Phản ứng hạt nhân (chính xác và đầy đủ)

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

 1. Định nghĩa 

Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình biến đổi hạt nhân dẫn đến sự biến đổi chúng thành các hạt khác.

X₁ + X₂ → X₃ + X₄

trong đó X₁, X₂ là các hạt tương tác, còn X₃, X₄ là các hạt sản phẩm.

Nhận xét: Sự phóng xạ: A→ B + C cũng là một dạng của phản ứng hạt nhân, trong đó A là hạt nhân mẹ, B là hạt nhân con và C là hạt α hoặc β.

Một số dạng phản ứng hạt nhân:

    a. Phản ứng hạt nhân tự phát

- Là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác.

    b. Phản ứng hạt nhân kích thích

- Quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác.

    c. Đặc điểm của phản ứng hạt nhân:

* Biến đổi các hạt nhân.

* Biến đổi các nguyên tố.

* Không bảo toàn khối lượng nghỉ.

2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng hạt nhân: \(_{Z_{1}}^{A_{1}}\textrm{X1}+_{Z_{2}}^{A_{2}}\textrm{X2}\rightarrow _{Z_{3}}^{A_{3}}\textrm{X3}+_{Z_{4}}^{A_{4}}\textrm{X4}\)

a) Định luật bảo toàn điện tích.

Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm. Tức là:

Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

b) Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số A).

Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclôn của các hạt tương tác bằng tổng số nuclôn của các hạt sản phẩm. Tức là: A₁ + A₂ = A₃ + A₄

c) Bảo toàn động lượng.

    Trong phản ứng hạt nhân thì động lượng của các hạt trước và sau phản ứng được bằng nhau

Tức là \(\overline{p_{1}}+\overline{p_{2}}=\overline{p_{3}}+\overline{p_{4}}\Leftrightarrow m_{1}\overline{v_{1}}+m_{2}\overline{v_{2}}=m_{3}\overline{v_{3}}+m_{4}\overline{v_{4}}\)

d) Bảo toàn năng lượng toàn phần.

    Trong phản ứng hạt nhân thì năng lượng toàn phần trước và sau phản ứng là bằng nhau. Năng lượng toàn phần gồm động năng và năng lượng nghỉ nên ta có biểu thức của định luật bảo toàn năng lượng toàn phần:

 \(m_{X_{1}}c^{2}+K_{X_{1}}+m_{X_{2}}c^{2}+K_{X_{2}}=m_{X_{3}}c^{2}+K_{X_{3}}+m_{X_{4}}c^{2}+K_{X_{4}}\)

Chú ý: Từ công thức tính động lượng và động năng ta có hệ thức liên hệ giữa động lượng và động năng

Ví dụ 1: Xác định X trong các phản ứng hạt nhân sau

Ví dụ 2: Cho phản ứng \(_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{82}^{206}\textrm{Pb}+x\alpha +y\beta ^{-}\)

Xác định x và y

Đ/s: x = 8 và y= 6.

Ví dụ 3: Sau bao nhiêu phóng xạ α và β thì \(_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{82}^{206}\textrm{Pb}\)

Đ/s: 6 phóng xạ anpha và 4 phóng xạ beta.

Ví dụ 4: Tìm hạt nhân X trong phản ứng hạt nhân sau : \(_{5}^{10}\textrm{Bo}+_{Z}^{A}\textrm{X}\rightarrow \alpha +_{4}^{8}\textrm{Be}\)

    A. \(_{1}^{3}\textrm{T}\)                         B. \(_{1}^{2}\textrm{D}\)                         C. \(_{0}^{1}\textrm{n}\)                         D. \(_{1}^{1}\textrm{p}\)

Giải: Xác định hạt α có Z= ? và A= ? . α ≡ \(_{2}^{4}\textrm{He}\)

áp dụng định luật bảo toàn số khối và điện tích.

Khi đó suy ra : X có điện tích Z = 2+ 4 – 5 =1 và số khối A = 4 + 8 – 10 = 2.

