skkn- MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HOÁ HỌC HẠT NHÂN.

Trên cơ sở đó , tôi đã tiến hành tổng kết và xây dựng các dạng bài tập của Hoá Học Hạt Nhân II/ Mục đích nghiên cứu: Nhằm làm cho học sinh có kỹ năng giải bài tập Hoá Học Hạt Nhân , phư

I/ Lý do chọn đề tài:

Khoa học là nguồn tri thức vô tận của con người , được nghiên cứu và phát minh ra khoa học là niềm đam mê của mỗi người và của mỗi nhà khoa học Một quốc gia có nền

kỹ thuật phát triển quốc gia đó có nền kinh tế phát triển Vì vậy nghành giáo dục có vai trò quan trọng và những người làm giáo dục mang một trọng trách rất lớn cho nên phải luôn luôn học hỏi , tìm kiếm kiến thức , phương pháp giáo dục sao cho phù hợp làm cho người học dễ hiểu , dễ tiếp thu.

Là giáo viên giảng dạy bộ môn hóa học ở trường trung học phổ thông chuyên tôi nhận thấy rằng bài tập là một phương tiện dạy học quan trọng của người giáo viên Bài tập có rất nhiều tác dụng đối với học trò , do đó nghiên cứu lí thuyết và kết hợp với việc xây dựng sưu tầm các bài tập trở nên hết sức cần thiết để từ đó khắc sâu kiến thức đã được học Trên cơ sở đó , tôi đã tiến hành tổng kết và xây dựng các dạng bài tập của Hoá Học Hạt Nhân

II/ Mục đích nghiên cứu:

Nhằm làm cho học sinh có kỹ năng giải bài tập Hoá Học Hạt Nhân , phương pháp suy luận một cách logic, có hướng đi cụ thể tạo điều kiện cho học sinh giải bài tập thuận lợi hơn.

III/ Đối tượng nghiên cứu

Học sinh lớp chuyên hoá , bồi dưỡng học sinh giỏi.

IV/ Nhiệm vụ:

- Phát huy tính tích cực sáng tạo tự học của học sinh

- Giúp học sinh hiểu rõ và khắc sâu kiến thức

- Cung cấp thêm kiến thức mới, mở rộng hiểu biết của học sinh về các vấn đề thực tiễn.

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HOÁ HỌC HẠT NHÂN

Ph

ầ n I: Tóm tắt lý thuyết

♣ Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi proton 11p và notron 1

0n Các hạt cấu tạo nên hạt nhân

có tên chung là các nucleon

Proton: mp = 1,00724 u = 1,6725.10-24 g

qp = 1,602.10-19 C = +e0 hay 1+

Notron: mn = 1,00865 u = 1,67482.10-24 g

qp = 0

♣ Khối lượng và kích thước hạt nhân nguyên tử

- Vì mỗi nucleon có khối lượng xấp xỉ bằng 1u nên mnhân  A (u) (A: là số khối)

- Bán kính hạt nhân (R):

- R = 0,7 + A1/3) 1,2.10-13 (cm) (A > 1) (một số vấn đề chọn lọc hoá học)

Từ số liệu về thể tích và khối lượng hạt nhân ta xác định được mật độ khối lượng của hạt nhân vào khoảng 1014g/cm3

♣ Lực liên kết hạt nhân

Các proton và notron tập trung ở tâm nguyên tử tạo thành một hạt nhân vững bền nên giữa các nucleon phải có một lực liên kết Lực liên kết ở đây không thể là lực tĩnh điện Culong vì các proton đều tích điện dương nên theo định luật Culong giữa các hạt này lực tương tác là lực đẩy Người ta cho rằng bản chất của lực liên kết hạt nhân là: lực tương tác giữa các nucleon xuất hiện

do một quá trình chuyển hoá liên tục từ proton sang notron và ngược lại

n n

-+

  



  

  

e+ (positron), e- (negatron), ν0 (notrino, không mang điện tích và khối lượng rất nhỏ

1

500m e



)

Thực ra, bản chất lực liên kết hạt nhân còn là vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu

♣ Năng lượng liên kết hạt nhân

Bằng thực nghiệm người ta thấy rằng khối lượng của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành Hiện tượng này gọi là sự hụt khối lượng

â

-Khối lượng hụt này ứng với một năng lượng rất lớn được giải phóng khi hình thành hạt nhân từ các nucleon Năng lượng này được tính theo hệ thức:

ΔE = Δm cE = ΔE = Δm cm c2 (c: vận tốc ánh sáng 3.108 m/s)

ΔE = Δm cE được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân.

