Phân loại bài tập chƣơng Hạtnhân nguyên tử

1.6 .Hƣớng dẫn học sinh giải bài tập vật lí

2.5. Phân loại bài tập chƣơng Hạtnhân nguyên tử

Có nhiều cách phân loại bài tập vật lí: theo nội dung, theo phƣơng thức cho điều kiện và phƣơng thức giải, theo yêu cầu định tính hay định lƣợng của việc nghiên cứu vấn đề, theo yêu cầu luyện tập kĩ năng hay yêu cầu phát triển tƣ duy, sáng tạo của học sinh trong q trình dạy học. Chúng tơi đã tuyển chọn những bài tập vật lí theo yêu cầu giảng dạy và phát triển năng lực học tập của học sinh và theo cách phân loại theo nội dung, bài tập chƣơng Hạt nhân nguyên tử đƣợc chia thành các dạng bài lớn nhƣ sau:

Dạng 1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử. Dạng 2. Phản ứng hạt nhân.

Dạng 3.Phóng xạ

Do đặc thù kiến thức trong chƣơng, ở mỗi dạng,chúng tôi tuyển chọn phần lớn là các bài tập định lƣợng, ngồi ra có một số bài tập đồ thị và một số bài trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn. Cụ thể nhƣ sau:

Dạng 1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử.

 Bài tập định lƣợng.

- Áp dụng các công thức viết cấu tạo hạt nhân nguyên tử: A ZX

- Tính khối lƣợng của hạt nhân nguyên tử theo các đơn vị khối lƣợng khác nhau: u, MeV/c2, kg.

- Áp dụng tính khối lƣợng mol nguyên tử khi biết phần trăm khối lƣợng các đồng vị của nguyên tố đó.

- Áp dụng cơng thức tính độ hụt khối của hạt nhân:

m = Z.mp + (A – Z).mn – mX

- Cơng thức tính năng lƣợng liên kết:   2

lk

E mc

- Cơng thức tính năng lƣợng liên kết riêng: Elk

A

Dạng 2. Phản ứng hạt nhân:

 Bài tập định lƣợng.

- Áp dụng định luật bảo tồn điện tích và bảo tồn số nuclơn để hồn thành các phƣơng trình phản ứng: 1 2 3 4

1 2 3 4

A

A A A

Z AZ B Z X ZY

- Tính độ hụt khối lƣợng của các chất trƣớc và sau phản ứng.

Tính năng lƣợng tỏa ra hay thu vào trong phản ứng hạt nhân: W = (mtrƣớc - msau)c2

- Áp dụng định luật bảo toàn năng lƣợng, định luật bảo toàn động lƣợng để xác định động năng, động lƣợng, vận tốc của các hạt trong phản ứng.

 Bài tập định tính:

Giải thích định tính tại sao phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch là phản ứng hạt nhân tỏa năng lƣợng.

Dạng 3. Phóng xạ.

 Bài tập định lƣợng

- Áp dụng công thức T ln 2 0, 693

T T

  để tính chu kì bán rã

- Cơng thức tính khối lƣợng chất phóng xạ, số hạt chất phóng xạ, hoạt độ phóng xạ tại thời điểm t tính từ thời điểm ban đầu.

0 t mm e    0 t N N e

0

t

H H e

H= λN

- Cơng thức tính khối lƣợng chất phóng xạ, số hạt chất phóng xạ, hoạt độ phóng xạ tại thời điểm t tính từ thời điểm ban đầu.

Cơng thức tính khối lƣợng chất phóng xạ, số hạt chất phóng xạ đã phân rã hết sau khoảng thời gian Δt tính từ thời điểm ban đầu.

0(1 t) m m e       N N0(1e t)

 Bài tập đồ thị: Nhận biết, vẽ đồ thị từ phƣơng trình của định luật phóng xạ. Trong mỗi loại, các bài tập đƣợc lựa chọn theo yêu cầu phát triển tƣ duy. Cụ thể, các bài tập đƣợc tuyển chọn từ dễ đến khó, có bài tập luyện tập đơn giản, có bài tập luyện tập tổng hợp.. Bài tập đƣa ra trong các tiết học có nêu rõ mục tiêu, thời gian dự kiến sử dụng bài tập đó trong hoạt động dạy và học (phần chữ in nghiêng bên dƣới).

