Bài 2 PHẢN ỨNG hạt NHÂN

BÀI 2: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Mục tiêu  Kiến thức + Trình bày khái niệm phản ứng hạt nhân + Phát biểu định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân + Phân biệt phản ứng tỏa lượng phản ứng thu lượng  Kĩ + Viết phương trình phản ứng hạt nhân + Tính lượng tỏa thu vào phản ứng hạt nhân + Vận dụng định luật bảo tồn để tính thông số động năng, vận tốc hạt sinh sau phản ứng Trang I LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM Phản ứng hạt nhân Là trình dẫn tới biến đổi hạt nhân, hiểu q trình tương tác hạt nhân để tạo hạt nhân khác đồng thời hấp thụ tỏa lượng Phương trình: A1 Z1 X  ZA22 X  A3 Z3 X3  A4 Z4 X4 Các định luật bảo tồn phản ứng hạt Mơ hình phản ứng hạt nhân nơtron hạt nhân uranium nhân a Định luật bảo tồn số Z (điện tích hạt nhân): Z1  Z2  Z3  Z4 b Định luật bảo toàn số khối: A1  A2  A3  A4 c Định luật bảo toàn lượng toàn phần: E  E t Một số ví dụ phản ứng hạt nhân 14 N  24 He  189 F  00Y Be  11H  36 Li  24 He 19 22 F  24 He  10 Ne  11H s K1  K   m1  m2  c  K  K   m3  m4  c d Định luật bảo toàn vectơ động lượng P : p1  p2  p3  p4 Khi giải tập phản ứng hạt nhân ta thường phải vẽ giản đồ véctơ động lượng, biểu thức cho định luật bảo toàn động lượng thể dạng hệ thức lượng tam giác (định lý hàm số cos) Từ chuyển mối liên hệ động Với p  m.v lượng sang mối liên hệ động Chú ý:  Trong vật lý hạt nhân, khơng có định luật bảo tồn khối lượng Thơng thường, hạt nhân X phương trình (1)  Phóng xạ phản ứng hạt nhân tỏa đứng yên Do động K động lượng P khơng Vậy nên xác định giản đồ lượng Phản ứng hạt nhân tỏa – thu lượng véctơ phản ứng Cho phản ứng hạt nhân tổng quát X1  X  X  X (1) Gọi mt  m1  m2 tổng khối lượng hạt nhân trước phản ứng ms  m3  m4 tổng khối lượng hạt nhân sau phản ứng + Nếu mt  ms  phản ứng hạt nhân tỏa Trang lượng E   mt  ms  c + Nếu mt  ms  phản ứng hạt nhân thu lương W   ms  mt  c Năng lượng phản ứng dạng động hạt SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HĨA Định luật bảo tồn Z PHẢN ỨNG Năng lượng phản ứng hạt Z1  Z2  Z3  Z4 HẠT NHÂN nhân m0  m1  m2 Định luật bảo toàn số khối A1  A2  A3  A4 Định luật bảo toàn lượng toàn phần Các định m  m3  m4 luật bảo m0  m  Tỏa lượng toàn m0  m  Thu lượng K1  K   m1  m2  c  K  K   m3  m4  c A1 Z1 X  ZA22 X  A3 Z3 X  ZA44 X Năng lượng tỏa ra/thu vào Định luật bảo toàn dạng động hạt véctơ động lượng W   m  m0  c P1  P2  P3  P4   m  m0  c Liên hệ động lượng   m3  m4  m1  m2  c động  WLK3  