Bài 2. Phản ứng hạt nhân

Mở đầu

Sự phát triển của hóa học thời cổ và trung đại có sự đóng góp quan trọng của các nhà giả kim thuật, những người có ước mơ biến thủy ngân (Hg, Z = 80) thành vàng (Au, Z = 79). Tất nhiên, họ không thể thành công. Tuy nhiên, ngày nay điều này đã trở thành sự thật nhờ sự biến đổi hạt nhân nguyên tử. Sự biến đổi hạt nhân nào sau đây mô tả quá trình này?

A. Loại đi một proton từ hạt nhân Hg

B. Thêm một proton vào hạt nhân Hg

Lời giải chi tiết:

Một nguyên tử nguyên tố thủy ngân (Hg, Z = 80) có 80 proton trong hạt nhân.

Một nguyên tử nguyên tố vàng (Au, Z = 79) có 79 proton trong hạt nhân.

Sự biến đổi hạt nhân bằng cách loại đi một proton từ hạt nhân Hg đã biến được thủy ngân thành vàng.

Câu hỏi 1

Qua thí nghiệm nghiên cứu thành phần tia bức xạ từ phóng xạ tự nhiên (Hình 2.1), hãy cho biết các dòng hạt α, β, γ mang điện tích dương, âm hay không mang điện.

Lời giải chi tiết:

- Tia α (hạt nhân của${}_2^{4}He$) gồm các hạt điện tích dương

- Tia β (${}_{-1}^{0}e$) gồm các hạt điện tích âm

- Tia γ là dòng các hạt không mang điện tích

Luyện tập

Vì sao hạt α có giá trị điện tích lớn gấp đôi hạt β nhưng lại bị lệch ít hơn trong cùng một trường điện?

Lời giải chi tiết:

Tia α bản chất là các hạt nhân của nguyên tử ${}_2^{4}He$ có khối lượng lớn hơn nhiều so với tia β có bản chất là các electron. Nên dù điện tích có lớn hơn thì gia tốc của hạt là 

a=F.m=|q|.E.m của tia β cũng lớn hơn so với tia α nên trong điện trường nó bị lệch nhiều hơn.

Câu hỏi 2

Vì sao tia γ không bị lệch trong trường điện?

Lời giải chi tiết:

Tia γ không bị lệch trong trường điện vì tia γ không mang điện tích.

Câu hỏi 3

Nhận xét về tổng số khối và tổng điện tích trước và sau phản ứng.

Phương pháp giải:

Tổng số khối và tổng điện tích trước và sau phản ứng không thay đổi.

Câu hỏi 4

Nêu sự giống và khác nhau giữa phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo.

Lời giải chi tiết:

- Giống nhau: Đều là quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử đồng thời phát ra các tia bức xạ

- Khác nhau:

+ Phóng xạ tự nhiên: Là quá trình tự phát, không phụ thuộc vào tác động bên ngoài.

Sơ đồ tổng quát:

Hạt nhân mẹ → Hạt nhân con + Tia bức xạ

+ Phóng xạ nhân tạo: Là quá trình không tự phát, gây ra bởi tác động bên ngoài lên hạt nhân.

Sơ đồ tổng quát:

Tia bức xạ 1 + Hạt nhân 1 → (Hạt nhân trung gian) → Hạt nhân 2 + Tia bức xạ 2

Câu hỏi 5

Cho phản ứng hóa học C + O₂ → CO₂

Phản ứng hóa học trên khác các phản ứng phóng xạ tự nhiên và nhân tạo ở điểm nào?

Lời giải chi tiết:

- Phản ứng hóa học trên chỉ có sự biến đổi electron lớp vỏ của các nguyên tử nguyên tố.

Cụ thể: $\stackrel{0}{C}+\underset{2}{\overset{0}{O}}\to \stackrel{+4}{C}\underset{2}{\overset{-2}{O}}$

Nguyên tử C nhường 4 electron, mỗi nguyên tử O nhận 2 electron.

- Các phản ứng phóng xạ tự nhiên và nhân tạo là sự biến đổi các proton trong hạt nhân nguyên tử

Câu hỏi 6

Cho phản ứng hạt nhân sau:

                                          ${}_8^{16}O\to {}_7^{16}N+{}_Z^{A}X$

Xác định số khối, điện tích và tên gọi của hạt nhân ${}_Z^{A}X$

Phương pháp giải:

Theo định luật bảo toàn số khối: 16 = 16 + A

⇒ A = 0

Theo định luật bảo toàn điện tích: 8 = 7 + Z

⇒ Z = 1

Vậy hạt nhân cần tìm có tên gọi là  positron số khối A = 0, điện tích hạt nhân Z = 1

Vận dụng

${}_{27}^{60}Co$ được dùng trong phương pháp xạ trị dựa theo phản ứng sau đây:

                             ${}_{27}^{60}Co\to {}_{28}^{60}Ni+\beta +\gamma$

Do nguồn bức xạ đặt ngoài cơ thể bệnh nhân nên tia xạ trị cần phải có khả năng đâm xuyên (khả năng đi xuyên qua lớp vật chất) lớn. Dựa vào bản chất của tia γ và β, em hãy dự đoán tác dụng xạ trị chính của ${}_{27}^{60}Co$ khi đặt ngoài cơ thể bệnh nhân gây ra bởi tia γ hay β?

