D) CÂU HỎI, BÀI TẬP, NỘI DUNG ÔN TẬP VÀ THẢO LUẬN CỦA CHƯƠNG
B) NỘI DUNG: 6.1 Giới thiệu chung
6.1. Giới thiệu chung
Phần vật lý hạt nhân tìm hiểu sâu về cấu tạo bên trong của hạt nhân, các đặc trưng của hạt nhân bền và hạt nhân phóng xạ và các quá trình có hạt nhân tham gia.
Hạt nhân được cấu tạo bởi proton và nơtron (gọi chung là nuclon), nhờ có lực hạt nhân mà chúng có thể "gắn kết" với nhau trong hạt nhân. Một hạt nhân được tạo thành từ các proton và nơtron có khối lượng luôn nhỏ hơn so với khối lượng của các hạt nuclon riêng rẽ. Quá trình tạo hạt nhân từ các nuclon luôn tỏa ra một năng lượng đúng bằng năng lượng liên kết hạt nhân.
Hạt nhân có thể là bền hoặc không bền. Các hạt nhân có thể tương tác với nhau và biến thành hạt khác. Quá trình tương tác với nhau giữa các hạt nhân tạo nên phản ứng hạt nhân tuân theo các ĐLBT: ĐLBT năng lượng toàn phần, bảo toàn số khối, bảo toàn điện tích, bảo toàn động lượng,...
6.2. Sự phóng xạ
* Nội dung kiến thức
- Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.
- Tia α thực chất là dòng các hạt nhân 4
2Hechuyển động với tốc độ cỡ 20000 km/s. Quãng đường đi được của tia α trong không khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micrômét.
+ Phóng xạ β- là quá trình phân rã phát ra tia β-. Tia β- là dòng các êlectron (0−1e) chuyển động với tốc độ rất lớn, xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Tia β- truyền đi được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại.
+ Phóng xạ β+ là quá trình phân rã phát ra tia β+. Tia β+ là dòng các pôzitron (0+1e) chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Pôzitron có điện tích +e và khối lượng bằng khối lượng êlectron. Tia β+ truyền đi được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại.
- Tia γ có bản chất là sóng điện từ. Các tia γ có thể đi qua được vài mét trong bê tông và vài xen-ti-mét trong chì.
- Định luật phóng xạ :
+ Nội dung: Trong quá trình phân rã, số hạt nhân chất phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ.
+ Hệ thức của định luật : N(t) = N0e-λt hoặc m(t) = m0e-λt
với ln 2 0,693
T T
λ = =
trong đó N0, m0 và N(t), m(t) là số hạt nhân, khối lượng chất phóng xạ lúc ban đầu và tại thời điểm t ; λ là hằng số phóng xạ đặc trưng cho từng loại chất phóng xạ.
+ Chu kì bán rã T là khoảng thời gian mà sau đó một nửa số hạt nhân bị biến đổi thành các hạt khác.
* Một số lưu ý khi dạy học
- Cần làm cho HS thông hiểu quá trình phân rã là gì và nhấn mạnh cho HS thấy quá trình này không hề phụ thuộc vào yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất,... Phân rã phóng xạ chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân đó mà thôi.
- Phân biệt cho HS bản chất của các tia bức xạ và cách nhận diện các tia này khi cho nó cùng đi qua điện trường giữa hai bản tụ điện, hoặc là căn cứ vào quãng đường mà nó đi được trong một môi trường.
- Nhấn mạnh cho HS, số hạt nhân đã phân rã đi thì bằng số hạt nhân tạo thành, nhưng khối lượng hạt nhân đã phân rã không bằng khối lượng chất tạo thành.
6.3. Phản ứng phân hạch
* Nội dung kiến thức
- Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn (có khối lượng cùng cỡ). Kèm theo quá trính phân hạch, có một số nơtron được giải phóng. Quá trình phân hạch có thể xảy ra theo nhiều cách khác nhau.
- Dùng nơtron nhiệt (còn gọi là nơtron chậm) có động năng cỡ 0,01 eV bắn vào 235U, ta có phản ứng phân hạch : → 1 2 1 2 A A 1 235 1 0n + 92U Z X +1 Z X + k n2 0
X1, X2 là các hạt nhân có số khối A thuộc loại trung bình (từ 80 đến 160) và hầu hết là các hạt nhân phóng xạ ; k là số hạt nơtron trung bình được sinh ra (cỡ 2,5). Phản ứng này tỏa ra một năng lượng cỡ 200 MeV dưới dạng động năng của các hạt.