WLK4  WLK1  WLK2 p  2mK II CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Phản ứng hạt nhân chưa biết phản ứng hạt nhân Phương pháp giải Ví dụ: Cho phản ứng hạt nhân: 10 Bo  ZA X    48 Be Hạt nhân X A 31T B 12 D Trang C 01n D 11 p Hướng dẫn giải Bước 1: Hồn chỉnh kí hiệu hạt nhân cịn thiếu Bước 1: Phương trình phản ứng: phản ứng hạt nhân dạng đầy đủ: 10 Bo  A X  4  Be A1 Z1 X  ZA22 X  A3 Z3 X3  A4 Z4 Z X4 Ghi nhớ: 24 , 01n, 11 p, 10  , 10  , 11H , 12 D, 31T , 10  A    A    12 D Bước 2: Ta có:  5  Z   Z  Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn điện tích hạt nhân  Z1  Z  Z  Z  định luật bảo toàn số Vậy hạt nhân X D khối  A1  A2  A3  A4  để tìm hạt nhân chưa biết Chọn B Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Cho phương trình phản ứng: 93 U  n  ZA X  41 Nb  3n    Trong Z, A 235 92 A Z  58; A  143 B Z  44; A  140 C Z  58; A  140 D Z  58; A  139 Hướng dẫn giải Phương trình phản ứng: 93 U  01n  ZA X  41 Nb  01n  10  235 92 235   A  93  3.1  7.0  A  140  Ta có:   92   Z  41  3.0   1  Z  58  Chọn C  A  3.1  3 01n    Z  3.0  Ví dụ 2: Cho phản ứng hạt nhân: X  199 F  24 He  168 O Hạt X B nơtron A anpha C đơteri D prơtơn Hứng dẫn giải Phương trình phản ứng: A Z X  199 F  24 He  168 O  A  19   16  A  1   1p Ta có:  Z    Z  Vậy X hạt prơtơn Chọn D Bài tốn 2: Phản ứng tỏa – thu lượng Phương pháp giải Ví 23 11 dụ: Cho phản ứng hạt nhân: Na  11H  24 He  1020 Ne Lấy khối lượng Trang hạt nhân 23 11 20 Na; 10 Ne; 24 He; 11H 22,9837 u; 19,9869 u; 4,0015 u; 1,0073 u 1u  931,5 MeV / c2 Trong phản ứng này, lượng A thu vào 3,4524 MeV B thu vào 2,4219 MeV C tỏa 2,4219 MeV D tỏa 3,4524 MeV Hướng dẫn giải Bước 1: Phương trình phản ứng: X1  X  X  X m  22,9837  1, 0073  23,991 u Bước 1:  m  4, 0015  19,9869  23,9884 u m0  m1  m2 Tính  m  m3  m4 Bước 2: Vì m0  m  phản ứng hạt nhân tỏa Bước 2: lượng + Nếu m0  m m0  m  phản ứng hạt nhân  W   m0  m  c   23,991  23,9884  uc tỏa lượng  W   m0  m  c  0,0026.931,5  2, 4219 MeV + Nếu m0  m m0  m  phản ứng hạt nhân Chọn C thu lượng  W   m  m0  c Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Cho phản ứng hạt nhân: 31T  12 D  24 He  X Lấy độ hụt khối hạt nhân T, hạt nhân D, hạt nhân He 0,009106 u; 0,002491 u; 0,030382 u 1u  931,5 MeV / c2 Năng lượng tỏa phản ứng xấp xỉ bằng: A 15,017 MeV B 200,025 MeV C 17,498 MeV D 21,076 MeV Hướng dẫn giải Ta có phương trình phản ứng: 31T  12 D  24 He  01n Năng lượng tỏa phản ứng là: W   m  m0  c   mHe  mT  mD  c   0, 030382  0, 