2.6. Hệ thống bài tập chƣơng Hạt nhân nguyên tử. .Dạng 1. Năng lượng liên kết Bài 1. Có bao nhiêu prôtôn và nơtron trong các hạt nhân sau?

10 6C, 11 6C, 12 6C, 13 6C, 14 6C, 15 6C

Mục tiêu: Nhớ kí hiệu của hạt nhân nguyên tử. Xác định, phân biệt được số prôtôn Z, số nơ tron N, tổng số các nuclơn trong hạt nhân ngun tử đó.

Nhớ lại một chất có thể có các đồng vị khác nhau.

Dùng cuối giờ học để củng cố vận dụng kiến thức trong bài.

Bài 2. Xác định cấu tạo của hạt nhân 238

92U . Tính khối lƣợng của hạt nhân 238

92U theo đơn vị u; đơn vị kg và đơn vị MeV/c2

. Biết khối lƣợng nguyên tử 238

92Ulà

238,0805u.

Mục tiêu: Nhớ lại kí hiệu, cấu tạo hạt nhân nguyên tử. biết cách tính khối lượng hạt nhân từ khối lượng nguyên tử đã cho. Cách chuyển đổi các hệ đơn vị của khối lượng hạt nhân.

Sử dụng cuối giờ học ôn tập lại kiến thức toàn bài.

Bài 3. So sánh khối lƣợng và điện tích của hai hạt nhân 36

13S và 36

Mục tiêu: So sánh tổng quan khối lượng và điện tích hai hạt nhân có số khối bằng nhau (không phải đồng vị)

Bài 4. Xác định khối lƣợng tính ra u của hạt nhân 12

6C biết khối lƣợng nguyên tử của 12

6C là 12u.

Mục tiêu: Biết cách xác định khối lượng hạt nhân từ khối lượng nguyên tử của một nguyên tố.

Bài 5. Cho các hạt nhân 3

2He, 7

4Be, 15

8O. Các hạt nhân của nguyên tố nào có số prơtơn bằng số nơtron của các hạt nhân trên?

Mục tiêu: Ôn tập lại kiến thức cấu tạo hạt nhân. Nhớ lại cách xác định số nơtron trong hạt nhân nguyên tử từ kí hiệu hạt nhân của nguyên tử đó. Biết cách sử dụng bảng hệ thống tuần hồn các ngun tố hóa học tìm lại ngun tố khi biết điện tích Z của chúng.

Bài 6. Khí clo là hỗn hợp của hai đồng vị bền là 35

Cl=34,969u hàm lƣợng 75,4% và

37

Cl= 36,966u hàm lƣợng 24,6%.

Tính khối lƣợng nguyên tử của nguyên tố hóa học clo.

Mục tiêu: Hiểu phương pháp tính khối lượng của một nguyên tử khi biết khối lượng và % đồng vị của chúng.

Bài tập 3,4,5,6 sử dụng giao về nhà.

Bài 7. Cho hạt nhân 4

2He.

a.Tính độ giảm khối lƣợng khi các nuclôn (2 prôtôn và 2 nơtron) tạo thành hạt nhân

4

2He ( mHe =4,0015u )

b.Tính năng lƣợng nghỉ của hạt nhân 4

2He và năng lƣợng nghỉ của tổng các nuclon trên. So sánh độ lớn của hai năng lƣợng này.

c.Từ hạt nhân nguyên tử Heli muốn tách thành các nuclôn riêng rẽ ( bao gồm 2 prơtơn và 2 nơtron ) thì phải cung cấp cho hệ một năng lƣợng tối thiểu là bao nhiêu?

Mục tiêu: Vận dụng những kiến thức đã học để so sánh khối lượng, năng lượng nghỉ của tổng các nuclơn tạo thành hạt nhân với hạt nhân đó. Tạo dựng kiến thức mới về năng lượng liên kết.

Bài 8. Tính độ hụt khối của hạt nhân 60

27Cobiết m hạt nhân là 55,925u.

