Bài 36. Năng lượng liên kết của hạt nhân. Phản ứng hạt nhân

Lý thuyết

Trang 184 - sgk vật lí 12

Hãy giải thích rõ hơn bảng 36.1

Hướng dẫn giải

So sánh phản ứng hạt nhân và phản ứng hóa học.

• Phản ứng hóa học:

$K+HCl\rightarrow KCl+H_{2}$

Có sự biến đổi các phân tử như: HCl đổi thành KCl.

Có sự bảo toàn các nguyên tử: Số các nguyên tử trước và sau phản ứng bằng nhau.

Có sự bảo toàn các nguyên tử: Số các nguyên tử trước và sau phản ứng bằng nhau.

Có sự bảo toàn khối lượng nghỉ: Tổng khối lượng nghỉ trước và sau phản ứng bằng nhau.

• Phản ứng hạt nhân:

$_{2}^{4}\textrm{He}+_{7}^{14}\textrm{N}+1,1MeV\rightarrow _{1}^{1}\textrm{H}+_{8}^{17}\textrm{O}$

Có sự biến đổi các hạt nhân như: hạt nhân sinh ra khác với hạt nhân ban đầu.

Có sự biến đổi các nguyên tố.

Không bảo toàn khối lượng nghỉ: Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sinh ra lớn hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt ban đầu.

Bài tập 1: trang 186 - sgk vật lí 12

Hãy chọn câu đúng.

Năng lượng liên kết riêng

A. Giống nhau với mọi hạt nhân.

B. Lớn nhất với các hạt nhân nhẹ.

C. Lớn nhất với các hạt nhân trung bình.

D. Lớn nhất với các hạt nhân nặng.

Hướng dẫn giải

Chọn C

Các hạt nhân bền vững có$\frac{W_{lk}}{A}$ lớn nhất vào cỡ 8,8 Mev/nuclôn. Hạt nhân nằm ở khoảng giữa của bảng tuần hoàn ứng với: 50< A < 95.

Bài tập 2: trang 186 - sgk vật lí 12

Hãy chọn câu đúng

Bản chất lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là:

A. Lực tĩnh điện

B. Lực hấp dẫn

C. lực điện từ

D. Lực tương tác mạnh.

Hướng dẫn giải

chọn D

Bản chất tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là: lực tương tác mạnh.

Bài tập 3: trang 187 - sgk vật lí 12

Phạm vi tác dụng của lực tương tác mạnh trong hạt nhân là bao nhiêu?

A. 10^-13 cm.

B. 10^-8 cm.

C. 10^-10 cm.

D. Vô hạn.

Hướng dẫn giải

Chọn A. Phạm vi tác dụng của lực tương tác mạnh trong hạt nhân là 10^-13 cm

Bài tập 4: trang 187 - sgk vật lí 12

Hạt nhân nào có năng lượng liên kết riêng lớn nhất?

A. Heli

B. Cacbon

C. Sắt

D. Urani.

Hướng dẫn giải

Chọn C vì hạt nhân có năng lượng W lk riêng lớn nằm trong khoảng 50 < A < 95, A_Fe = 56.

Bài tập 5: trang 187 - sgk vật lí 12

Năng lượng liên kết của $_{10}^{20}\textrm{Ne}$ là 160,64 MeV.

Xác định khối lượng của nguyên tử $_{10}^{20}\textrm{Ne}$

Hướng dẫn giải

Năng lượng liên kết được tính bằng:

Wlk = [ Zm_p + ( A - Z )m_n - m_x ]c²

Muốn tính khối lượng hạt nhân chính là đi xác định m_x:

⇒ m_x = Zm_p + ( A - Z )m_n -$\frac{Wlk}{c^{2}}$

Trong đó: $_{10}^{20}\textrm{Ne}$ có Z = 10, A =10,

               m_p = 1,00728u, m_n = 1,00866u ( tra bảng sgk trang 178 )

               m_x = 10. 1,00728u + 10.1,00866u -$\frac{160,64 }{931,5}$≈ 19,98695u.

Xác định khối lượng của nguyên tử$_{10}^{20}\textrm{Ne}$: là tổng của khối lượng hạt nhân và khối lượng của 10 e ( do nguyên tử đã cho có số  = Số Z ):

m = m_x + 10m_e = 19,98695 + 10.5,486.10^-4 ≈ 19,9924u

Bài tập 6: trang 187 - sgk vật lí 12

Khối lượng nguyên tử của $_{26}^{56}\textrm{Fe}$ là 55,934939u. Tính Wlk và $\frac{W_{lk}}{A}$

Hướng dẫn giải

Năng lượng liên kết được tính bằng:

Wlk = [ Zm_p + ( A - Z )m_n - m_x ]c²

Trong đó: $_{26}^{56}\textrm{Fe}$ có Z = 26, A =56,

               m_x = 55,934939u, m_p = 1,00728u, m_n = 1,00866u ( tra bảng sgk trang 178 )

Thay số ta có:

Wlk = [ 26.1,00728u + ( 56 - 26 )1,00866u - 55,934939u] .c² = 0,514141uc²

= 0,514141u.931,5MeV = 478,922MeV.

