(Sáng kiến kinh nghiệm) một số phương pháp tính năng lượng của phản ứng hạt nhân

1 MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Môn Vật Lí mơn học quan trọng trường THPT Đây ba môn tổ hợp thi KHTN, đồng thời ba môn tổ hợp xét tuyển trường ĐH, CĐ Đối với mơn Vật Lí, theo lộ trình cách thức gia đề thi Bộ GD & ĐT nội dung kiến thức nằm chương trình Vật Lí 12 Là giáo viên giảng dạy khối 12, tơi ln nghiên cứu tìm tòi phương pháp giảng dạy nhằm đem lại hiệu cao Mặt khác, thời điểm nay, hình thức thi TNKQ ( thời gian làm rút ngắn so với năm 2016 ) áp dụng cho kỳ thi THPT quốc gia nên việc đưa phương pháp giải nhanh, tối ưu hóa bước tính tốn tốt thiết thực để em đạt kết cao kỳ thi Khi dạy phần phản ứng hạt nhân, nhận thấy học sinh lúng túng làm tập Vì vậy, nghiên cứu tìm phương pháp giảng dạy giúp em học tốt phần cần thiết Vì lí trên, tơi chọn đề tài nghiên cứu “ Một số phương pháp tính lượng phản ứng hạt nhân ” 1.2 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI a Mục đích nghiên cứu Phân loại dạng tập tính lượng phản ứng hạt nhân, phương pháp giải dạng tập mức tối ưu, bước làm cụ thể, quy chuẩn, giúp em học sinh vận dụng giải tốt phần b Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết phản ứng hạt nhân, xây dựng phương pháp giải Vận dụng công thức quy chuẩn xây dựng cách giải dạng tập xuất đề thi THPT Quốc Gia 1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Trong giới hạn đề tài, đưa phần lý thuyết dạng tập tính lượng phản ứng hạt nhân chương trình Vật Lí THPT Đối tượng áp dụng: Tất học sinh dự thi THPT Quốc Gia dự thi KHTN 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU a Nghiên cứu lý thuyết Đọc, tìm hiểu nghiên cứu tài liệu có liên quan đến phần phản ứng hạt nhân b Nghiên cứu thực tiễn Dự “ Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Độ hụt khối ” “ Phản ứng hạt nhân ” đồng nghiệp số lớp 12C4, 12C5, 12C6 Chọn lớp dạy bình thường theo SGK lớp dạy theo kinh nghiệm đúc rút So sánh đối chiếu kết dạy rút học kinh nghiệm NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI Chương hạt nhân nguyên tử chương chương trình Vật Lí 12 nâng cao Phần tính lượng phản ứng hạt nhân có kiến thức liên quan thuộc “ Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Độ hụt khối ” “ Phản ứng hạt nhân ” Nội dung kiến thức phần phản ứng hạt nhân SGK Vật Lí 12 sau A PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Phản ứng hạt nhân trình dẫn đến biến đổi hạt nhân A A A A Z X1 + Z X2  Z X3 + Z X4 A + B  C + D Có hai loại phản ứng hạt nhân + Phản ứng tự phân rã hạt nhân không bền thành hạt nhân khác ( phóng xạ ) + Phản ứng tương tác hạt nhân với dẫn đến biến đổi thành hạt nhân khác [2] B CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN a Định luật bảo toàn số nuclon ( số khối A) Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclon hạt tương tác tổng số nuclon hạt sản phẩm A1 + A2 = A3 + A4 b Định luật bảo tồn điện tích ( ngun tử số Z ) Tổng đại số điện tích hạt tương tác tổng đại số điện tích hạt sản phẩm Z1 + Z2 = Z3 + Z4 Quy ước : Hạt electron có Z = - Hạt pozitron có Z = +1 c Định luật bảo tồn động lượng Véc tơ tổng động lượng hạt tương tác véc tơ tổng động lượng hạt sản phẩm P1 + P2 = P3 + P4 d Định luật bảo toàn lượng toàn phần Tổng lượng toàn phần hạt tương tác tổng lượng toàn phần hạt sản phẩm 4  m A  mB  c  K A  K B   mC  mD  c  K C  K D C NĂNG LƯỢNG TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Xét phản ứng hạt nhân A A A A Z X1 + Z X2  Z X3 + Z X4 Đặt : Khối lượng hạt trước phản ứng m0 = m1 + m2 Khối lượng hạt sau phản ứng m = m3 + m4 Năng lượng phản ứng tính sau 4 E   m1  m2  m3  m4  c   m0  m  c Nếu m0 > m, E >0 Phản ứng tỏa lượng Nếu m0 < m, E m, E >0 Phản ứng tỏa lượng Nếu m0 < m, E 0 Phản ứng tỏa lượng Bài Tìm lượng tỏa hạt nhân 234 92 U phóng xạ tia  tạo thành đồng vị Thori 230 90 Th Cho biết, lượng liên kết riêng hạt  7,1MeV; U234 7,63MeV; Th230 7,7MeV [4] Hướng dẫn Vận dụng cách 4: E = A3 E R + A4 E R - A1 E1R - A2 E R = 230 7,7 + 4.7,1 – 234.7,63 = 13,98MeV Bài Cho phản ứng hạt nhân 31T  12D 24 He  X  17,6MeV Tính lượng tỏa từ phản ứng tổng hợp gam Heli [8] Hướng dẫn + Năng lượng tỏa hạt Heli tạo thành: E = 17,6MeV m.N A 2.6,02.10 23 = = 3,01.1023 nguyên tử A N E = 3,01.1023 17,6 = 5,2976 1024 MeV + Số nguyên tử khí Heli: N = + Năng lượng tỏa là: E = Bài Cho phản ứng hạt nhân 12 D  31T  01 n 24He Cho biết mD = 2,0136u; mT = 3,0160u; mn = 1,0087u; mHe = 4,0015u; 1u = 931MeV/c2 a Phản ứng thu hay tỏa lượng b Nước thiên nhiên có chứa 0,015% nước nặng D 2O Hỏi dùng toàn Đơ tê ri có 1m3 nước để làm nhiên liệu cho phản ứng lượng thu ( tính theo KJ ), khối lượng riêng nước 1000kg/m3 Hướng dẫn a Năng lượng phản ứng hạt nhân: E   m D  mT  mn  m X  c = 18,0614 MeV E > 0, phản ứng tỏa lương b + Khối lượng nước nặng D2O có 1m3 nước: m = 1.1000.0,015%.1000 = 150g + Số hạt D có 150g nước nặng: N = m N A A = 9,0345,1024 hạt + Năng lượng thu từ 1m3 nước là: E = N E = 9,0345,1024 18,0614 1,6.103 10-3 = 2,61.1010 (KJ) Bài Dùng chùm Proton có động KH = 5,75MeV bắn phá hạt nhân 49 Be đứng yên tạo hạt  hạt nhân X Hạt  chuyển động theo phương vng góc với vận tốc hạt Proton có động 4MeV Tính động hạt X Phản ứng thu hay tỏa lượng Coi khối lượng hạt nhân đo đơn vị u xấp sỉ số khối [3] Hướng dẫn + Phương trình phản ứng: 11 H  49Be 24 He 36Li + Áp dụng ĐLBT động lượng: PH  P  PX PH  P  PX2  P2  PH2  m X K X = m K  + m H K H  6KX = 4.4 + 1.5,75  KX = 3,625MeV + Năng lượng phản ứng hạt nhân: E = KX + K  - KH = 1,875 MeV E >0, phản ứng tỏa lượng Bài Bắn hạt  có động 4MeV vào hạt 147 N đứng yên gây phản ứng hạt nhân:  + 147 N  178 O + 11 H Biết động hạt proton 2,09MeV hạt proton chuyển động theo hướng hợp với hướng chuyển động hạt  góc 600 Phản ứng thu hay tỏa lượng [7] Hướng dẫn Ta có: P = PO + PH  P - PH = PO Bình phương hai vế, rút gọn mHKH + m K  - 2.cos60 m H K H m K  = m0.K0; thay số 1.2,09 + 4.4 - 1.2,09.4.4 = 17K0  K0 = 0,7239MeV Năng lượng phản ứng hạt nhân: E = K0 + KH - K  = -1,1861 MeV Phản ứng thu lượng Bài 10 Hạt Notron có động 2MeV bắn phá