Mục tiêu: Nhớ cơng thức tính độ hụt khối của hạt nhân nguyên tử. Dùng củng cố kiến thức bài học ngay trên lớp.

Bài 9. Tính năng lƣợng liên kết và năng lƣợng liên kết riêng của hạt nhân 3

1T

biết mT = 3,0106u ; mp = 1,00728u, mn = 1,00866u ; 1u = 931,5 MeV/c2

Bài 10. So sánh mức độ bền vững của hai hạt nhân nguyên tử 234

92Uvà 238

92U

Bài 11. Tính năng lƣợng liên kết của các hạt nhân 9

4Be, 64

29Cu, 108

47Ag, 56

26Fe. So sánh độ bền vững của các hạt nhân đó.

Mục tiêu bài 9,10, 11: Áp dụng cơng thức tính năng lượng liên kết của các hạt nhân nguyên tử. Hiểu rõ tại sao các hạt nuclon trong hạt nhân nguyên tử lại có thể liên kết bền vững với nhau. Biết phương pháp so sánh mức độ bền vững của các hạt nhân nguyên tử đồng vị (bằng cách tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân đó.

Bài 12. Năng lƣợng liên kết của 20

10Ne là 160,64 MeV. Xác định khối lƣợng của nguyên tử 20

10Ne.

Mục tiêu: Bài toán áp dụng cơng thức tính năng lượng liên kết. Biết được năng lượng liên kết của một hạt nhân xác định ngược lại khối lượng của hạt nhân nguyên tử. Ngoài ra, rèn luyện cách đổi đơn vị khối lượng u ra đơn vị MeV/c2

và cách tính khối lượng nguyên tử khi biết khối lượng hạt nhân nguyên tử đó.

Bài 13. Hạt nhân α có khối lƣợng mα = 4,0015u. Biết số Avogadro NA= 6,02.1023mol-1. 1u = 931,5 MeV/c2. Các nuclon kết hợp với nhau tạo thành hạt α. Năng lƣợng tỏa ra khi tạo thành một mol khí Heli là bao nhiêu?

Mục tiêu: Nắm vững bản chất của quá trình tổng hợp hạt nhân. Nếu từ trạng thái ban đầu gồm các nuclon đứng riêng rẽ cho tổng hợp lại thành hạt nhân thì sẽ tỏa năng lượng tương ứng.

Dạng 2. Phản ứng hạt nhân.

Bài 14. Xác định hạt X trong phƣơng trình sau: 19 1 16

9F1H 8O X

Bài 15. Hoàn chỉnh các phản ứng sau:

6 7 1

10 7 4

5B ? 3Li2He

35 32 4

17Cl ? 16S2He

Mục tiêu bài 14,15: Nhớ các định luật bảo toàn cơ bản trong phản ứng hạt nhân:định luật bảo toàn số khối và định luật bảo tồn điện tích để áp dụng vào việc xác định các hạt còn thiếu trong phản ứng. Bài 16. Hoàn chỉnh các phản ứng: 1 235 94 140 1 0n 92U39Y ?Ix n(0 ) 1 235 95 138 1 0n 92U ?Zr 52Tex n(0 )

Mục tiêu: Vận dụng thành thạo hai định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích trong phản ứng hạt nhân để xác định các nguyên tử còn khuyết thiếu trong các phản ứng phân hạch.

Bài 17. Viết phản ứng hạt nhân biến thủy ngân 198

Hg thành vàng (giấc mơ của các nhà giả kim thuật ngày xƣa).

Bài 18. Trên một số sao ngƣời ta tìm thấy các hạt nhân cacbon có vai trị xuất phát

điểm của một chuỗi phản ứng tổng hợp (đƣợc gọi là chu trình CNO). Hãy hồn chỉnh các phản ứng đó. a. 12 13 6C ? 7N b. 13 13 7N 6N? c. 13 14 6C ? 7N d. 14 15 7N ? 8O e. 15 15 8C 7N? f. 15 1 12 7N1H 6C?