Để tách hạt nhân (được tạo thành) thành các hạt ban đầu, cần phải tiêu tốn cùng năng lượng ΔE = Δm cE đó

Vậy ΔE = Δm cE đặc trưng cho sự ổn định (bền vững) của hạt nhân

ΔE = Δm cE càng lớn (tức ΔE = Δm cm càng lớn) thì hạt nhân càng bền vững

Người ta còn biểu thị năng lượng liên kết hạt nhân qui về cho một nucleon:

E E

A

d =D

E E

A

D

=

Trong sự tính toán nếu không dùng đơn vị năng lượng là (J) mà dùng MeV thì từ ΔE = Δm cE = ΔE = Δm cm.c2 ta

có 1u = 931.106 eV = 931 MeV

♣ Sự biến đổi các nguyên tố và hiện tượng phóng xạ tự nhiên

- Tính phóng xạ tự nhiên là khả năng của các chất chứa các nguyên tố xác định không cần tác động bên ngoài, tự phát ra bức xạ không nhìn thấy với thành phần phức tạp

Các hạt nhân nặng không bền như Của, Po, Ra,… liên tục phóng ra các tia phóng xạ α (42He ),

β (-01e), γ (bức xạ).

- Định luật chuyển dịch phóng xạ Fajans, Soddy

Z X He Z- Y

Nguyên tố sản phẩm của sự phóng xạ α dịch chuyển 2 ô về bên trái nguyên tố mẹ trong bảng tuần hoàn

0

Z X ¾¾®- e+Z+Y

Nguyên tố sản phẩm của sự phóng xạ β dịch chuyển một ô về bên phải nguyên tố mẹ trong bảng tuần hoàn

Phóng xạ γ không làm biến đổi nguyên tố nhưng có sự thay đổi trạng thái năng lượng của hạt nhân

Các nội dung trên của định luật chuyển dời thực chất bắt nguồn từ định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích

- Trong quá trình phóng xạ, đa số các sản phẩm tạo thành lại có tính phóng xạ vì vậy sự phân huỷ nối tiếp nhau tạo thành dãy hay họ phóng xạ

(HS xem các họ phóng xạ ở trang 71-73 một số vấn đề chọn lọc) hoá học tập 1)

♣ Động học các quá trình phóng xạ

Thực nghiệm xác định rằng về mặt động hoá học của tất cả các quá trình phân rã phóng xạ đều tuân theo quy luật phản ứng một chiều bậc nhất

Nồng độ chất A ở thời điểm đầu (t = 0) là a.

Nồng độ chất A bị mất đi sau thời gian t là x

Nồng độ chất A còn lại ở thời điểm t là (a-x)

Phương trình động học của phản ứng là:

dx

dt

-(1) ((1) là phương trình động học dạng vi phân)

k là hằng số tốc độ phản ứng tại nhiệt độ xác định

(1) phân li biến số, lấy tích phân ta được phương trình động học dạng tích phân:

1 ln

a k

=

Áp dụng cho sự phân rã phóng xạ:

k là hằng số phân rã phóng xạ

No Số hạt nhân phóng xạ có ở thời điểm đầu (t = 0)

N Số hạt nhân đó còn lại ở thời điểm t đang xét

(4)

Thời gian để lượng chất ban đầu mất đi một nửa gọi là thời gian bán huỷ hay chu kì bán huỷ (kí hiệu t1/2)

Thay N = No/2 vào (4) ta có:

1/2

1 ln 2

k t

=

ln 2

t

k

=

(5)

* Độ phóng xạ:

Độ phóng xạ A của một mẫu phóng xạ là đại lượng bằng số các phân rã trong một đơn vị thời gian

dN A dt

=

Thực chất đây là tốc độ phân rã của mẫu phóng xạ

♣ Phản ứng hạt nhân Sự phân hạch hạt nhân Phản ứng nhiệt hạch.