hạt nhân 36 Li đứng yên gây phản ứng tạo thành hạt  hạt T Các hạt  T bay theo hướng hợp với hướng tới hạt Notron góc tương ứng 150 300 Bỏ qua xạ  Phản ứng thu hay tỏa lượng ( coi tỷ số khối lượng hạt nhân tỷ số số khối chúng ) [3] Hướng dẫn + Sơ đồ phản ứng: 01 n + 36 Li  24 He + 31T + Sử dụng hàm số Sin P Sin30 = Pn Sin135 = m K PT   2 =  Sin30 Sin15 mn K n  Sin135 = mT K T  Sin15  4K  Sin30  =  Sin135 = + Sử dụng cách 3: E = ứng thu lượng 3.K T  Sin15 K  K  = 0,25 MeV; KT = 0,0893 MeV + KT – Kn = 0,25 + 0,0893 – = - 1,6607MeV Phản Bài 11 Hạt  có động 5MeV bắn vào hạt 49 Be đứng yên, gây phản ứng tạo thành hạt C12 notron Hai hạt sinh có véc tơ vận tốc hợp với góc 800 Cho phản ứng tỏa lượng 5,6MeV Coi khối lượng hạt nhân đo đơn vị u xấp sỉ số khối Tính động hạt C12 [3] Hướng dẫn + Sơ đồ phản ứng: 24 He + 49 Be  126 C + 01 n + Theo ĐLBT động lượng: P = Pn + PC + Bình phương hai vế: P2 = Pn2 + PC2 + 2.PC.Pn.cos800  m K  = mC K C + m n K n +2 mC K C mn K n cos800 Mặt khác E = KC + Kn - K 4.5  12 K C  K n  12.K C 1.K n cos 80   Kn ,  K  K  C n  phương trình 11KC + 2cos800 12 K C 10,6  K C   9,4 = 10,6 - KC Thay vào ta có  KC = 0,5889MeV 23 Na đứng yên Bài 12 Dùng hạt Proton có động 5,58MeV bắn phá hạt nhân 11 sinh hạt  hạt X Coi phản ứng khơng kèm theo xạ  a Tính lượng phản ứng b Biết lượng tỏa phản ứng chuyển hết thành động hạt tạo thành Động hạt  6,6MeV Tính động hạt X c Xác định góc tạo hướng chuyển động hạt  hạt Proton Cho mP = 1,0073u; mNa = 22,98504u; mX = 19,9869u; m = 4,0015u; uc2 = 931MeV 20 23 Ne Na  24 He + 10 Hướng dẫn Sơ đồ phản ứng: 11 H + 11 a Vận dụng cách 1: E = (mP + mNa - mX - m )c = 3,6681 MeV b Vận dụng cách 3: E = KHe + KX – KH  KX = E + KH - KHe = 2,6481 MeV c Theo ĐLBT động lượng: PH = P + PX  PH - P = PX  cos  = m H K H  m K   m X K X PH2  P2  PX2 = = m H K H m K  PH P 4.6,6  1.5,58  20.2,6481 1.5,58.4.6,6 = - 0,864   = 149,80 Bài 13 Urani 235 phân hạch theo cách: 235 140 94 92 U + n  58 Ce + 42 Mo + n + 1 e Cho lượng liên kết riêng U235 7,7MeV, Ce140 8,43MeV, Mo94 8,8MeV mP = 1,007276u; mn = 1,008665u; uc2 = 931,5MeV Tính lượng tỏa phản ứng Hướng dẫn Vận dụng công thức: E =  mU  mn  mCe  mMo  2mn  c2 = ((58mp + 82mn – mCe) + ( 42mP + 52mn – mMo ) – ( 92mp + 143mn – mU ))c2 + 8(mn – mp )c2 = ( mCe + m Mo - mU )c2 + 8(mn – mp )c2 Mặt khác: Er = m.c A  m  Er A , thay vào công thức c2 E = ( 8,43.140 + 8,8.94 – 7,7.235) + 8(1,008665u – 1,007276u)c2 = 208,24 MeV Bài 14 Một phản ứng phân hạch U235 là: 235 139 95 92 U + n  42 Mo + 57 La + n + 1 e Cho lượng liên kết riêng U235 7,7MeV, Mo95 8,91MeV, La139 8,53MeV; mP = 1,007276u; mn = 1,008665u; uc2 = 931,5MeV Tính lượng tỏa phản ứng [6] Hướng dẫn Năng lượng phản ứng hạt nhân E = ( m M + m La - mU )c2 + 7(mn – mp )c2 = ( 95 8,91 + 139.8,53 – 235.7,7 ) + 7(1,008665u - 1,007276u)c2 = 231,677MeV KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 3.1 KẾT LUẬN Nghiên cứu đối tượng lớp 12B1 năm học 2015 – 2016 lớp 12C1 năm học 2016 – 2017 10 Giờ dạy lớp 12B1 năm học 2015 – 2016 Năm học 