ôn chương PHẢN ỨNG hạt NHÂN

Kĩ năng - Biết cách tính độ hụt khối và năng lượng liên kết hạt nhân - Biết viết phương trình phân rã phóng xạ và phản ứng hạt nhân dựa vào các định luật - Biết cách tính cường độ phóng

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

A Mục tiêu

1 Kiến thức

Biết được:

- Độ hụt khối Năng lượng liên kết của hạt nhân

- Khái niệm về hiện tượng phóng xạ, họ phóng xạ, độ phóng xạ, định luật chuyển dịch phóng xạ, định luật phân rã phóng xạ, chu kỳ phân rã của đồng vị phóng xạ Ứng dụng của đồng vị phóng xạ

- Khái niệm về phản ứng hạt nhân

2 Kĩ năng

- Biết cách tính độ hụt khối và năng lượng liên kết hạt nhân

- Biết viết phương trình phân rã phóng xạ và phản ứng hạt nhân dựa vào các định luật

- Biết cách tính cường độ phóng xạ, thời gian phân rã phóng xạ (tuổi), lượng chất còn lại sau khi phân rã phóng xạ, thời gian bán rã v.v

B Tài liệu tham khảo

C Hướng dẫn học sinh tự học

* Học sinh đọc tài liệu ở các trang đã hướng dẫn và trả lời các câu hỏi sau:

1 Định nghĩa phản ứng hạt nhân nguyên tử?

2 Phân loại phản ứng hạt nhân?

3 Các qui luật của phản ứng hạt nhân từ đó viết phương trình phản ứng hạt nhân?

4 Một số biểu thức tính toán về phản ứng hạt nhân?

D Bài tập tự kiểm tra kiến thức của học sinh (Bài kiểm tra lần 1)

Thời gian: 15 phút

Câu 1 Hạt nhân 80Ge có tính chất phóng xạ và phân rã cùng với sự giải phóng ra các tia β

và 148Gd là chất phóng xạ α Hạt nhân sẽ hình thành trong các quá trình này là

A 81As và 144Sm B 80As và 144Sm

C 82As và 142Sm D 79As và 144Sm

Câu 2 Chì có 4 đồng vị bền: 204, 206, 207 và 208 Một trong số đó là sản phẩm cuối cùng của một dãy phân rã bắt đầu từ 235U Đó là đồng vị

A 206Pb B 204Pb C 208Pb D 207Pb

Câu 3 Năm 1988, tấm khăn liệm Turin nổi tiếng được nghiên cứu bằng phương pháp phóng xạ cacbon Trong khi cường độ phóng xạ của một gam cacbon lấy từ các cơ quan sống là 735 phân rã trong một giờ thì 1gam cacbon lấy từ tấm khăn liệm cho thấy hoạt tính là 677 phân rã trong một giờ Thời gian bán hủy của 14C là 5570 năm Tuổi của tấm khăn đó là

A khoảng năm 1327 B khoảng năm 1237

C khoảng năm 132,7 D khoảng năm 13270

Câu 4 Cho nguyên tử khối thực theo đơn vị u của cáchạt: 3H

1 = 3,016 u; 2H

1 = 2,0141 u;

He

4

2 = 4,0026 u; 1n

0 = 1,0086 u

Năng lượng giải phóng ra từ một phản ứng nhiệt hạch : 3H

1 + 2H

1 →4He

2 +1n

0 là

Câu 5 Một mẫu Rađon (Rn), ở thời điểm t = 0, phóng ra 7,0 104 hạt αtrong một giây, sau 6,6 ngày mẫu đó phóng ra 2,1.104 hạt α/s Chu kì bán huỷ của mẫu Rn nói trên là

A 3,8 ngày B 3 ngày C 8 ngày D 5,8 ngày

E Nội dung lý thuyết cần nghiên cứu (Thông tin phản hồi)

1 Phản ứng hạt

nhân là gì?

2 Có những loại

A Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân là sự biến đổi hạt nhân nguyên

tử để chuyển nguyên tố này thành nguyên tố khác do sự tự phân

rã hạt nhân (gọi là sự phóng xạ) hoặc sự tương tác giữa hạt nhân với nhau hoặc hạt nhân với các hạt cơ bản (p, e)

2

222 86

226

Q n H Li

H+ → + 1 +

0

4 2

7 3

2

Au e

79

0 1

197

80 +−  →

B Các loại phản ứng hạt nhân

phản ứng hạt

nhân nào?

