Bài 16. Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng trang 69, 70, 71

Trắc nghiệm 16.1

Cho phản ứng hạt nhân: ${}_9^{19}F{+}_1^{1}H{\to }_8^{16}O+X.$ X là hạt

A. alpha.                       

B. neutron.                    

C. deuteri.                     

D. proton.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết:

${}_9^{19}F{+}_1^{1}H{\to }_8^{16}O{+}_2^{4}He$

Đáp án: A

Trắc nghiệm 16.2

Phản ứng nhiệt hạch là

A. sự biến đổi hạt nhân dưới tác dụng nhiệt.

B. sự phân rã của một hạt nhân thành những hạt nhân khác một cách tự phát.

C. phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn.

D. phản ứng hạt nhân toả năng lượng.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng nhiệt hạch

Lời giải chi tiết:

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, và là phản ứng toả năng lượng.

Đáp án: D

Trắc nghiệm 16.3

Trong các phát biểu sau về phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch, có bao nhiêu phát biểu đúng?

(1) Đều là phản ứng hạt nhân toả năng lượng.

(2) Đều là hiện tượng một hạt nhân nặng vỡ ra thành các hạt nhân nhẹ hơn.

(3) Đều là phản ứng tổng hợp hạt nhân.

(4) Đều xảy ra sự biến đổi hạt nhân.

A. 1.                             

B. 2.                             

C. 3.                             

D. 4.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng nhiệt hạch

Lời giải chi tiết:

1 - Đúng. Cả phản ứng phân hạch và nhiệt hạch đều toả ra năng lượng.

2 - Sai. Phản ứng phân hạch là hiện tượng này, nhưng phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp của các hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn.

3 - Sai. Phản ứng phân hạch không phải là tổng hợp, trong khi phản ứng nhiệt hạch là tổng hợp hạt nhân.

4 - Đúng. Cả hai loại phản ứng đều liên quan đến sự biến đổi của hạt nhân.

Đáp án: B

Trắc nghiệm 16.4

Trong một phản ứng hạt nhân, luôn có sự bảo toàn

A. số proton.                

B. số nucleon.               

C. số neutron.               

D. khối lượng.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết:

Trong phản ứng hạt nhân có định luật bảo toàn động lượng, bảo toàn điện tích, bảo toàn số khối, bảo toàn năng lượng toàn phần.

Đáp án: B

Trắc nghiệm 16.5

Hạt nhân ${}_{92}^{234}U$ phát ra hạt ${}_2^4\alpha$ và biến đổi thành hạt nhân mới, phương trình phản ứng của quá trình này có dạng:

A. ${}_{92}^{234}U{\to }_2^4\alpha {+}_{90}^{232}U.$

B. ${}_{92}^{234}U{\to }_2^4\alpha {+}_{90}^{230}Th.$

C. ${}_{92}^{234}U{\to }_2^4\alpha {+}_{88}^{230}Th.$

D. ${}_{92}^{234}U{\to }_2^4\alpha {+}_{90}^{230}U.$

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối

Lời giải chi tiết:

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối để kiểm tra các phản ứng hạt nhân.

Đáp án: B

Trắc nghiệm 16.6

Đề bài:

Một trong các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng là:

${}_0^{1}n{+}_{92}^{235}U{\to }_{92}^{236}U{\to }_{57}^{143}La{+}_{35}^{87}Br+y\left({}_0^{1}n\right)$ với y là số neutron. Giá trị y bằng

A. 4.                             

B. 6.                             

C. 8.                             

D. 10.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về định luật bảo toàn số nucleon

Lời giải chi tiết:

Áp dụng định luật bảo toàn số nucleon: 236 = 143 + 87 + y → y = 6.