Mục tiêu bài 17, 18. Hai bài toán thực tế,hiểu sâu sắc ý nghĩa của kiến thức vật lí hạt nhân khi giải thích một số hiện tượng gắn liền với cuộc sống, với tự nhiên. Học sinh nhớ lại các kiến thức về các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân.

Bài 19. Phản ứng nào sau đây thu năng lƣợng biết khối lƣợng các hạt nhân nguyên

tử mn = 1,0087u; mp= 1,0073u ; mD = 2,0135u ; mT = 3,0155u; mHe3 = 3,0149u ; mHe 4 = 4,0015u ; mN14= 13,9992u; mO17 = 16,9947u.

a. 1 2 3 1H1H2He b. 2 2 4 1H1H 2He c. 2 3 4 1 1H1H2He0n d. 4 14 17 1 2He 7N 8O1H

Bài 20. Tính năng lƣợng tỏa ra trong các phản ứng biết khối lƣợng các hạt nhân

nguyên tử mH = 1,0073u ; mD = 2,0135u; mLi7 = 7,0143u, mLi6 = 6,0135u, mHe3 = 3,0149u, mHe4 = 4,0015u

a) 7 1 4 4 3Li1H2He2He b) 2 3 1 4 1H 2He1H2He c) 6 2 4 4 3Li1H 2He 2He d) 6 1 3 4 3Li1H2He2He

Bài 21. Xác định năng lƣợng cực tiểu của phơtơn cần thiết để kích thích sự tạo

thành các phản ứng:

9 4 1

4Behf 2(2He) 0n

Mục tiêu bài 19 21:. Hiểu và vận dụng cơng thức tính năng lượng tỏa ra hay thu vào trong các phản ứng hạt nhân. Đồng thời nhận biết rõ, khi nào thì phản ứng tỏa năng lượng. Khi nào phản ứng cần cung cấp năng lượng mới có thể thực hiện. Rèn luyện kĩ năng tính tốn cho học sinh.

Bài 22. Phản ứng 6 2 4

3Li1H2(2He) tỏa năng lƣợng 22,4 MeV. Tính khối lƣợng nguyên tử của 6

3Li. ( Khối lƣợng của 2

1H và 4

2He coi nhƣ đã biết)

Mục tiêu:Hiểu và vận dụng thành thạo cơng thức tính năng lượng tỏa ra trong phản ứng hạt nhân. Tìm ngược lại khối lượng của một hạt nhân nguyên tử khi biết khối lượng của các hạt nhân khác và năng lượng tỏa ra trong phản ứng.

Bài 23.Biết độ hụt khối khi tạo thành các hạt nhân D, T và α lần lƣợt là ΔmD = 0,0024u, ΔmT = 0,0087u, Δmα = 0,0305u. Hãy cho biết phản ứng D + T  α + n là phản ứng tỏa hay thu năng lƣợng? Tìm năng lƣợng tỏa hay thu đó. Cho u = 931 MeV/c2

.

Mục tiêu: Nhớ lại khái niệm độ hụt khối, qua đó tìm được mối liên hệ giữa hiệu độ hụt khối của các hạt nhân trước và sau phản ứng với hiệu khối lượng của các hạt nhân của trước và sau phản ứng. Vận dụng tính năng lượng tỏa/thu của phản ứng hạt nhân thông qua khái niệm độ hụt khối.

Bài 24. Cho phản ứng hạt nhân: 2 2 4

1H1H2He3, 25MeV

Biết độ hụt khối của hạt nhân 2

1Hlà ΔmD = 0,0024u và 1u = 931MeV/c2

. Tính năng lƣợng liên kết của hạt nhân 4

2He.

Mục tiêu: Vận dụng thành thạo các công thức về độ hụt khối của hạt nhân, năng lượng tỏa hay thu trong phản ứng hạt nhân, năng lượng liên kết của hạt nhân. Hiểu thêm một phương pháp khác để tính năng lượng liên kết của hạt nhân khi biết năng lượng tỏa ra (hay thu vào) của phản ứng và độ hụt khối của các hạt nhân còn lại.