3 Nêu các qui

luật của phóng

xạ tự nhiên?

I Phóng xạ tự nhiên

1 Khái niệm: 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

*Hay khả năng tự phân huỷ (phân rã) thành 1 hạt nhân mới (nhẹ hơn) cùng với tia phóng xạ và năng lượng cao được gọi là sự tự phân huỷ (phân rã) hay phóng xạ tự nhiên

2 Đặc điểm của tia phóng xạ

Tia phóng xạ thực chất là chùm (hay dòng) hạt cơ bản; có

3 loại tia (hạt) xuất hiện trong sự phóng xạ tự nhiên

a Hạt α: là hạt nhân nguyên tử 2He4 (Điện tích: 2; Số khối: 4)

2

222 86

226

(α)

b Hạt β: là -1e0 (Điện tích: -1; Số khối: 0)

VD: 14 14

6C→ 7N+β−

c Hạt γ: là photon hay ánh sáng (Điện tích ≈ 0; Số khối ≈ 0)

* Năng lượng: Mỗi loại hạt trên khi được phóng xạ đều mang 1

năng lượng lớn, thứ tự năng lượng: α<β<γ (khả năng đâm xuyên)

*Chú ý:

- Nếu sự phóng xạ đó xảy ra trực tiếp (1 bước) thì chỉ xuất hiện 1 trong 2 loại hạt mang điện (α vàβ)

- Năng lượng cao luôn luôn kèm theo bất cứ phản ứng phóng xạ

tự nhiên nào (tuy nhiên trong phương trình phản ứng hạt nhân thường không ghi kèm trị số năng lượng này)

3 Các qui luật của phản ứng phóng xạ tự nhiên: 2 qui luật

a Bảo toàn vật chất: Vật chất không tự sinh ra cũng không tự

biến mất, chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác

Định luật bảo toàn vật chất thể hiện 2 định luật:

* Bảo toàn số khối: Tổng số khối hạt nhân tạo thành + tia phóng

4 Ngoài phóng

xạ tự nhiên, còn

các loại phóng xạ

nào?

xạ = số khối hạt nhân ban đầu (số khối là số Z gần nhất của khối lượng nguyên tử tự nhiên của nguyên tố hoặc số nucleon của nguyên tố = Σz + Σp)

* Bảo toàn điện tích: Tổng điện tích hạt nhân tạo thành + tia

phóng xạ = điện tích hạt nhân ban đầu

b Định luật chuyển dời:

Người ta qui ước gọi nguyên tố phóng xạ đầu tiên là nguyên tố

mẹ, sản phẩm phóng xạ của nguyên tố mẹ là một nguyên tố mới

có thể có hay không có tính phóng xạ, nếu có tính phóng xạ thì gọi là nguyên tố con,

- Nếu phóng xạ ra hạt α→ vị trí nguyên tố con đứng trước nguyên

tố mẹ 2 ô con

2

222 86

226

- Nếu phóng xạ ra hạt β→ vị trí nguyên tố con đứng liền sau nguyên tố mẹ trong bảng tuần hoàn

e Y

Z

A

Z  →β −1 +

Ví dụ: K→40Ca+e

20

40

19 β

*Phản ứng phóng xạ tự nhiên là phản ứng dây chuyền, xảy ra mãnh liệt; may mắn là hiện nay đã kiểm soát được nên có những

ứng dụng khoa học công nghệ.

II Phản ứng nhiệt hạt nhân (nhiệt hạch)

1 Khái niệm: Quá trình các hạt nhân thường là hạt nhân nhẹ kết

hợp thành hạt nhân nặng hơn đồng thời giải phóng nhiều năng lượng được gọi là phản ứng nhiệt hạch

2

3 1

1

2 Đặc điểm: Phản ứng xảy ra vô cùng mãnh liệt nhưng hiện nay

chưa kiểm soát được nên chưa có nhiều ứng dụng

5 Nêu một số

công thức cần

dùng trong các

bài toán hạt

nhân.