Phần II: Bài tập

0

1

lnN

k

= hay N = No.e-kt

Dạng 1: Năng lượng hạt nhân.

Bài 1: Hạt nhân Li có khối lượng m = 7,0160 (u) Tính năng lượng liên kết riêng của hạt

nhân Li Biết rằng m p = 1,00724(u), m n = 1,00862(u).

Hướng dẫn

Cách 1: ΔE = Δm cm = (1,00724.3 + 1,00862.4) – 7,0160 = 0,0402 u

ΔE = Δm cE = ΔE = Δm cm.c2 = 0,0402.3.108)2

3 23

10 6,022.10

-= 6,00797.10-12 (J)

12

13

6,00797.10

8,58281.10 7

r

E E

A

-D

(J/nucleon)

Cách 2: Tính được ΔE = Δm cm = 0,0402 u

ΔE = Δm cE = 0,0402.931 = 37,4262 (MeV)

37, 4262

5,3466 7

r

E E

A

D

(MeV/nucleon)

* HS cần lưu ý về đơn vị:

3

-=

(N = 6,022.1023) 1eV = 1,602.10-19J; 1u = 931MeV

Bài 2: Tính năng lượng hạt nhân (theo KJ.mol -1 ) kèm theo quá trình biến đổi sau:

Biết 23592U = 235,0439u. 94

40Zr = 93,9061u. 140

58Ce = 139,9053u.

m p = 1,00728u m n = 1,00866u m e = 5,4858.10 -4 u.

Hướng dẫn

= 0,22384u

ΔE = Δm cE = 0,22384.10-3.10-3.(3.108)2 = 2,01456.1010 (KJ.mol-1)

Nếu chú ý rằng đây là năng lượng được giải phóng sau phản ứng ta có thể viết:

ΔE = Δm cE = -2,01456.1010 (KJ.mol-1)

Dạng 2: Động học phản ứng phóng xạ tự nhiên

Bài 3: “Liệu pháp coban” dùng trong y học để chứa một số dạng ung thư dựa vào khả năng

làm giảm khối u của tia gamma Coban-60 phân rã tạo ra hạt β, tia gamma có t 1/2 = 5,27 năm theo phương trình:

Sau 30 năm một mẫu coban-60 nặng 3,42μg còn lại bao nhiêu?g còn lại bao nhiêu?

Hướng dẫn

0,13152

5, 27

k t

(năm-1)

Sau 30 năm khối lượng Co-60 còn lại là:

m = mo.e-kt

= 3,42.e-(0,13152.30) = 0,06614 (μg)g)

Bài 4: Một mẫu đá chứa 17,4μg còn lại bao nhiêu?g U 238 và 1,45μg còn lại bao nhiêu?g Pb 206 Tính tuổi (niên đại) của mẫu đá đó, biết

U 238 có t 1/2 = 4,51.10 9 năm.

Hướng dẫn

Ta biết

9 9

1/2

0,15369.10 4,51.10

k t

(năm-1)

Ta thấy nU(phân huỷ) = nPb(tạo thành)

(Ur ) (Ur )

an Pb

an Pb

Þ mU(phân huỷ) =

206

an Pb Pb

A m

(μg)g)

Ta biết

1

lnN o

k

=

hay

1

lnm o

k

=

Vậy

8 9

o

m t

-+

(năm)

Bài 5: Một mẫu than lấy từ hang động của người Polinexian cổ đại ở Haoai có tốc độ phân

huỷ 14 C là 13,6 (tính cho 1g cacbon trong 1 giây) Tính tuổi của mẫu than đó Biết 14 C có t 1/2 =

5730 năm.