Đáp án: B

Trắc nghiệm 16.7

Trong mỗi phát biểu sau, em hãy chọn đúng hoặc sai.

a) Trong các phản ứng hạt nhân, điện tích và số khối được bảo toàn nên số neutron cũng được bảo toàn.

b) Cho phản ứng hạt nhân ${}_0^{1}n{+}_{92}^{235}U{\to }_{38}^{94}Sr+X+2_0^{1}n.$Hạt nhân X có 54 proton và 86 neutron.

c) Trong phản ứng nhiệt hạch: ${}_1^{2}H{+}_1^{3}H{\to }_2^{4}He{+}_0^{1}n+17,6MeV$, năng lượng cần cung cấp cho phản ứng là 17,6MeV

d) Công nghệ hạt nhân đang được ứng dụng nhiều trong y học, công nghiệp, nông nghiệp, khảo cổ học, thực phẩm.

e) Trong phản ứng hạt nhân chỉ có sự bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối.

f) Phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng của Mặt Trời và các sao.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết:

a) Sai. Vì không có định luật bảo toàn số neutron.

b) Đúng.

c) Sai. Vì đây là năng lượng mà phản ứng này toả ra.

d) Đúng.

e) Sai. Vì còn có sự bảo toàn động lượng và năng lượng toàn phần.

f) Đúng.

Trắc nghiệm 16.8

Xét lần lượt hai phản ứng sau:

- Phản ứng 1:

${}_{92}^{235}U{+}_0^{1}n{\to }_{60}^{143}Nd{+}_{40}^{90}Zr+3_0^{1}n+8_{-1}^{0}e+8{\overline{v}}_e+200MeV.$ Khối lượng của ${}_{92}^{235}U$sử dụng trong phản ứng 1 là 50 g.

- Phản ứng 2: ${}_1^{1}H{+}_0^{1}n{\to }_1^{2}D+2,23MeV.$ Khối lượng ${}_1^{2}D$tạo thành từ phản ứng 2 là 50 g.

Biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

Nhận định nào sau đây đúng?

A. Phản ứng 1 thuộc loại phản ứng nhiệt hạch, năng lượng toả ra khi phản ứng hết 50 g ${}_{92}^{235}U$là 2,56.10²⁵ MeV.

B. Phản ứng 2 thuộc loại phản ứng phân hạch, năng lượng toả ra khi thu được 50 g ${}_1^{2}D$là 3,36.10²⁵ MeV.

C. Xét về năng lượng toả ra của một phản ứng thì phản ứng nhiệt hạch có giá trị lớn hơn phản ứng phân hạch.

D. Tổng năng lượng toả ra ở phản ứng 2 lớn gấp 1,3125 lần tổng năng lượng toả ra ở phản ứng 1.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết:

Năng lượng toả ra khi sử dụng hết 50 g ${}_{92}^{235}U$:

$Q_1=\frac{50}{235}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}\cdot 200\approx 2,56\cdot {10}^{25}MeV$

Năng lượng toả ra khi thu được 50 g ${}_1^{2}D$:

$Q_2=\frac{50}{2}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}\cdot 2,23\approx 3,36\cdot {10}^{25}MeV$

Vậy năng lượng toả ra ở phản ứng nhiệt hạch lớn hơn phản ứng phân hạch nói trên 1,3125 lần trong các trường hợp đang xét.

Đáp án: D

Trắc nghiệm 16.9

Bom hydrogen (bom H) là một loại vũ khí hạt nhân có sức tàn phá lớn hơn bom nguyên tử (bom A) rất nhiều lần, dù hiện nay cả bom hydrogen và bom nguyên tử đều không được sử dụng trong các cuộc chiến tranh. Sở dĩ bom hydrogen có sức tàn phá lớn như vậy là do nó là sự kết hợp của phản ứng phân hạch của ${}_{92}^{235}U$ (giai đoạn 1) để tạo ra môi trường có nhiệt độ rất cao, cung cấp động năng cho các hạt tham gia phản ứng nhiệt hạch (giai đoạn 2) theo phương trình phản ứng ${}_1^{2}H{+}_1^{3}H{\to }_2^{4}He{+}_0^{1}n+17,6MeV$. Giả sử năng lượng toả ra từ quá trình phân hạch còn lại sau khi tạo phản ứng nhiệt hạch là 2,8.10¹⁰ J và khối lượng ${}_2^{4}He$được tạo thành từ một vụ nổ bom hydrogen trong thí nghiệm vũ khí hạt nhân là 200 g thì sức tàn phá của quả bom này tương đương với khoảng bao nhiêu tấn thuốc nổ TNT? Biết rằng năng lượng toả ra khi một tấn thuốc nổ TNT cháy hoàn toàn là 4,2.10⁹ J. Cho số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