Bài 25. Phản ứng hạt nhân: 234 230

92U  90Th

Tìm năng lƣợng tỏa ra hay thu vào trong phản ứng, biết năng lƣợng liên kết riêng của hạt α là 7,1 MeV ; của U234 là 7,63 MeV ; của Th230 là 7,70 MeV.

Mục tiêu: Áp dụng cơng thức tính năng lượng trong phản ứng. Vận dụng khái niệm độ hụt khối, năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng để tìm mối liên hệ giữa năng lượng tỏa/thu của phản ứng, số khối hạt nhân tham gia trong phản ứng và năng lượng liên kết riêng.

Bài 26. Xét phản ứng phân hạch.

1 235 139 94 1

0n 92U 53I39Y k(0n)

Xác định số hạt nơtron sinh ra sau phản ứng và tính năng lƣợng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân 235 U . Cho biết: 235 U= 234,99332u, 139 I= 138,89700u, 94 Y= 93,89014u.

Mục tiêu: Từ phương trình phản ứng nhớ lại phản ứng phân hạch là gì và vận dụng hai định luật bảo tồn điện tích; bảo tồn số khối tìm ra số hạt nơtron sinh ra, hồn chỉnh phương trình phản ứng.

Áp dụng cơng thức tính năng lượng sinh ra trong một phản ứng vào phản ứng phân hạch.

Bài 27. Phân hạch một hạt nhân 235

U trong lò phản ứng sẽ tỏa ra năng lƣợng 200MeV/1 hạt nhân.

a) Nếu phân hạch 1kg 235

Uthì năng lƣợng tỏa ra bằng bao nhiêu?

Cho năng suất tỏa nhiệt của than: 2,93.107 J/kg.

Bài 28. Hãy tính năng lƣợng tỏa ra khi tổng hợp 1g Hêli theo phƣơng trình

2 3 4 1

1H1H2He0n

So sánh năng lƣợng đó với năng lƣợng tỏa ra khi phân hạch 1g Urani. Biết khối lƣợng các nguyên tử: m2

1H= 2,014u ; m3

1H= 3,01605u ; m4

2He =

4,0026u; mn = 1,0087u.

Mục tiêu bài 27, 28. Vận dụng kiến thức tính năng lượng tỏa ra ở phản ứng nhiệt hạch cũng như phản ứng phân hạch. Đây là kiến thức gắn liền với thực tế. Đồng thời so sánh sự khác nhau khi dùng nhiên liệu tạo năng lượng hạt nhân với các loại nhiên liệu tạo năng lượng thông dụng trong cuộc sống (ví dụ: than, xăng) và so sánh năng lượng nhiệt hạch và phân hạch với nhau, nhận thức những ưu điểm của chúng.

Bài 29. Xét phản ứng nhiệt hạch: 2 2 3 1

1H1H2He0n

a. Tính năng lƣợng mà phản ứng này tỏa ra.

b. Tính năng lƣợng có thể thu đƣợc từ 1kg nƣớc thƣờng nếu dùng toàn bộ đơ tê ri rút ra làm nhiên liệu hạt nhân. Cần bao nhiêu ét xăng để có năng lƣợng ấy. Biết năng suất tỏa nhiệt của xăng là 46.106

J/kg và trong nƣớc thƣờng có 0,015% nƣớc nặng. Cho m D = 2,0135u; mHe = 3,0149u; mn = 1,0087u ; 1u = 931,5 MeV/c2

Mục tiêu: Bài tốn thực tế.Học sinh ơn tập lại kiến thức về cách tính năng lượng tỏa ra trong phản ứng hạt nhân.Trong ý b, dễ gây nhầm lẫn cho học sinh khi khơng biết rút D từ nước nặng có trong nước thường..

Bài 30.Bắn hạt He có động năng 4MeV vào hạt 14

7Nđang đứng yên thu đƣợc hạt p và hạt X. Giả thiết hai hạt sinh ra có cùng vận tốc.

a) Viết phƣơng trình phản ứng. Phản ứng này thu hay tỏa năng lƣợng bao nhiêu?

b) Tìm động năng hạt prơtơn.

Cho mHe = 4,0015u, mX = 16,9947u, mN = 13,9992u, mp = 1,0073u, 1u = 930,5