Hướng dẫn

Cơ sở của phương pháp định tuổi này là:

Trong tự nhiên 14C được hình thành từ phản ứng hạt nhân:

Khi phân rã, 14C tạo ra:

Vì 14C được tạo thành theo (1) rồi bị phân huỷ theo (2) đều với vận tốc hằng định nên trong khí quyển có lượng 14CO2 hằng định Do đó cũng có một lượng nhỏ nhưng cũng hằng định

14C trong cơ thể thực vật, động vật sống Khi thực vật, động vật chết lượng 14C bị giảm (mà không được bù lại)

Người ta xác định rằng: trong khí quyển, trong mỗi cở thể động thực vật đang sống cứ 1 giây trong 1 gam cacbon có 15,3 phân huỷ 14C Khi cơ thể này chết đi tốc độ phân huỷ đó giảm dần với chu kì bán huỷ là 5730 năm

Ta biết:

1

lnR o

t

ç =

Ro là số phân huỷ 14C khi cơ thể động thực vật còn sống Đó là hằng số, Ro = 15,3 (tính cho 1g C trong 1 giây)

R là số phân huỷ 14C khi cơ thể động thực vật đã chết, có tại lúc được phát hiện, ở đây R = 13,6

1/2

ln

5730

k

t

= 1,209.10-4 (năm-1) Tuổi của mẫu than đó là:

(năm)

Bài 6: 22688Ra có chu kì bán huỷ là 1590 năm Hãy tính khối lượng của một mẫu Radi có cường

độ phóng xạ bằng một Curi (1 Ci = 3,7.10 10 Bq).

Hướng dẫn

Gọi N là số nguyên tử Ra trong mẫu Ra đã có 3,7.1010 phân rã trong một giây

dN

dt

dN

dt

10

3,7.10

N

k

10

3,7.10 (ln 2) / 1590

N

Một cách gần đúng MRa 226 (g/mol)

Khối lượng của mẫu Ra là:

10

1( )

N

Bài 7: Một mẫu Radon (Rn) ở thời điểm t = 0, phóng ra 7,0.10 4 hạt α trong 1 giây, sau 6,6 ngày mẫu đó phóng ra 2,1.10 4 hạt α trong 1 giây Hãy tính chu kì bán huỷ (t 1/2 ).

Hướng dẫn

Ta biết:

1

lnN o

k

=

mà

4 4

o o

(ngày-1)

3,7997 0,1824

t

k

(ngày)

Bài 8: Uran thiên nhiên chứa 99,28% U 238 (t 1/2 = 4,5.10 9 năm) và 0,72% U 235 (t 1/2 = 7,1.10 8

năm) Tính tốc độ phân rã mỗi đồng vị trên trong 10g U 3 O 8 mới điều chế.

Hướng dẫn

Với v (hay R) là tốc độ phân huỷ hạt nhân

k là hằng số tốc độ phân huỷ

N là tổng số hạt nhân phóng xạ ở thời điểm t đang xét

ln 2

k t

=

(cần phải đổi t1/2 ra đơn vị giây)

238.99, 28 235.0,72

237,9784 238 100

U

(g/mol)

2

10

.3 3,57.10 238.3 16.8

U

238

U

N

= 3,57.10-2.99,28%.6,022.1023 = 2,13.1022 (hạt)

235

U

N

= 3,57.10-2.0,72%.6,022.1023 = 1,55.1020 (hạt)

Tốc độ phân rã của U238 là:

v238 = k238.N238 =

9

ln 2

(hạt nhân/giây) Tốc độ phân rã của U235 là:

v235 = k235.N235 =

8

ln 2

(hạt nhân/giây)

Bài 9: Khi nghiên cứu một cổ vào C 14 (t 1/2 = 5730 năm) người ta thấy trong mẫu đó có cả C 11

Số nguyên tử C 14 bằng số nguyên tử C 11 , tỉ lệ độ phóng xạ C 11 so với C 14 bằng 1,51.10 8 lần Tính tỉ lệ độ phóng xạ C 11 so với C 14 trong mẫu này sau 12 giờ kể từ nghiên cứu trên (Biết 1 năm có 365 này)

Hướng dẫn

Độ phóng xạ v = k.N

Tại thời điểm đầu t = 0

o C o C

(1)

o C o C

(2)

mà

14

ln 2

5730.365.24.3600

o C o C

o C o C

k

(s-1)

từ (1) và (2) Þ k11 = 5,7926.10-4 (s-1)