A. 20 197,14 tấn.          

B. 20 190,48 tấn.          

C. 20 166,6 tấn.            

D. 20 183,81 tấn.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết:

Số lượng ${}_2^{4}He$được tạo thành là:

$N_{He}=\frac{200}{4}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}=3,011\cdot {10}^{25}$hạt

Tổng năng lượng toả ra của các phản ứng nhiệt hạch là:

$Q=3,011\cdot {10}^{25}.\left(17,6\cdot {10}^6\cdot 1,6\cdot {10}^{-19}\right)\approx 8,48\cdot {10}^{13}J$

Khối lượng thuốc nổ TNT cần dùng để năng lượng toả ra tương đương với bom hydrogen là:

$m=\frac{2,8\cdot {10}^{10}+8,48\cdot {10}^{13}}{4,2\cdot {10}^9}\approx 20197,14$ tấn.

Đáp án: A

Tự luận 16.1

Xác định số hiệu nguyên tử và số khối còn thiếu của các hạt nhân trong các phản ứng sau:

a) ${}_{12}^{26}Mg{+}_0^{1}n{\to }_2^{?}Ne{+}_2^{4}He.$

b) ${}_{94}^{?}Pu{+}_{10}^{22}Ne\to 4_0^{1}n{+}_{104}^{260}Rf.$

c) ${}_1^{2}H{+}_3^{?}Li\to 2_2^{4}He{+}_0^{1}n.$

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết:

a) ${}_{12}^{26}Mg{+}_0^{1}n{\to }_{10}^{23}Ne{+}_2^{4}He.$

b) ${}_{94}^{242}Pu{+}_{10}^{22}Ne\to 4_0^{1}n{+}_{104}^{260}Rf.$

c) ${}_1^{2}H{+}_3^{7}Li\to 2_2^{4}He{+}_0^{1}n.$

Tự luận 16.2

Xét phản ứng nhiệt hạch: ${}_1^{2}H{+}_1^{3}H{\to }_2^{4}He{+}_0^{1}n$. Để tổng hợp được 50 g He thì khối lượng ${}_1^{2}H$và ${}_1^{3}H$ phải sử dụng là bao nhiêu? Coi khối lượng mol gần bằng số khối của hạt nhân. Biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng nhiệt hạch

Lời giải chi tiết:

Để tạo ra 1 hạt 42He24He cần phải có sự tham gia của 1 hạt ${}_1^{2}H$và 1 hạt ${}_1^{3}H$

Số hạt ${}_2^{4}He$có trong 50 g ${}_2^{4}He$:

$N_{H2}=N_{H3}=N_{He}=\frac{50}{4}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}=7,5275\cdot {10}^{24}$hạt

Khối lượng ${}_1^{2}H$:${}_1^{2}H:m_{H2}=\frac{7,5275\cdot {10}^{24}}{6,022\cdot {10}^{23}}\cdot 2=25g.$

Khối lượng ${}_1^{3}H$:$m_{H3}=\frac{7,5275\cdot {10}^{24}}{6,022\cdot {10}^{23}}\cdot 3=37,5g.$

Tự luận 16.3

Xét phản ứng nhiệt hạch: ${}_1^{2}H{+}_1^{2}H{\to }_2^{4}He$ có năng lượng toả ra là 3,25 MeV. Nếu quá trình nhiệt hạch sử dụng hết 150 g ${}_1^{2}H$thì tổng năng lượng thu được là bao nhiêu? Coi khối lượng mol gần bằng số khối của hạt nhân. Biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng nhiệt hạch