Vậy X là hạt nhân đồng vị phóng xạ của H. → Chọn đáp án B.

Ví dụ 5: Trong phản ứng sau đây : n + \(_{92}^{235}\textrm{U}\) → \(_{42}^{95}\textrm{Mo}\) + \(_{57}^{139}\textrm{La}\)+ 2X + 7β^– ; hạt X là

    A. Electron                B. Proton                   C. Hêli                       D. Nơtron

Giải : Ta phải xác định được điện tích và số khối của các tia & hạt còn lại trong phản ứng: \(_{0}^{1}\textrm{n};\) \(_{-1}^{0}\textrm{p}\)

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số khối ta được: 2 hạt X có

2Z = 0+92 – 42 – 57 – 7.(-1) = 0

2A = 1 + 235 – 95 – 139 – 7.0 = 2 .

Vậy suy ra X có Z = 0 và A = 1. Đó là hạt nơtron \(_{0}^{1}\textrm{n}\).→ Chọn đáp án : D

Ví dụ 6: Sau bao nhiêu lần phóng xạ α và bao nhiêu lần phóng xạ β^– thì hạt nhân \(_{90}^{232}\textrm{Th}\) biến đổi thành hạt nhân \(_{82}^{208}\textrm{Pb}\) ?

    A. 4 lần phóng xạ α; 6 lần phóng xạ β^–       B. 6 lần phóng xạ α; 8 lần phóng xạ β^–

    C. 8 lần phóng xạ; 6 lần phóng xạ β^–           D. 6 lần phóng xạ α; 4 lần phóng xạ β^–

Giải .

 - Theo đề ta có quá trình phản ứng : \(_{90}^{232}\textrm{Th}\rightarrow _{82}^{208}\textrm{Pb}+x ._{2}^{4}\textrm{He}+y.\)\(\beta ^{-}\). 

 - Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số khối, ta được :

Vậy có 6 hạt α và 4 hạt β ^– → Chọn đáp án: D.

3. Năng lượng phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng hạt nhân: X₁ + X₂→ X₃ + X₄

Tổng khối lượng của các hạt nhân tham gia phản ứng: \(m_{0}=m_{X_{1}}+m_{X_{2}}\)

Tổng khối của các hạt nhân sau phản ứng: \(m_{0}=m_{X_{3}}+m_{X_{4}}\)

Do có sự hụt khối trong từng hạt nhân nên trong phản ứng hạt nhân không có sự bảo toàn khối lượng \(\Rightarrow m_{0}\neq m\)

a) Khi m₀ > m

    Do năng lượng toàn phần của phản ứng được bảo toàn nên trong trường hợp này phản ứng tỏa một lượng năng lượng, có giá trị ΔE = (m₀ – m)c²

    Năng lượng tỏa ra này dưới dạng động năng của các hạt nhân con.

Chú ý: Trong trường hợp này do các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạt nhân ban đầu nên các hạt sinh ra bền vững hơn các hạt ban đầu.

b) Khi m₀ < m

    Khi đó phản ứng không tự xảy ra, để nó có thể xảy ra được thì ta phải cung cấp cho nó một lượng năng lượng. Trong trường hợp này phản ứng được gọi là phản ứng thu năng lượng.

    Năng lượng thu vào của phản ứng có độ lớn: ΔE = |m₀ – m|c²

Ví dụ 1: Cho phản ứng hạt nhân \(_{17}^{37}\textrm{Cl}+X\rightarrow n+_{18}^{37}\textrm{Ar}\)

a) Xác định hạt X.

b) Phản ứng thu hay tỏa năng lượng. Tính năng lượng đó.

Cho biết khối lượng các hạt m_Cl = 36,9566u; m_Ar = 36,9569u; m_n = 1,0087u; m_X = 1,0073u; 1u = 931 MeV/c².

Đ/s : Phản ứng thu năng lượng 1,58 MeV.