Tại thời điểm t = 12h

v =k N

(3)

v =k N

(4)

mà

11

14 11 14

k t

k t

e

-ü ï

=

ý ï

Vậy

11

14 11

14

C t k k C

N

e N

-=

từ (3) và (4) Þ

14

11

14 11

14

14

C t k k C

e

14

4

12

5,7926.10

3,836.10

C C

v

e v

(lần)

Phần III : Bài tập học sinh tự giải

1 Viết phương trình phản ứng hạt nhân biểu diễn sự phóng xạ α của các đồng vị:

2 Viết phương trình phản ứng hạt nhân biểu diễn sự phóng xạ β của các đồng vị:

3 Họ phóng xạ actini bắt đầu từ urani – 235 (23592U ) và kêt thúc bằng chì – 207 (207

82Pb ) Năm giai

đoạn đầu xảy ra lần lượt sự phóng xạ α, β, α, α và β Hãy xác định các đồng vị phóng xạ được sinh ra ở mỗi giai đoạn bắt đầu từ urani – 235

4 Cân bằng các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây Chỉ rõ số khối và số hiệu nguyên tử của nguyên tố “?”

a) 137N ¾¾®136C+?

b) 2041Ca+-01e¾¾®?

c) 3890Sr¾¾®9039Y+?

d) 116C¾¾®115B+?

e) 2143Sc¾¾®11H+?

5 Triti 13H là đồng vị phóng xạ của hydro, có chu kỳ bán huỷ là 12,3 năm.

Nếu ban đầu có 1,5mg đồng vị đó thì sau 49,2 năm còn lại bao nhiêu miligam?

6 Stronti-90 (3890Sr ) là một đồng vị phóng xạ có chu kì bán huỷ (t1/2) là 12 năm, được sinh ra khi

nổ bom nguyên tử Đó là một đồng vị phóng xạ khá bền và nó có khuynh hướng tích tụ vào tuỷ xương nên đặc biệt nguy hiểm cho người và súc vật

a) Đây là một đồng vị phóng xạ β Viết và cân bằng phương trình phản ứng, chỉ rõ sản phẩm của phản ứng

b) Một mẫu 3890Sr phóng ra 2000 phần tử β trong một phút Hỏi cần bao nhiêu năm sự phóng xạ

mới giảm xuống 125 hạt β trong một phút?

7 Hãy nêu những nét lớn về ứng dụng của các đồng vị sau:

60

27Co , 32

15P , 131

53I , 239

8 Tính E, Er của hạt nhân Đơteri (12H ) biết mp = 1,6725.10-24g, mn = 1,6748.10-24g, mD = 3,3437.10-24g

ĐS: 2,02 và 1,01 MeV

9 Hoàn thành các phản ứng hạt nhân sau:

a 23592U+01n¾¾®14156Ba+3692Kr+ +năng lượng.?

b 23994Pu+ ¾¾? ®9139Y+14655Cs+301n+năng lượng

c 12H+37Li¾¾®2a+ + năng lượng.?

d 23892U+ ¾¾? ®23992U ¾¾®23993Np+ ?

239

¯ +

10 Các nguyên tố sẽ biến đổi như thế nào khi phóng xạ α, β, γ?

Hãy bổ sung các phương trình phản ứng phóng xạ sau:

226

11 Xuất phát từ phản ứng phân hạch sau đây:

Hãy xác định điện tích hạt nhân và số khối của nguyên tử X

12 Có bao nhiêu hạt α, β được phóng ra trong dãy biến đổi phóng xạ chuyển một hạt nhân 23892U

thành 20682Pb ?

13 Xét phản ứng phân hạch đơn giản sau:

Xác định hạt nhân X?

14 Hoàn thành các phương trình phản ứng hạt nhân sau đây:

a 23892U ¾¾®23090Th+

b 23592U ¾¾®20682Pb+

Có định luật bảo toàn nào được áp dụng khi hoàn thành phương trình trên?