009106  0, 002491 931,5  17, 498 MeV Chọn C Nơtron 10 n khơng có độ hụt khối Năng lượng tỏa từ phản ứng tính: W   m0  m  c Trang   m  m0  c  Wlk  Wlk Ví dụ 2: Cho phản ứng hạt nhân sau: 12 H  12 H  24 He  01n  3, 25 MeV Biết độ hụt khối 12 H mD  0,0024 u u  931,5 MeV / c2 Năng lượng liên kết hạt nhân 42 He A 7,72 MeV B 5,22 MeV C 9,24 MeV D 8,52 MeV Hướng dẫn giải Ta có lượng tỏa từ phản ứng 3,25 MeV  W   m  m0  c  WlkHe  2mD c  3, 25  WlkHe  3, 25  2.0,0024.931,5  7,72 MeV Chọn A 3, 25 MeV   phản ứng tỏa lượng Ví dụ 3: Cho phản ứng hạt nhân: 13 T 12 D 24 He  X  17, MeV Năng lượng tỏa từ phản ứng tổng hợp g heli A 52,976.1023 MeV B 5, 2976.1023 MeV C 2,012.1023 MeV D 2,012.1024 MeV Hướng dẫn giải Ta có lượng tỏa từ phản ứng 17,6 MeV Số nguyên tử heli có g heli là: N m N A  6, 02.1023  3, 01.1023 nguyên tử A Năng lương tỏa từ phản ứng tổng hợp g heli là: W  17,6.3,01.1023  52,976.1023 MeV Chọn A Số Avôgađrô: N A  6, 02.1023 mol 1 Bài tập tự luyện dạng Bài tập Câu 1: Cho phản ứng hạt nhân: A Z  1, A  37 17 37 Cl  ZA X  n 18 Ar Trong Z, A B Z  2, A  C Z  1, A  D Z  2, A  Câu 2: Cho phản ứng hạt nhân sau: 42 He 14 N  X 1 H Hạt nhân X A 19 10 Ne B 17 O C 34 Li D 94 He Trang Câu 3: Trong phản ứng hạt nhân: 12 D 12 D  X  p A Triti  B Prôtôn  Câu 4: Cho phản ứng sau: 25 12 Câu 5: Hạt nhân 24 11 20 Na  p  Y 10 Ne X Y C Triti đơteri D  triti 22 Mg  X 11 Na   Hạt nhân X B nơtron A pôzitron 23 11 C êlectron D prôtôn Na phân rã   biến thành hạt nhân X Số khối A nguyên tử số Z A A  24; Z  10 B A  23; Z  12 C A  24; Z  12 D A  24; Z  11 Câu 6: Cho phản ứng: 238 92 206 U 82 Pb  x  y  Giá trị x y A x  6, y  B x  5, y  12 C x  8, y  D x  12, y  Câu 7: Sau lần phóng xạ  lần phóng xạ   hạt nhân hạt nhân 206 82 232 90 Th biến đổi thành Pb ? A lần phóng xạ  ; lần phóng xạ   B lần phóng xạ  ; lần phóng xạ   C lần phóng xạ  ; lần phóng xạ   D lần phóng xạ  ; lần phóng xạ   Câu 8: Cho phản ứng hạt nhân: 12 D 12 D ZA X 10 n Biết độ hụt khối hạt nhân D hạt nhân X mD  0,0024 u; mX  0,0083 u Cho u  931,5 MeV / c2 Phản ứng A tỏa lượng 3,24 MeV B thu lượng 3,26 MeV C thu lượng 4,24 MeV D tỏa lượng 3,26 MeV Câu 9: Cho phản ứng hạt nhân: 37 17 37 Cl 11 H 18 Ar 10 n Biết mCl  39,956563 u; mH  1,007276 u; mAr  36,956889 u; mn  1,008665 u;1 u  931,5 MeV / c Trong phản ứng này, lượng A thu vào 3,2 MeV B thu vào 1,6 MeV C tỏa 3,2 MeV D tỏa 1,6 MeV Câu 10: Giả sử phản ứng hạt nhân, tổng khối lượng hạt trước phản ứng nhỏ tổng khối lượng hạt sau phản ứng 0,02 