2015 – 2016 dạy theo SGK, theo quan sát dạy thấy học sinh hoạt động, lớp học trầm, học sinh lúng túng giải tập Giờ dạy lớp 12C1 năm học 2016 – 2017 Năm học tơi vận dụng kinh nghiệm trình bày sáng kiến kinh nghiệm ( đặc biệt cơng thức ngồi SGK) học sinh học tập sơi nổi, hứng thú giải nhiều tập Sau học xong học, cho học sinh làm kiểm tra 15 phút Kết kiểm tra tính trung bình sau: Lớp dạy Năm 2015 – 2016 Năm 2016 – 2017 Tổng số 33 33 Điểm – Số % 15 45,45% 9,09% Điểm – Số % 21,21% 13 39,39% Điểm – 10 Số % 11 33,33% 17 51,52% Như vậy, kết dạy năm học 2016 – 2017 cao so với năm học trước Đặc biệt số có điểm yếu, giảm nhiều Từ tơi tự tin vào cách làm viết nội dung vào báo cáo 3.2 Kiến nghị Qua thời gian giảng dạy nhận thấy với phương pháp dạy giúp học sinh có nhìn đắn hứng thú học phần vật lí hạt nhân Các em khơng cịn lúng túng, bỡ ngỡ gặp tập phần tính lượng phản ứng hạt nhân, kết thi đại học học sinh nâng lên Trong thực tế giảng dạy tơi thấy cịn có nhiều câu hỏi liền với nội dung Tuy nhiên trình độ thời gian có hạn nên tơi chưa thể đề cập tới vấn đề cách sâu rộng triệt để, mong góp ý đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện hơn, tiếp đề nghị cấp triển khai kết đề tài lên lớp học khác, địa phương khác để nâng cao chất lượng hiệu giảng dạy Triệu Sơn, tháng năm 2017 XÁC NHẬN CỦA THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ CAM KẾT KHÔNG COPY 11 NGUYỄN VIẾT THẮNG TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo khoa Vật Lí 12 (nâng cao) – Nguyễn Thế Khơi 12 Sách giáo khoa Vật Lí 12 ( bản) – Lương Dun Bình Ơn luyện thi đại học mơn Vật Lí theo chủ đề - Chu Văn Biên Giải tốn Vật Lí 12 – Bùi Quang Hân Một số phương pháp chọn lọc giải toán Vật Lí sơ cấp – Vũ Thanh Khiết Tuyển tập tập Vật Lí đại cương – I.E.Irơđơp, I.V.Xaveliep, O.I.Damsa ( Lương Duyên Bình – Nguyễn Quang Hậu dịch từ tiếng Nga ) Giải nhiều cách & cách cho nhiều tốn Vật Lí – Nguyễn Anh Vinh Bài tập nâng cao Vật Lí 12 – Vũ Thanh Khiết MỤC LỤC 13 MỞ ĐẦU………………………………………………………………….Trang 1.1 Lí chọn đề tài……………………………………………………… 1.2 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lí luận đề tài 2.2 Thực trạng vấn đề trước áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 2.3 Giải pháp thực 2.4 Hiệu sáng kiến kinh nghiệm KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .10 3.1 Kết luận 10 3.2 Kiến nghị 10 14 15 ... D C NĂNG LƯỢNG TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Xét phản ứng hạt nhân A A A A Z X1 + Z X2  Z X3 + Z X4 Đặt : Khối lượng hạt trước phản ứng m0 = m1 + m2 Khối lượng hạt sau phản ứng m = m3 + m4 Năng lượng. .. tử Độ hụt khối ” “ Phản ứng hạt nhân ” Nội dung kiến thức phần phản ứng hạt nhân SGK Vật Lí 12 sau A PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Phản ứng hạt nhân trình dẫn đến biến đổi hạt nhân A A A A Z X1 + Z X2  Z... NGHIỆM Vận dụng kiến thức nêu vào số loại tập thường gặp tính lượng phản ứng hạt nhân 27 30 Al  15 P + Bài Bắn hạt  vào hạt nhân Al ? ?ứng yên gây phản ứng? ?:  + 13 n Phản ứng thu lượng E  2,7