(HSGQG - 2000)

15 Hãy tính xem trong bao nhiêu năm thì 99,9% số nguyên tử phóng xạ X bị phân huỷ Cho biết chu kì bán huỷ của X là t1/2 = 50 năm

17 Khi bán phá đồng vị 23592U bằng một notron ta thu được các nguyên tử 132

51Sb và 101

41Nb Hãy

xác định năng lượng được giải phóng ra theo eV của 1 nguyên tử 23592U Cho biết: m (235

U ) =

235,04u m (101Nb ) = 100,911u; m (132

Sb ) = 131,885u; mn = 1,0087u; c = 3.108m/s

18 Có bao nhiêu hạt proton, notron trong mỗi hạt nhân sau đây:

a/ Ne22; b/ Sr88; c/ Sr92;d/ W180; e/ Cm242

19 Theo định luật Rusell-Sođy (Raxen-Xôđi): Khi một nguyên tố phóng xạ sẽ có sự thay đổi vị trí của nó trong bảng tuần hoàn:

a/ Sự bức xạ một hạt α tạo ra một nguyên tố mới khác vị trí nguyên tố đầu hai nhóm về bên trái b/ Sự bức xạ một hạt β tạo ra một nguyên tố mới khác vị trí nguyên tố đầu một nhóm về bên phải Dựa vào bản chất hạt α và hạt β giải thích định luật này và nêu ví dụ cụ thể để minh hoạ

20 Một hạt nhân 80Br35 có thể biên đổi bằng cách:

a/ Bức xạ một e- hay

b/ Bức xạ một positron (tức hạt +eo) hay

c/ Đoạt 1e-

Trong mỗi trường hợp đó có nguyên tố mới nào được tạo thành? Viết phương trình tạo thành nguyên tố đó

21 Hạt nhân 90Th233 bức xạ liên tiếp 2e tạo ra một đồng vị Uran Hãy viết phương trình cho quá trình đó

22 Viết đầy đủ phương trình phản ứng hạt nhân sau đây:

(có sự giải thích cần thiết ở mỗi trường hợp)

23 Đồng vị 84Po207 có thể phân huỷ theo 3 cách:

a/ Đoạt 1e-; b/ Bức xạ một positron; c/ Bức xạ một hạt α

Hãy viết phương trình cho mỗi trường hợp đó.

24 Có một mẫu chứa 45 microgam (μg)g) 86Rn222 Sau 8,5 ngày thì lượng 86Rn222 còn lại bao nhiêu? Biết rằng chu kì bán huỷ của 86Rn222 là 3,8 ngày

25 Một mẫu ban đầu có 0,30 mg Co60 Sau 1,40 năm lượng Co60 còn lại 0,25mg Tìm chu kì bán huỷ của Co60

26 Xeri – 137 (Ce137) là một sản phẩm trong lò phản ứng hạt nhân, nó có chu kì bán huỷ 30,2 năm, Ce137 là một trong những đồng vị phát tán mạnh nhiều vùng ở chấu Âu sau tai nạn hạt nhân Trec-nô-bưn Sau bao lâu lượng chất độc này còn 1,0% kể từ lúc tai nan xảy ra?

27 Một trong những nguồn cơ bản của đồng vị phóng xạ K40 trong cơ thể người là xương Tính thời gian bán huỷ của K40, biết rằng sau 4,5 tỉ năm lượng đồng vị này còn lại 7,0%

28 Một mẫu đá chứa 13,2 μg)g Uran-238 và 3,42μg)g Pb-206 Biết rằng chu kì bán huỷ của 92U238 là 4,51.109 năm Hãy tính tuổi của mẫu đá đó

29 Một mẫu than củi tìm thấy trong một động ở Lascaux (Lasco) tại Pháp có tốc độ phân huỷ bằng 2,4 phân huỷ trong một phút tính cho một gam Giả định rằng mẫu than này là phần còn lại của một mẫu than đã được một hoạ sĩ tạo ra và dùng để vẽ các tranh trên thành động này Hoạ sĩ

đó tạo ra mẫu than này vào năm nào?

30 Tìm niên đại của một mẫu than củi có tốc độ phân huỷ là 11,2 lầ trong một giây cho một gam

31 Khối lượng nguyên tử (nguyên tử khối) của O16 là 15,99494u (hay đvC) Do đó khối lượng của hạt nhân O16 là 15,99053u (hay đvC) Tìm năng lượng liên kết cho một nucleon của oxi Khối lượng 1 proton là 1,00728u (đvC), 1 notron là 1,00866u (hay đvC)