 7Co có nhiều hơn

A 7 nơtron và 9 prôtôn B 11 nơtron và 16 prôtôn

Câu 4:(CĐ năm 2012) Hạt nhân 3 3

1T; 2He có cùng

A cùng số prôtôn B cùng số nơtrôn C cùng số nuclôn D số điện tích Câu 5:(ĐH năm 2013) Cho khối lượng của hạt prôtôn, nơtrôn và hạt nhân đơteri 2

1 D lần lượt là 1,0073u; 1,0087u và 2,0136u Biết 1u= 2

931,5MeV / c Năng lượng liên kết của hạt nhân 2

1 D là:

A 2,24MeV B 4,48 MeV C 1,12 MeV D 3,06 MeV

Hướng dẫn: Áp dụng CT : Wlk = 931,5 Δm = 931,5 (1 1,0073 +1 1,0087-2,0136)

Câu 6: (ĐH năm 2013) Hạt nhân có độ hụt khối càng lớn thì có

A năng lượng liên kết càng nhỏ B năng lượng liên kết càng lớn

C năng lượng liên kết riêng càng lớn D năng lượng liên kết riêng càng nhỏ

Câu 7: (ĐH năm 2013) Các hạt nhân đơteri 2

1H; triti 3

1H, heli 4

2He có năng lượng liên kết lần lượt là 2,22 MeV; 8,49 MeV và 28,16 MeV Các hạt nhân trên được sắp xếp theo thứ tự giảm dần về độ bền vững của hạt nhân là

2He lần lượt là 1,11 MeV; 2,83 MeV; 7,04 MeV

Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt càng bền vững

Câu 8: (ĐH năm 2013) Một hạt có khối lượng nghỉ m0 Theo thuyết tương đối, khối

lượng động (khối lượng tương đối tính) của hạt này khi chuyển động với tốc độ 0,6 c (c

là tốc độ ánh sáng trong chân không) là

Câu 9: :(CĐ năm 2012) Biết động năng tương đối tính của một hạt bằng năng lượng

nghỉ của nó Tốc độ của hạt này (tính theo tốc độ ánh sáng trong chân không c ) bằng

2

3 2

2 1

m

v c



2.BÀI TẬP VẬN DỤNG

1.1 Hạt nhân nguyên tử A

Z X được cấu tạo

A gồm Z nơtron và A proton B gồm Z proton và A nơtron

C gồm Z proton và (A-Z) nơtron D gồm Z nơtron và (A +Z) proton

1.2 Các hạt nhân đồng vị có cùng

A số Z nhưng khác số A B số A nhưng khác nhau số Z

C số nơtron D số Z và cùng số A

1.3 Các đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học có cùng

A số prôtôn B số nơtron C số nuclôn D năng lượng liên kết

1.4 Giả sử ban đầu có Z proton và N nơtron đứng yên, chưa liên kết với nhau, khối lượng

tổng cộng là m0, khi chúng kết hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân thì có khối lượng m Gọi Wlk là năng lượng liên kết và c là vận tốc ánh sáng trong chân không Biểu thức nào sau đây luôn đúng ?

A 35 proton và 17 electron B 18 proton và 17 nơtron

C 17 proton và 35 nơtron D 17 proton và 18 nơtron

A 32,29897MeV B 28,29897MeV C 82,29897MeV D 25,29897MeV

1.9 Hạt nhân 60

27Cocó khối lượng là 55,94 u Biết khối lượng của proton là 1,0073u và khối lượng của nơtron 1,0087u Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 60

27Colà

A 70,5MeV B 70,4MeV C 48,9MeV D 54,MeV

1.10 Một hạt có khối lượng nghỉ m0 Theo thuyết tương đối, động năng của hạt này khi

chuyển động với tốc độ 0,8 c (c là tốc độ ánh sáng trong chân không) là

* Áp dụng Các định luật bảo toàn

+ Bảo toàn số nuclôn (số khối): A 1 + A 2 = A 3 + A 4

+ Bảo toàn điện tích (nguyên tử số): Z 1 + Z 2 = Z 3 + Z 4

*Chú ý : Nên học thuộc một vài chất có số điện tích thường gặp trong phản ứng hạt nhân -Một vài loại phóng xạ và đặc trưng về điện tích , số khối của chúng:hạt α 4

2He

 ;hạt nơtron 1

1.VÍ DỤ

Câu 1: (TN – THPT 2008): Cho phản ứng hạt nhân α + Al1327 → P1530 + X thì hạt X là

A prôtôn B nơtrôn C êlectrôn D pôzitrôn

Hướng dẫn: 4

2He + Al1327 → P1530 + X ĐLBT số khối : 4+27=30+AX →AX = 1

ZX là

A prôtôn B hạt α C êlectron D pôzitron

Hướng dẫn: Tương tự trên

Câu 4:(ĐH 2012) Trong phản ứng hạt nhân có sự bảo toàn

A Số prôtôn B số nơtron C.số nuclon D khối lượng

Câu 5: (TN – THPT 2008) Khi nói về phản ứng hạt nhân, phát biểu nào sau đây đúng ?

A tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng hạt nhân luôn được bảo toàn

B Tất cả các phản ứng hạt nhân đều thu năng lượng

C tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng hạt nhân luôn được bảo toàn

D năng lượng toàn phần trong phản ứng hạt nhân luôn được bảo toàn

Câu 6: (CĐ 2012) Cho phản ứng hạt nhân sau : 19 16

9FX  8O 4

2He Hạt X là

Hướng dẫn: Tương tự trên

Câu 7: Urani 238 phân rã thành rađi tiếp tục cho đến khi hạt nhân con là đồng vị chì

bền 20682Pb Hỏi 23892U biến thành 20682Pbsau bao nhiêu phóng xạ  và - theo dãy sau:

Pb Th

U Pa Th

2.1 Xác định hạt nhân X trong phản ứng hạt nhân sau:3

1T X   n

A.11H B 2

1D C 3

1T D 24He

2.2 Định luật bảo toàn nào sau đây không áp dụng được trong phản ứng hạt nhân

A điện tích B khối lượng C năng lượng toàn phần D số nuclon

2.3 (TN – THPT 2007):Hạt nhân C614 phóng xạ β- Hạt nhân con được sinh ra có

A 5 prôtôn và 6 nơtrôn B 7 prôtôn và 7 nơtrôn

C 6 prôtôn và 7 nơtrôn D 7 prôtôn và 6 nơtrôn

2.4 (TN năm 2010)Hạt nhân 16C sau một lần phóng xạ tạo ra hạt nhân 17N Đây là

A phóng xạ γ B phóng xạ α C phóng xạ β- D phóng xạ β+

2.5 Urani 238 phân rã theo chuỗi phóng xạ :238

92

A Z

UTh Pa X Trong đó Z,A là

Năng lượng phản ứng hạt nhân: E = (M0 – M)c2 = (M0 – M)931,5MeV Trong đó: M0

= + là tổng khối lượng các hạt nhân sau phản ứng

Lưu ý: - Nếu M0 > M thì phản ứng toả năng lượng E dưới dạng động năng của các hạt X3, X4 hoặc phôtôn 

Các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn

- Nếu M0 < MSau thì phản ứng thu năng lượng E dưới dạng động năng của các hạt X1, X2 hoặc phôtôn 

Các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững

Năng lượng liên kết riêng tương ứng là 1, 2, 3, 4

Năng lượng liên kết tương ứng là Wlk1 , Wlk2’ Wlk3 , Wlk4

*Chú ý : số hạt nhân nguyên tử có trong m (g) chất Z A X

Câu 1: (CĐ 2012)Cho phản ứng hạt nhân :2 2 3 1

1D 1 D 2 He 0n Biết khối lượng của

2 3 1

1D He n, 2 , 0 lần lượt là mD=2,0135u; mHe = 3,0149 u; mn = 1,0087u Năng lượng tỏa ra của phản ứng trên bằng

A 1,8821 MeV B 2,7391 MeV C 7,4991 MeV D 3,1671 MeV

Hướng dẫn:: Năng lượng tỏa ra của phản ứng: E = (2mD -mHe - mn)c2 = 0,0034uc2 = 3,1671 MeV

Câu 2: :(ĐH 2009) Cho phản ứng hạt nhân: 3 2 4

1 T  1 D  2 He  X Lấy độ hụt khối của hạt nhân T, hạt nhân D, hạt nhân He lần lượt là 0,009106 u; 0,002491 u; 0,030382 u và 1u = 931,5 MeV/c2 Năng lượng tỏa ra của phản ứng xấp xỉ bằng

A 15,017 MeV B 200,025 MeV C 17,498 MeV D 21,076 MeV

0,002491 u) 931,5Mev = 17,498 MeV (độ hụt khối của nowtron (X) = 0)

Câu 3:(ĐH 2013) Tổng hợp hạt nhân heli 4

2He từ phản ứng hạt nhân

1H 3Li 2HeX Mỗi phản ứng trên tỏa năng lượng 17,3 MeV Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 0,5 mol heli là

A 1,3.1024 MeV B 2,6.1024 MeV C 5,2.1024 MeV D 2,4.1024 MeV

Hướng dẫn: Hạt nhân X cũng là hạt He nên số phản ứng bằng một nửa số hạt

Tổng hợp được 1 hạt X tỏa năng lượng 17,3/2 MeV

n.NA ?