u Phản ứng hạt nhân A tỏa lượng 1,863 MeV B tỏa lượng 18,63 MeV C thu lượng 1,863 MeV D thu lượng 18,63 MeV Câu 11: Cho phản ứng hạt nhân: 13 T 12 D    n Biết mT  3,01605 u; mD  2,01411u; m  4,00260 u ; mn  1, 00867 u;1 u  931,5 MeV / c Năng lượng tỏa hạt  hình thành A 17,6 MeV Câu 12: Pôlôni B 23,4 MeV 210 84 C 11,04 MeV D 16,7 MeV Po phóng xạ  biến đổi thành chì Pb Biết khối lượng hạt nhân Po;  ; Pb 209,937303 u; 4,001506 u; 205,929442 u 1u  931,5MeV / c2 Năng lượng tỏa hạt nhân pôlôni phân rã xấp xỉ A 5,92 MeV B 2,96 MeV C 29,60 MeV D 59,20 MeV Trang Câu 13: Trong phản ứng hạt nhân khơng có bảo tồn B động lượng A số nuclơn D lượng toàn phần C số nơtron Bài tập nâng cao Câu 14: Biết khối lượng hạt nhân mC  12,0000 u; m  4,0015 u; mp  1,0073 u; mn  1,0087 u 1u  931,5MeV / c2 ;1eV  1,6.1019 J Năng lượng cần thiết tối thiểu để chia hạt nhân 12 C thành hạt  A 1, 43.1011 J B 6,7.1013 J C 6,7.1015 J D 6,7.1017 J Câu 15: Tổng hợp hạt nhân heli 42 He từ phản ứng hạt nhân 11 H 37 Li 42 He  X Mỗi phản ứng tỏa lượng 17,3 MeV Năng lượng tỏa tổng hợp 0,5 mol heli A 1,3.1024 MeV B 2,6.1024 MeV C 5, 2.1024 MeV D 2, 4.1024 MeV 235 93 Câu 16: Xét phản ứng: n 92 U 140 58 Ce  41 Nb  3n  7e Cho lượng liên kết riêng MeV/nuclôn; 140 Ce 8,43 MeV/nuclôn; A 179,8 MeV 93 235 U 7,7 Nb 8,7 MeV/nuclôn Năng lượng tỏa phản ứng B 173,4 MeV C 82,75 MeV D 128,5 MeV Dạng 2: Các định luật bảo tồn phản ứng hạt nhân Bài tốn 1: Xác định góc, động vận tốc hạt phản ứng hạt nhân Phương pháp giải Ví dụ: Bắn hạt  vào hạt nhân nitơ đứng yên tạo phản ứng 14 N 17 He 14 N 1 H 8 O Năng lượng phản ứng E  1, 21 MeV Giả sử hai hạt sinh có vectơ vận tốc Động hạt  A 1,36 MeV B 1,65 MeV C 1,63 MeV D 1,56 MeV Hướng dẫn giải Bước 1: Xác định đại lượng đề cho quy đổi đơn vị chuẩn Viết phương trình phản ứng Bước 2: Áp dụng định luật: Bảo toàn động lượng: Bước 1: Năng lượng tỏa phản ứng E  1, 21 MeV Bước 2: Theo định luật bảo tồn động lượng ta có: m v   mH  mO  v (với v vận tốc hai hạt sau phản ứng)  v  p1  p2  p3  p4 với p  mv Bảo toàn lượng: Wd1  Wd2   m1  m2  c  Wd3  Wd4   m3  m4  c m v  v mH  mO m v2 K   2v2 Trang Lưu ý: - Khơng có định luật bảo toàn khối lượng - Mối quan hệ động lượng p động K p2  2mK - Sử dụng phương pháp hình học giải toán K H  KO mH  mO  v mH  mO      v 2   9   v2  K 9 K  K H  KO  E  K  K  K  E 9  K  E  1,56 MeV Chọn D Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Bắn hạt nhân  có động 18 MeV vào hạt nhân 14 N đứng yên ta có phản ứng 17  14 