Ví dụ 2: (Trích đề thi Tuyển sinh Cao đẳng 2007) Cho phản ứng hạt nhân \(_{1}^{1}\textrm{H}+_{1}^{3}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{3}\textrm{H}+n\)

Cho biết khối lượng các hạt m_H2 = 2,0135u; m_H3 = 3,0149u; m_n = 1,0087u; 1u = 931,5 MeV/c₂.

Tính năng lượng tỏa ra của phản ứng theo đơn vị Jun.

Ví dụ 3: (Trích đề thi Tuyển sinh Cao đẳng 2009)Cho phản ứng hạt nhân \(_{11}^{23}\textrm{Na}+_{1}^{1}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{10}^{20}\textrm{Ne}\).

Lấy khối lượng các hạt nhân \(_{11}^{23}\textrm{Na}\); \(_{10}^{20}\textrm{Ne}\); \(_{2}^{4}\textrm{He}\); \(_{1}^{1}\textrm{H}\) lần lượt là 22,9837 u; 19,9869 u; 4,0015 u; 1,0073 u và

1u = 931,5 MeV/c². Tính năng lượng tỏa ra của phản ứng?

Đ/s : 2,4219 MeV.

Ví dụ 4: Cho phản ứng hạt nhân \(_{1}^{3}\textrm{T}+_{1}^{2}\textrm{D}\rightarrow \alpha +X+17,6MeV\). Tính năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 2 g khí Heli.

Ví dụ 5: (Trích đề thi Tuyển sinh Đại học 2002) Cho phản ứng hạt nhân \(_{92}^{234}\textrm{U}\rightarrow \alpha +Th\). Cho năng lượng liên kết riêng của các hạt lần lượt là 7,1 MeV; 7,63 MeV; 7,7 MeV. Tính năng lượng tỏa ra của phản ứng.

Đ/s: 13,98 MeV.

Ví dụ 6: (Trích đề thi Tuyển sinh Đại học 2009) Cho phản ứng hạt nhân: \(_{1}^{3}\textrm{T}+_{1}^{2}\textrm{D}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+X\). Lấy độ hụt khối của hạt nhân T, hạt nhân D, hạt nhân He lần lượt là 0,009106 u; 0,002491 u; 0,030382 u và 1u = 931,5 MeV/c². Tính năng lượng tỏa ra của phản ứng?

Đ/s : 17,498 MeV.

Ví dụ 7: Cho phản ứng hạt nhân sau: \(_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}+3,25MeV\). Biết độ hụt khối của \(_{1}^{2}\textrm{H}\) là Δm_D= 0,0024 u và 1u = 931 MeV/ c^{2\(_{2}^{4}\textrm{He}\)}. Năng lượng liên kết hạt nhân  là

    A. 7,7188 MeV            B. 77,188 MeV             C. 771,88 MeV            D. 7,7188 eV

Tóm tắt: Δm_D= 0,0024 u; 1u = 931MeV/c²; W_lkα; 2Δm_Dc²                 

Giải:

\(_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}+3,25MeV\)

Năng lượng tỏa ra của phản ứng: 

ΔE = ( ∑ Δm_sau – ∑ Δm_trước)c² = W_lksau → Wlk_α = ΔE +2Δm_Dc² = 7,7188MeV            

Chọn đáp án A

Ví dụ 8: cho phản ứng hạt nhân: \(_{1}^{3}\textrm{T}+_{1}^{2}\textrm{D}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+X+17,6MeV\). Tính năng lượng toả ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 2g Hêli.

    A. 52,976.10²³ MeV     B. 5,2976.10²³ MeV     C. 2,012.10²³ MeV       D.2,012.10²⁴ MeV

Giải:

- Số nguyên tử hêli có trong 2g hêli: \(N=\frac{m.N_{A}}{A}=\frac{2.6,023.10^{23}}{4}=3,01.10^{23}\)

- Năng lượng toả ra gấp N lần năng lượng của một phản ứng nhiệt hạch:

E = N.Q = 3,01.10²³.17,6 = 52,976.10²³ MeV → Chọn đáp án A.