2410.6,22

Câu 4: :(ĐH 2013) Một lò phản ứng phân hạch có công suất 200 MW Cho rằng toàn bộ

năng lượng mà lò phản ứng này sinh ra đều do sự phân hạch của 235U và đồng vị này chỉ

bị tiêu hao bởi quá trình phân hạch Coi mỗi năm có 365 ngày; mỗi phân hạch sinh ra 200

MeV; số A-vô-ga-đrô NA=6,02.1023 mol-1 Khối lượng 235U mà lò phản ứng tiêu thụ trong

0n Biết độ hụt khối của hạt nhân D

là 0,0024u, của hạt nhân X là 0,0083u Phản ứng này tỏa hay thu bao nhiêu năng lượng?

A tỏa 4,24 MeV B tỏa 3,26 MeV C.thu 4,24 MeV D thu 3,26 MeV

3.2 Cho phản ứng hạt nhân 27 30

13Al 15P n

   , khối lượng các hạt nhân là m= 4,0015u, mAl = 26,97435u, mp = 1,00867u, 1u = 931 MeV/c2 Năng lượng mà phản ứng này tỏa ra hoặc thu vào là bao nhiêu ?

A tỏa ra 4,275152 MeV B thu vào 2,67197MeV

C tỏa ra 4,275152.10-13 J D thu vào 2,67197.10-13 J

3.3 Cho phản ứng hạt nhân 37 37

17Cl p 18Arn, khối lượng của các hạt nhân là m(Ar) = 36,956889u, m(Cl) = 36,956563u, m(n) = 1,00867u, m(p) = 1,007276u, 1u = 931 MeV/c2 Năng lượng mà phản ứng này tỏa ra hay thu vào là

A tỏa ra 1,60132 MeV B thu vào 1,60132 MeV

C tỏa ra 2,562112.10-19J D thu vào 2,562112.10-19 J

3.4 Bắn hạt  vào hạt nhân 147N đứng yên ta có phản ứng:  N 17O p

8 14 7

4,0015u; mN = 13,9992u; mO = 16,9947u; mp = 1,0073u Phản ứng này:

A.thu 1,94.10-13J B.thu 1,21.10-13J C.toả 1,94.10-13J D.toả 1,2110-13 J

3.5 Chọn câu đúng Bom nhiệt hạch dùng trong phản ứng hạt nhân

3.6 Mỗi hạt nhân 92U phân hạch tỏa ra năng lượng 200MeV.Năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1

kg 235

92U là

A tỏa 4,24 MeV B tỏa 5,12.1026 MeV

C.thu 4,24.1026 MeV D thu 3,26 MeV

3.7 Phản ứng nào sau đây không phải là phản ứng hạt nhân nhân tạo

Trong số các hạt này có thể là hạt sơ cấp như nuclôn, eletrôn, phôtôn

* Các định luật bảo toàn

+ Bảo toàn số nuclôn (số khối): A1 + A2 = A3 + A4

+ Bảo toàn điện tích (nguyên tử số): Z1 + Z2 = Z3 + Z4

+ Bảo toàn động lượng: uurp1+ uurp2= uurp3+ uurp hay4 m1 1vur+ m2vur2= m3 3vur+m4vur4

+ Bảo toàn năng lượng:

1 2 3 4

K + K ± D =E K + K (1)

Trong đó:

*E là năng lượng phản ứng hạt nhân

- Nếu phản ứng tỏa năng lượng thì lấy +ΔE ở phương trình (1)

- Nếu phản ứng thu năng lượng thì lấy –ΔE ở phương trình (1)

* p1; p2; p3; p4

uur uur uur uur

: là động lượng của các hạt nhân X1 ; X2 ; X3 ; X4

* K X1;K X2;K X3;K X4 : Là động năng của các hạt nhân X1 ; X2 ; X3 ; X4 Với

2

1

; : 2

X x x

K = m v dv J

Lưu ý: - Không có định luật bảo toàn khối lượng

p = mv đv: p: kg.m/s m: kg v: m/s