III Phóng xạ nhân tạo

1 Khái niệm: Quá trình bắn hạt cơ bản (đạn) vào các hạt nhân

nguyên tử (bia) tạo thành hạt nhân mới kém bền (hạt nhân trung gian); tự phân huỷ thành hạt nhân bền hơn cùng với hạt cơ bản và giải phóng 1 năng lượng tương đối lớn được gọi là sự phóng xạ nhân tạo

2 Sơ đồ: Đạn + bia→[hạt nhân trung gian]→hạt nhân bền + hạt

cơ bản

1

60 28

60 27

1 0

59

27 + → → +− hυ = 1,25 HeV

3 Đặc điểm:

- Các phản ứng phóng xạ nhân tạo được phân loại dựa vào hạt cơ bản làm đạn (xem “Một số vấn đề chọn lọc của hoá học” tập 1 trang 65 đến 83)

- Hiện nay đã kiểm soát được nên có những ứng dụng trong công nghệ đời sống

4 Các họ phóng xạ

* Kết hợp phóng xạ tự nhiên & nhân tạo người ta tổng kết thành 1 họ phóng xạ (3 tự nhiên, 1 họ nhân tạo)

* Trong họ phóng xạ đều có qui luật biến đổi số khối liên

hệ số khối từ hạt nhân ban đầu→hạt nhân bền.

C Một số bài toán về hoá học hạt nhân

I Độ hụt khối và năng lượng hạt nhân

1 ∆E = c 2 ∆m (J hoặc J/mol)

c: Tốc độ ánh sáng trong chân không C = 3.108 m/s2 +) ∆m: Biến thiên (độ hụt) khối lượng

+) ∆m = mhạt nhân - mhạt nhân với 1 hạt nhân

(theo lý thuyết) (thực nghiệm) +) ∆m = mcác hạt trước p/ứ – ms/p p/ư hạt nhân với 1 phản ứng

2 E E

A

δ = ∆ (J/nucleon)

A: số khối

∆E: ứng với 1 hạt nhân

δE: qui về 1 nucleon – là các hạt cấu tạo nên hạt nhân (proton và nơtron)

(trong nghiên cứu thường dùng δE)

II Động học của phản ứng tự phân rã hạt nhân (Phản ứng bậc 1)

1 Các biểu thức

a Với phản ứng bậc 1 thì v = k.C

Với phản ứng tự phân rã hạt nhân v= λ.N

k: hằng số tốc độ phản ứng

λ: hằng số phân rã hạt nhân

(trị số k, λ h/s đối với phản ứng hay 1 hạt nhân tại 1 nhiệt

độ đã cho)

C: nồng độ chất A tại thời điểm đang xét

N: số hạt nhân phóng xạ

b Chu kỳ bán huỷ (t 1/2 ): Là thời gian để phân huỷ 1/2 số nguyên

tử ban đầu, hay 1/2 lượng có ban đầu

Thời gian t1/2 = chu kỳ bán huỷ/ bán rã

1/ 2

ln 2 0, 6932

λ λ

= = =

2 Một số bài toán

a Tính niên đại (thời gian) hoá thạch

Cơ sở hoá học: Dựa vào lý thuyết về phản ứng là bậc 1

Cơ sở tính toán: dựa vào phương trình động học 1 0

lnN

t

N

λ

=

1

lnm

t

m

λ

=

λ= =

Trong đó:

t: là thời gian xảy ra phản ứng

λ (hoặc k) là hằng số phóng xạ

N0: là số hạt nhân có ban đầu (tại t=0)

m0: là khối lượng

N: là số hạt nhân có tại thời điểm đang xét (t≠0)

(Hoặc m là khối lượng hạt nhân)

dựa vào phương trình động học 1 0

lnm

t m

b Tính niên đại của một mẫu than

1/ 2 ln 0

0,693

t

R

= (*)

R0= 15,3 phân huỷ trong 1 giây trong 1 gam cacbon

Vậy từ (*) ta có

3 15,3

8, 27.10 ln

t

R

3 Độ phóng xạ

a Định nghĩa: Độ phóng xạ 1 hạt nhân là số phân huỷ hạt nhân

đó tính theo 1 đơn vị thời gian, 1 đơn vị khối lượng (Số phân huỷ

là số hạt nhân biến đổi theo phản ứng 1 chiều bậc nhất)