- Các nơtron sinh ra sau mỗi phân hạch của urani (hoặc plutoni…) lại có thể bị hấp thụ, gây ra phản ứng phân hạch tiếp theo và cứ thế sự phân hạch được tiếp diễn thành dây chuyền. Số phân hạch tăng lên rất nhanh trong một thời gian rất ngắn, ta có phản ứng dây chuyền.
- Giả sử sau một lần phân hạch, có trung bình k nơtron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân 235U khác tạo nên những phân hạch mới.
+ Khi k < 1 phản ứng phân hạch dây chuyền không xảy ra.
+ Khi k = 1 phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra với mật độ nơtron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được.
+ Khi k > 1 thì dòng nơtron tăng liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.
Ngoài ra, để giảm số nơtron bị mất vì thoát ra ngoài, đảm bảo cho phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra, thì khối lượng của chất phân hạch (nhiên liệu phân hạch) phải có một giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn.
* Một số lưu ý khi dạy học
- Nhấn mạnh cho HS Phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, có điều khiển, được tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân. Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn phản ứng hạt nhân là 235U hoặc
239Pu.
- Để đảm bảo k = 1, trong lò phản ứng hạt nhân người ta dùng các thanh điều khiển có chứa bo hoặc cađimi, là các chất có tác dụng hấp thụ mạnh nơtron thừa. Cùng với thanh nhiên liệu, trong lò phản ứng hạt nhân còn có chất làm chậm nơtron (nước thường, D2O, than chì…).
- Chất thải từ các phản ứng phân hạch rất nguy hại cho sức khỏe con người cũng như sinh vật. - Các mô phỏng máy tính về phản ứng hạt nhân, phản ứng dây truyền, phản ứng phân hạch, nhiệt hạch và mô hình hoạt động của nhà máy điện nguyên tử nên được trình chiếu cho HS xem.
- Video phóng sự về các lò phản ứng hạt nhân và đặc biệt về lò phản ứng hạt nhân ở Đà lạt nên được chiếu để khơi gợi niềm ham thích học tập của HS.
6.4. Phản ứng nhiệt hạch
* Nội dung kiến thức
- Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó các hạt nhân nhẹ hợp lại thành các hạt nhân nặng hơn.
- Điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra là: + Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.
+ Thời gian duy trì trạng thái plasma (τ) ở nhiệt độ cao (từ 50 đến 100 triệu độ) phải đủ lớn. - Ưu điểm của việc sản xuất năng lượng do phản ứng nhiệt hạch toả ra là:
+ Năng lượng toả ra trong phản ứng nhiệt hạch rất lớn.
+ Nguồn nhiên liệu nhiệt hạch có trong thiên nhiên dồi dào gần như là vô tận. + Chất thải từ phản ứng nhiệt hạch không làm ô nhiễm môi trường.
* Một số lưu ý khi dạy học
Lưu ý cho HS những nội dung sau:
- Con người mới chỉ thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng không kiểm soát được (bom H).
- Năng lượng toả ra bởi các phản ứng nhiệt hạch được gọi là năng lượng nhiệt hạch. - Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao.
- Năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch rất lớn là tính trung bình trên một nuclon.
C) TÀI LIỆU HỌC TẬP
1. Lê Công Triêm, Lê Thúc Tuấn, Bài giảng Phân tích chương trình VLPT, Đại học sư phạm Huế, 2004.
2. Sách giáo khoa, sách giáo viên Vật lý 12 (chương trình cơ bản và nâng cao), NXB Giáo dục, Hà Nội.
3. Hướng dẫn thực hiện Chuẩn kiến thức, kĩ năng môn vật lý 12, Bộ Giáo dục và Đào tạo.
D) CÂU HỎI, BÀI TẬP, NỘI DUNG ÔN TẬP VÀ THẢO LUẬN CỦA CHƯƠNG
1. Nêu đặc điểm nội dung của sự phóng xạ, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và một số lưu ý khi dạy học những kiến thức này trong chương trình VLPT.
2. Để tổ chức hoạt động dạy học các kiến thức trong phần vật lý phân tử và nhiệt học có thể sử dụng phương pháp và phương tiện dạy học nào?
3. Soạn kế hoạch bài dạy các bài học trong SGK Vật lý 12 chương trình chuẩn sau: + Bài 36. Năng lượng liên kết của hạt nhân
+ Bài 38. Phản ứng phân hạch
5. Hãy vận dụng kiến thức về lí luận dạy học Vật lý để chuẩn bị dạy học bài "Bài 37. Phóng xạ" trong SGK Vật lý 12 chương trình chuẩn dưới đây nhằm phát huy tính tích cực, tự lực sáng tạo của HS.