Năng lượng liên kết riêng:

$\frac{W_{lk}}{A} =\frac{478,922}{56}\approx 8,55MeV/nuclon$

Bài tập 7: trang 187 - sgk vật lí 12

Hoàn chỉnh các phản ứng sau:

$_{3}^{6}\textrm{Li}+?\rightarrow _{4}^{7}\textrm{Be}+_{0}^{1}\textrm{n}$

$_{5}^{10}\textrm{B}+?\rightarrow _{3}^{7}\textrm{Li}+_{2}^{4}\textrm{He}$

$_{17}^{35}\textrm{Cl}+?\rightarrow _{16}^{32}\textrm{S}+_{2}^{4}\textrm{He}$

Hướng dẫn giải

Các định luật bảo toàn trong phản ứng:

$_{Z_{1}}^{A_{1}}\textrm{A}+_{Z_{2}}^{A_{2}}\textrm{B}\rightarrow _{Z_{3}}^{A_{3}}\textrm{X}+_{Z_{4}}^{A_{4}}\textrm{Y}$

Gọi ? cần tìm là: $_{Z}^{A}\textrm{X}$

Định luật bảo toàn điện tích:

Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄.

Định luật bảo toàn số nuclôn:

A₁ + A₂ = A₃ + A₄.

• $_{3}^{6}\textrm{Li}+?\rightarrow _{4}^{7}\textrm{Be}+_{0}^{1}\textrm{n}$

Theo bảo toàn số nuclon  ta có:

6+ A= 7 + 1 => A=2

Theo bảo toàn điện tích ta có: 3+ Z = 4+0 => Z=1

 $_{Z}^{A}\textrm{X}$ là:$_{1}^{2}\textrm{X}$hay$_{1}^{2}\textrm{H}$

• $_{5}^{10}\textrm{B}+?\rightarrow _{3}^{7}\textrm{Li}+_{2}^{4}\textrm{He}$

Theo bảo toàn số nuclon ta có:

10+ A = 7+4 => A=1

Theo bảo toàn diện tích ta có:

5+Z = 3+2 => Z = 0

$_{Z}^{A}\textrm{X}$ là:$_{0}^{1}\textrm{X}$hay$_{0}^{1}\textrm{n}$

• $_{17}^{35}\textrm{Cl}+?\rightarrow _{16}^{32}\textrm{S}+_{2}^{4}\textrm{He}$

Theo bảo toàn số nuclon ta có: 35 + A = 32 + 4 => A = 1

Theo bảo toàn điện tích ta có:

17+ Z = 16 + 2 => Z = 1

 $_{Z}^{A}\textrm{X}$ là:$_{1}^{1}\textrm{X}$hay$_{1}^{1}\textrm{H}$

Bài tập 8: trang 187 - sgk vật lí 12

Phản ứng:

$_{3}^{6}\textrm{Li}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow 2\left ( _{2}^{4}\textrm{He} \right )$

tỏa năng lượng 22,4 MeV. Tính khối lượng nguyên tử của $_{3}^{6}\textrm{Li}$. Khối lượng của $_{1}^{2}\textrm{H}$ và $_{2}^{4}\textrm{He}$ lần lượt là 2,01400u và 4,00150u.

Hướng dẫn giải

Ta có : Do phản ứng tỏa năng lượng: W > 0 ⇒ W = ( m_trước - m_sau )c²

[m_Li  + m_H - 2m_He]c² = 22,4 MeV =$\frac{22,4}{931,5}$= 0,0024uc².

Vậy m_Li  + m_H - 2m_He = 0,024u

Suy ra m_Li = 2m_He - m_H + 0,024u 

Mà m_He= 4,00150u; m_H= 2,01400u.

m_Li = 2.4,0015u - 2,014u + 0,024u = 6,013u

Vậy khối lượng nguyên tử$_{3}^{6}\textrm{Li}$là:  = 6,013u + 3. 0,00055u = 6,01465u

Bài tập 9: trang 187 - sgk vật lí 12

Chọn câu sai.

Trong một phản ứng hạt nhân, có bảo toàn

A. năng lượng

B. động lượng

C. động năng

D. điện tích.

Hướng dẫn giải

Chọn C.

Các định luật trong phản ứng hạt nhân có:

- Bảo toàn điện tích

- Bảo toàn số nuclôn

- Bảo toàn năng lượng toàn phần

- Bảo toàn động lượng.

Vậy không có bảo toàn động năng.

Bài tập 10: trang 187 - sgk vật lí 12

Phản ứng nào sau đây thu năng lượng?

A.$_{1}^{1}\textrm{H}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{3}\textrm{He}$

B.$_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}$

C.$_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{3}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}$

D.$_{2}^{4}\textrm{He}+_{7}^{14}\textrm{N}\rightarrow _{8}^{17}\textrm{O}+_{1}^{1}\textrm{H}$

Hướng dẫn giải

Chọn D. Ta có:

(m_He  + m_N) – (m_O + m_H) = (4,002603 + 14,003074)u - (16,999133 + 1,007825)u = -0,001281u < 0

Phản ứng thu năng lượng.