N 8 O  p Biết hạt nhân sinh vectơ vận tốc Cho m  4,0015 u; m p  1,0072 u; mN  13,9992 u; mO  16,9947 u Cho 1u  931,5 MeV / c2 Động hạt prôtôn sinh A 0,111 MeV B 0,938 MeV C 0,333 MeV D 0,555 MeV Hướng dẫn giải Năng lượng phản ứng thu: E   m  mN  mO  m p  c  1,1178 MeV KC  K p  K  E  16,8822 MeV KC  m p v 2p K m Kp mO vO2 1 ;Kp  mà vO  v p  p  p    2 Ko mo 17 K p  Ko 17   Kp  Ko  K p 18  16,8822  0,9379 MeV 18 Chọn B Ví dụ 2: Dùng prơtơn có động 5,45 MeV bắn vào hạt nhân 84 Be đứng yên Phản ứng tạo hạt nhân X hạt nhân  Hạt  bay theo phương vng góc với phương tới prơtơn có động MeV Khi tính động hạt, lấy khối lượng hạt tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử số khối chúng Năng lượng tỏa phản ứng A 3,125 MeV B 4,225 MeV C 1,145 MeV D 2,125 MeV Hướng dẫn giải Phương trình phản ứng: p 94 Be 24 He 36 Li E  K  K Li  K p  K Li  1, 45 Áp dụng định luật bảo toàn động lượng: p p  pLi  p p  p p  pLi2  p2  p 2p  mLi K Li  m K  m p K p  K Li  3,575 MeVs Trang  E  2,125 MeV Chọn D Bài tập tự luyện dạng Câu 1: Hạt  có lượng K  3,1 MeV va chạm vào hạt nhôm đứng yên gây phản ứng 30  1327 Al 15 P  n Biết khối lượng hạt m  4, 0015 u; mAl  26,97435 u; m p  29,97005 u; mn  1,00867 u; 1u  931,5 MeV / c2 Giả sử hai hạt sinh có vận tốc Động hạt n A 0,8716 MeV B 0,9367 MeV C 0,2367 MeV D 0,0138 MeV Câu 2: Ta dùng prơtơn có 2,0 MeV vào hạt nhân 37 Li đứng yên thu hai hạt X có động Năng lượng liên kết hạt nhân X 28,3 MeV độ hụt khối hạt Li 0,0421 u Cho 1u  931,5 MeV / c2 Khối lượng hạt nhân tính theo u xấp xỉ số khối Tốc độ hạt nhân X A 1,96 m / s B 2, 20 m / s C 2,16.107 m / s D 1,93.107 m / s Câu 3: Dùng hạt prơtơn có động K p  5, 45 MeV bắn vào hạt nhân Beri đứng yên tạo phản ứng 1 H 94 Be 24 He 36 Li Heli sinh bay theo phương vng góc với phương chuyển động prôtôn Biết động heli K  MeV khối lượng hạt tính theo đơn vị u số khối chúng Động hạt liti có giá trị A 46,565 MeV B 3,575 MeV C 48,565 MeV Câu 4: Dùng prơtơn có động K1 bắn vào hạt nhân D 12,87 MeV Be đứng yên gây phản ứng p 94 Be   36 Li Phản ứng tỏa lượng W  2,1 MeV Hạt nhân 36 Li hạt  bay với động K2  3,58 MeV ; K3  MeV Lấy gần khối lượng hạt nhân, tính theo đơn vị u, số khối Góc hướng chuyển động hạt  hạt p A 45 B 90 C 75 D 120 Câu 5: Người ta dùng hạt prôtôn bắn vào hạt nhân 37 Li đứng yên, để gây phản ứng 11 H 37 Li  2 Biết phản ứng tỏa lượng hai hạt  có động Lấy khối lượng hạt theo đơn vị u gần số khối chúng Góc  tạo hướng hạt  A Giá trị B 60 C 160 D 120 Câu 6: Cho