Kí hiệu: A dN

dt

= −

A thực chất là tốc độ phân rã của mẩu phóng xạ đó

b Đơn vị phóng xạ:

+) Curi: 1 Curi là số phân huỷ 1 gam Ra trong 1 giây

1 Curi = 3,7.1010 phân rã/ giây

1m Curi = 10-3 Curi 1M Curi = 10-6 Curi

+) Beoơren (Bq)

1 Bq = 1 phân rã/ giây→1 Curi = 3,7.1010 Bq

+) Rơzơfo

F Bài tập tự kiểm tra đánh giá sau khi đã nghiên cứu thông tin phản hồi

(Bài kiểm tra lần 2) Thời gian: 15 phút

Câu 1 Trong các phát biểu sau đây nói về bản chất của phản ứng hạt nhân, phát biểu đúng là

A Phản ứng hạt nhân là sự biến đổi chất này thành chất khác

B Phản ứng hạt nhân sự biến đổi hạt nhân nguyên tử để chuyển nguyên tố này thành nguyên tố khác do sự tự phân rã hạt nhân (gọi là sự phóng xạ) hoặc sự tương tác giữa hạt nhân với nhau hoặc hạt nhân với các hạt cơ bản (proton, electron)

C Phản ứng hạt nhân là phản ứng trong đó nguyên tử hóa học được bảo toàn

D Phản ứng hạt nhân là sự biến đổi nguyên tố hoá học này thành nguyên tố hoá học khác

Câu 2 Sản phẩm của sự phóng xạ tự nhiên không bị lệch hướng khi đi qua điện trường là

A hạt anpha (α) B nơtron (n) C tia gama (γ) D tia beta (β) Câu 3 Khoảng thời gian (giờ) kể từ khi 16 gam 42K bắt đầu phân huỷ đến khi chỉ còn lại 2 gam (Biết t1/2 = 12,4) là

A 8 x 12,4 B 3 x 12,4 C 2 x 12,4 D 4 x 12,4

Câu 4 Thời gian bán hủy của 212Fr là 19 phút Thời gian (phút) để 1 gam đồng vị này phân huỷ còn 0,125 gam là

Câu 5 Khi phân huỷ beta đồng vị 14C thu được nguyên tử

Câu 6 Chu kì bán rã, thời gian cần thiết để lượng chất ban đầu mất đi một nửa của 3215P là 14,3 ngày Thời gian (tính theo ngày) để một mẫu thuốc có tính phóng xạ chứa 3215P còn lại 20% hoạt tính phóng xạ ban đầu của nó là

A 33,2 ngày B 71,5 ngày C 61,8 ngày D 286 ngày Câu 7 23892U là nguyên tố gốc của họ phóng xạ tự nhiên uran, kết thúc của dãy này là đồng

vị bền của chì 20682Pb Mỗi lần phân rã α làm giảm 2 đơn vị điện tích dương và giảm 4u

về khối lượng của hạt nhân Mỗi lần phân rã β làm tăng 1 đơn vị điện tích hạt nhân, nhưng khối lượng coi như không thay đổi Số lần phân rã α và β là

A 6 lần phân rã α và 8 lần phân rã β

B 8 lần phân rã α và 6 lần phân rã β

C 8 lần phân rã α và 8 lần phân rã β

D 6 lần phân rã α và 6 lần phân rã β

Câu 8 Họ phóng xạ thuộc họ phóng xạ nhân tạo là

Câu 9 Chu kì bán huỷ của Poloni (Po) bằng 138 ngày Khối lượng của Poloni mà người

ta cần phải sử dụng để có một cường độ phóng xạ bằng 1Ci (1Ci = 3,7.1010Bq và Po = 210) là

A 0,222 mg B 2,22 mg C 0,1538 gam D 0,222 gam Câu 10 Một mẫu đá chứa 17,4 mg 238U và 1,45 mg 206Pb Biết rằng chu kỳ bán huỷ của

238U là 4,51 109 năm Thời gian tồn tại của mẫu đá đó là

A 5,68.108 năm B 6,58 108 năm

*Đáp án bài kiểm tra lần 1

* Đáp án bài kiểm tra lần 2