Lời giải chi tiết:

Mỗi phản ứng nhiệt hạch đang xét cần sử dụng 2 hạt ${}_1^{2}H$Do đó, số lượng phản ứng nhiệt hạch khi sử dụng hết 150g ${}_1^{2}H$là:

$N=\frac{N_{H2}}{2}=\frac{150}{4}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}=2,25825\cdot {10}^{25}$

Tổng năng lượng thu được:

$W=2,25825\cdot {10}^{25}\cdot 3,25\approx 7,3393\cdot {10}^{25}MeV$

Tự luận 16.4

Cho một hạt neutron có động năng lớn đến bắn phá hạt nhân ${}_{92}^{235}U$đang đứng yên để tạo ra phản ứng phân hạch:${}_0^{1}n{+}_{92}^{235}U{\to }_{54}^{140}Xe{+}_{38}^{94}Sr+x_0^{1}n.$

a) Xác định giá trị x (số neutron được tạo thành sau phản ứng).

b) Trong phản ứng phân hạch này, năng lượng của phản ứng được xác định bằng hiệu của năng lượng liên kết giữa các hạt nhân sản phẩm với các hạt nhân tham gia phản ứng. Biết năng lượng liên kết riêng của ${}_{92}^{235}U$là 7,59 MeV/nucleon, ${}_{54}^{140}Xe$ là 8,29 MeV/nucleon, ${}_{38}^{94}Sr$là 8,59 MeV. Tính năng lượng phản ứng.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng phân hạch

Lời giải chi tiết:

a) Áp dụng định luật bảo toàn số nucleon: 1 + 235 = 140 + 94 + x.1 → x = 2.

b) W = 140.8,29 + 94.8, 59 - 235.7,59 = 184, 41 MeV.

Tự luận 16.5

a) Một nhà máy điện hạt nhân có công suất phát điện 1 920 MW, dùng năng lượng phân hạch của hạt nhân ${}_{92}^{235}U$với hiệu suất 33%. Lấy mỗi năm có 365 ngày; mỗi phân hạch sinh ra năng lượng khoảng 200 MeV. Khối lượng ${}_{92}^{235}U$mà nhà máy điện hạt nhân tiêu thụ mỗi năm là bao nhiêu? Cho biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

b) Cần sử dụng khối lượng than đá bằng bao nhiêu trong một nhà máy nhiệt điện để tạo ra lượng năng lượng như trên? Biết năng suất toả nhiệt của than đá là 20 MJ/kg.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng phân hạch

Lời giải chi tiết:

a) Năng lượng có ích: A_ci = 1920.10⁶.365.86 400 ~ 6,1.10¹⁶ J.

Vì hiệu suất nhà máy là 33% nên năng lượng toàn phần cần sử dụng trong một năm là: $A_{tp}=\frac{6,{1.10}^{16}}{0,33}\approx 1,8\cdot {10}^{17}J$
Số hạt ${}_{92}^{235}U$cần dùng: $N=\frac{1,8\cdot {10}^{17}}{200\cdot 1,6\cdot {10}^{-13}}\approx 5,{6.10}^{27}$ hạt.

Khối lượng ${}_{92}^{235}U$cần dùng: $m=\frac{5,6\cdot {10}^{27}}{6,022\cdot {10}^{23}}\cdot 235\approx 2,2\cdot {10}^{6}g=2,2$ tấn

b) Khối lượng than đá cần phải sử dụng để tạo ra lượng năng lượng tương đương ở câu a: $m^{\prime }=\frac{1,8\cdot {10}^{17}}{20\cdot {10}^6}={9.10}^{9}kg={9.10}^6$ tấn