prơtơn có động K p  2, 25 MeV bắn phá hạt nhân Liti Li đứng yên Sau phản ứng xuất hai hại X giống nhau, có động có phương chuyển động hợp với phương chuyển động prơtơn góc  Cho biết mp  1,0073 u; mLi  7,0142 u, mx  4,0015 u, 1u  931,5 MeV / c2 Coi phản ứng khơng kèm theo phóng xạ gamma Giá trị góc  A 39, 45 B 41,35 Câu 7: Cho phản ứng hạt nhân: C 78,9 D 12 D 32 He 10 n Biết độ hụt khối D 83,07 D ( mD  0,0024 u; mHe  0,0505 u 1u  931,5 MeV / c2 ; N A  6,022.1023 mol 1 Nước tự nhiên có chứa 0,015% D2O , toàn 12 D tác từ kg nước làm nhiên liệu dùng cho phản ứng tỏa lượng A 3, 46.108 kJ B 1,73.1010 kJ C 3, 46.1010 kJ D 30,76.106 kJ Trang 10 Câu 8: Bắn hạt prôtôn có động 5,5 MeV vào hạt nhân 37 Li đứng yên gây phản ứng hạt nhân p 37 Li  2 Giả sử phản ứng không kèm theo xạ  , hai hạt  có động bay theo hai hướng tạo với góc 160 Coi khối lượng hạt tính theo đơn vị u gần số khối Năng lượng mà phản ứng tỏa A 14,6 MeV B 10,2 MeV C 17,3 MeV D 20,4 MeV 27 30 Câu 9: Bắn hạt  vào hạt nhân nguyên tử nhôm đứng yên gây phản ứng: 42 He 13 Al 15 P 10 n Biết phản ứng thu lượng 2,70 MeV; giả sử hai hạt tạo thành bay với vận tốc phản ứng không kèm xạ  Lấy khối lượng hạt tính theo đơn vị u có giá trị số khối chúng Động hạt  A 2,70 MeV B 3,10 MeV C 1,35 MeV D 1,55 MeV Câu 10: Dùng hạt  bắn phá hạt nhân nitơ đứng yên thu hạt prôtôn hạt nhân ôxi 17 theo phản ứng: 42  14 N 8 O 1 p Biết khối lượng hạt phản ứng là: m  4,0015 u; mN  13,9992 u ; mO  16,9947 u; mp  1, 0073 u Cho uc2  931,5 MeV Nếu bỏ qua động hạt sinh động tối thiếu hạt  A 3,007 MeV B 1,211 MeV C 29,069 MeV D 1,503 MeV ĐÁP ÁN VÀ LỜI GIẢI Dạng 1: Phản ứng hạt nhân Năng lượng tỏa từ phản ứng 1–A 2–B 3–A 4–D 5–C 6–C 11 – A 12 – A 13 – D 14 – B 15 – B 16 – A 7–D 8–D 9–B 10 – D 7–D 8–C 9–B 10 – B Dạng 2: Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân 1–D 2–C 3–B 4–B 5–C 6–D Trang 11 ... 128 ,5 MeV Dạng 2: Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân Bài tốn 1: Xác định góc, động vận tốc hạt phản ứng hạt nhân Phương pháp giải Ví dụ: Bắn hạt  vào hạt nhân nitơ ? ?ứng yên tạo phản ứng. .. Phản ứng hạt nhân tỏa – thu lượng véctơ phản ứng Cho phản ứng hạt nhân tổng quát X1  X  X  X (1) Gọi mt  m1  m2 tổng khối lượng hạt nhân trước phản ứng ms  m3  m4 tổng khối lượng hạt nhân. ..  3, 25  2. 0,0 024 .931,5  7, 72 MeV Chọn A 3, 25 MeV   phản ứng tỏa lượng Ví dụ 3: Cho phản ứng hạt nhân: 13 T  12 D ? ?24 He  X  17, MeV Năng lượng tỏa từ phản ứng tổng hợp g heli A 52, 976.1 023