Phương pháp giải:

Tia γ có khả năng đâm xuyên lớn hơn tia β

⇒ Tác dụng xạ trị chính của  khi đặt ngoài cơ thể bệnh nhân gây ra bởi tia γ

Bài 1

Xác định số khối và điện tích của hạt nhân X trong các quá trình sau:

a) ${}_{11}^{23}Na\to {}_{?}^{?}X+{}_{+1}^{0}e$

b) ${}_{?}^{?}X\to {}_{17}^{35}Cl+{}_{-1}^{0}e$

c) ${}_{28}^{63}Ni\to {}_{?}^{?}X+{}_{-1}^{0}e$

d) ${}_{?}^{?}X\to {}_4^{9}Be+{}_{+1}^{0}e$

(${}_{+1}^{0}e$ là hạt positron, còn được kí hiệu là β^-)

Lời giải chi tiết:

a) ${}_{11}^{23}Na\to {}_{?}^{?}X+{}_{+1}^{0}e$

Theo định luật bảo toàn số khối: 22 = A + 0

⇒ A = 22

Theo định luật bảo toàn điện tích: 11 = Z + (+1)

⇒ Z = 10

Vậy hạt nhân X có số khối A = 22, điện tích hạt nhân Z = 10

b) ${}_{?}^{?}X\to {}_{17}^{35}Cl+{}_{-1}^{0}e$

Theo định luật bảo toàn số khối: A = 35 + 0

⇒ A = 35

Theo định luật bảo toàn điện tích: Z = 17 + (-1)

⇒ Z = 16

Vậy hạt nhân X có số khối A = 35, điện tích hạt nhân Z = 16

c) ${}_{28}^{63}Ni\to {}_{?}^{?}X+{}_{-1}^{0}e$

Theo định luật bảo toàn số khối: 63 = A + 0

⇒ A = 63

Theo định luật bảo toàn điện tích: 28 = Z + (-1)

⇒ Z = 29

Vậy hạt nhân X có số khối A = 63, điện tích hạt nhân Z = 29

d) ${}_{?}^{?}X\to {}_4^{9}Be+{}_{+1}^{0}e$

Theo định luật bảo toàn số khối: A = 9 + 0

⇒ A = 9

Theo định luật bảo toàn điện tích: Z = 4 + (+1)

⇒ Z = 5

Vậy hạt nhân X có số khối A = 9, điện tích hạt nhân Z = 5

Bài 2

Phân rã tự nhiên ${}_{90}^{232}Th$ tạo ra đồng vị bền ${}_{82}^{208}Pb$, đồng thời giải phóng một số hạt α và β. Xác định số hạt α và β cho quá trình phân rã một hạt nhân ${}_{90}^{232}Th$

Phương pháp giải:

Áp dụng định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích

Lời giải chi tiết:

${}_{90}^{232}Th$ → ${}_{82}^{208}Pb$ + x${}_2^{4}He$ + y${}_{-1}^{0}e$

Theo định luật bảo toàn số khối: 232 = 208 + 4x + 0y (1)

Theo định luật bảo toàn điện tích: 90 = 82 + 2x + (-1)y (2)

Giải hệ hai phương trình (1) và (2) ta tìm được: x = 6, y = 4.

Vậy quá trình phân rã một hạt nhân ${}_{90}^{232}Th$ giải phóng ra 6 hạt α và 4 hạt β.

Bài 3

Cần đốt cháy bao nhiêu kg than đá chứa 80% C để tạo ra lượng nhiệt bằng năng lượng giải phóng ra khi 1 gam ${}_{92}^{235}U$ phân hạch. Biết khi phân hạch 1 mol ${}_{92}^{235}U$ tỏa ra năng lượng là 1,8.10¹⁰ kJ, đốt cháy hoàn toàn 1 mol C tỏa ra năng lượng 393,5 kJ

Lời giải chi tiết:

1 mol ${}_{92}^{235}U$ tương ứng với 1.235 = 235 gam

Khi phân hạch 235 gam ${}_{92}^{235}U$ tỏa ra năng lượng là 1,8. 10¹⁰ kJ

Khi phân hạch 1 gam ${}_{92}^{235}U$ tỏa ra năng lượng là $\frac{1,{8.10}^{10}}{235}$kJ

Đốt cháy hoàn toàn 1 mol C tỏa ra năng lượng 393,5 kJ.

⇒ Đốt cháy hoàn toàn x mol C tỏa ra được năng lượng $\frac{1,{8.10}^{10}}{235}$kJ

⇒ x = $\frac{1,{8.10}^{10}}{235.393,5}$ mol

⇒ Khối lượng C cần dùng là $\frac{1,{8.10}^{10}}{235.393,5}$.12 (gam)

⇒ Khối lượng than đá cần dùng là: $\frac{1,{8.10}^{10}}{235.393,5}$.12 : 80% ≈ 2919786 gam ≈ 2920 kg

Bài 4

Một mảnh giấy lấy được từ một trong các “Cuộn sách Biển Chết” (gồm 981 bản ghi khác nhau được phát hiện tại 12 hang động ở phía đông hoang mạc Judaea), được xác định có 10,8 nguyên tử ${}_6^{14}C$ bị phân rã trong 1 phút ứng với 1 gam carbon trong mảnh giấy (Hình 2.3).

Hãy tính tuổi của mảnh giấy (t) dựa theo phương trình:

                                       $t=\frac{1}{k}\ln \frac{A_o}{A_t}$

Trong đó:

A_o được coi bằng số nguyên tử ${}_6^{14}C$bị phân rã trong 1 phút với 1 gam carbon trong sinh vật sống A_o = 13,6

A_t được coi bằng số nguyên tử ${}_6^{14}C$bị phân rã trong 1 phút với 1 gam carbon trong mẫu vật nghiên cứu.

Hằng số k = 1,21.10^-4 năm^-1

Lời giải chi tiết:

Tuổi của mảnh giấy: $t=\frac{1}{k}\ln \frac{A_o}{A_t}$ = $\frac{1}{1,{21.10}^{-4}}\ln \frac{13,6}{10,8}$ = 1905 năm