Tự luận 16.6

Năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao trong vũ trụ đều có nguồn gốc từ các phản ứng nhiệt hạch, bắt đầu từ việc đốt cháy hydrogen để tạo thành helium (được gọi là chu trình proton – proton). Xét một ngôi sao đã đốt cháy hoàn toàn hydrogen thành helium và coi rằng các hạt nhân helium tạo thành đều tham gia vào quá trình ba – alpha theo phương trình: ${}_2^{4}He{+}_2^{4}He{+}_2^{4}He{\to }_6^{12}C+7,275MeV.$ Nếu khối lượng của ngôi sao vào thời điểm đó là 4.10³⁰ kg (khi tất cả hạt nhân trong ngôi sao đều là helium) và công suất toả nhiệt của ngôi sao là 3,8.10³⁰ W thì sau bao lâu toàn bộ hạt nhân ${}_2^{4}He$chuyển hoá hoàn toàn thành ${}_6^{12}C$? Cho biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng nhiệt hạch

Lời giải chi tiết:

a) Năng lượng có ích: A_ci = 1920.10⁶.365.86 400 ~ 6,1.10¹⁶ J.

Vì hiệu suất nhà máy là 33% nên năng lượng toàn phần cần sử dụng trong một năm là: $A_{tp}=\frac{6,{1.10}^{16}}{0,33}\approx 1,8\cdot {10}^{17}J$
Số hạt ${}_{92}^{235}U$cần dùng: $N=\frac{1,8\cdot {10}^{17}}{200\cdot 1,6\cdot {10}^{-13}}\approx 5,{6.10}^{27}$ hạt.

Khối lượng ${}_{92}^{235}U$cần dùng: $m=\frac{5,6\cdot {10}^{27}}{6,022\cdot {10}^{23}}\cdot 235\approx 2,2\cdot {10}^{6}g=2,2$ tấn

b) Khối lượng than đá cần phải sử dụng để tạo ra lượng năng lượng tương đương ở câu a: $m^{\prime }=\frac{1,8\cdot {10}^{17}}{20\cdot {10}^6}={9.10}^{9}kg={9.10}^6$ tấn

Tự luận 16.6

Năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao trong vũ trụ đều có nguồn gốc từ các phản ứng nhiệt hạch, bắt đầu từ việc đốt cháy hydrogen để tạo thành helium (được gọi là chu trình proton – proton). Xét một ngôi sao đã đốt cháy hoàn toàn hydrogen thành helium và coi rằng các hạt nhân helium tạo thành đều tham gia vào quá trình ba – alpha theo phương trình: ${}_2^{4}He{+}_2^{4}He{+}_2^{4}He{\to }_6^{12}C+7,275MeV.$ Nếu khối lượng của ngôi sao vào thời điểm đó là 4.10³⁰ kg (khi tất cả hạt nhân trong ngôi sao đều là helium) và công suất toả nhiệt của ngôi sao là 3,8.10³⁰ W thì sau bao lâu toàn bộ hạt nhân ${}_2^{4}He$chuyển hoá hoàn toàn thành ${}_6^{12}C$? Cho biết số Avogadro là N_A ≈ 6,022.10²³ mol^-1.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về phản ứng phân hạch

Lời giải chi tiết:

Số lượng hạt nhân ${}_2^{4}He$trong ngôi sao là:

$N=\frac{4\cdot {10}^{30}\cdot {10}^3}{4}\cdot 6,022\cdot {10}^{23}=6,022\cdot {10}^{56}$ hạt

Vì một phản ứng nhiệt hạch cần sử dụng 3 hạt nhân ${}_2^{4}He$nên tổng năng lượng toả ra của ngôi sao trong quá trình ba - alpha là: $Q=\frac{6,022\cdot {10}^{56}}{3}\cdot 7,275\cdot {10}^6\cdot 1,6\cdot {10}^{-19}\approx 2,34\cdot {10}^{44}J$

Thời gian để toàn bộ hạt nhân ${}_2^{4}He$chuyển hoá hoàn toàn thành ${}_6^{12}C$là:$t=\frac{Q}{P}=\frac{2,{34.10}^{44}}{3,{8.10}^{30}}\approx 6,{16.10}^{13}s\approx 1,95$ triệu năm.