Ví dụ 9: Cho phản ứng hạt nhân \(_{4}^{9}\textrm{Be}+_{1}^{1}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{3}^{6}\textrm{Li}\). Hãy cho biết đó là phản ứng tỏa năng lượng hay thu năng lượng. Xác định năng lượng tỏa ra hoặc thu vào. Biết m_Be = 9,01219 u; m_P = 1,00783 u; m_Li = 6,01513 u; m_X = 4,0026 u; 1u = 931 MeV/c².

Giải.

Ta có: m₀ = m_Be + m_P = 10,02002u; m = m_X + M_Li = 10,01773u. Vì m₀ > m nên phản ứng tỏa năng lượng; năng lượng tỏa ra: W = (m₀ – m).c² = (10,02002 – 10,01773).931 = 2,132MeV.

Ví dụ 10: Chất phóng xạ \(_{84}^{210}\textrm{Po}\) phát ra tia α và biến thành \(_{82}^{206}\textrm{Pb}\). Biết khối lượng của các hạt là m_Pb= 205,9744 u, m_Po= 209,9828 u, m_α = 4,0026 u. Tính năng lượng tỏa ra khi một hạt nhân Po phân rã.

Đáp án: 5,4 MeV

3. Bài tập tự luyện

Câu 1. Hạt nhân \(_{6}^{14}\textrm{C}\) phóng xạ β^–. Hạt nhân con sinh ra có

    A. 5p và 6n.               B. 6p và 7n.              C. 7p và 7n.              D. 7p và 6n.

Câu 2. Khi một hạt nhân nguyên tử phóng xạ lần lượt một tia α và một tia β^– thì hạt nhân nguyên tử sẽ biến đổi như thế nào ?

    A. Số khối giảm 2, số prôtôn tăng 1.          B. Số khối giảm 2, số prôtôn giảm 1.

    C. Số khối giảm 4, số prôtôn tăng 1.          D. Số khối giảm 4, số prôtôn giảm 1.

Câu 3. Hạt nhân poloni \(_{84}^{210}\textrm{Po}\) phân rã cho hạt nhân con là chì \(_{82}^{206}\textrm{Pb}\). Đã có sự phóng xạ tia

    A. α                           B. β^–                          C. β⁺                          D. γ

Câu 4. Hạt nhân \(_{88}^{226}\textrm{Ra}\) biến đổi thành hạt nhân \(_{86}^{222}\textrm{Rn}\) do phóng xạ

    A. β⁺.                        B. α và β^–.                 C. α.                           D. β^–.

Câu 5. Hạt nhân \(_{88}^{226}\textrm{Ra}\) phóng xạ α cho hạt nhân con

    A. \(_{2}^{4}\textrm{He}\)                      B. \(_{87}^{226}\textrm{Fr}\)                    C. \(_{86}^{222}\textrm{Rn}\)                    D. \(_{89}^{226}\textrm{Ac}\)

Câu 6. Xác định hạt nhân X trong các phản ứng hạt nhân sau đây \(_{9}^{16}\textrm{F}+p\rightarrow _{8}^{16}\textrm{O}+X\)

    A. 7 Li                       B. α                           C. prôtôn                    D.  Be

Câu 7. Xác định hạt nhân X trong phản ứng hạt nhân sau \(_{13}^{27}\textrm{F}+\alpha \rightarrow _{15}^{30}\textrm{P}+X\)

    A. \(_{1}^{2}\textrm{D}\)                        B. nơtron                   C. prôtôn                    D. \(_{1}^{3}\textrm{T}\)

Câu 8. Hạt nhân \(_{6}^{11}\textrm{Cd}\) phóng xạ β⁺, hạt nhân con là 

    A. \(_{7}^{14}\textrm{N}\)                      B. \(_{5}^{11}\textrm{B}\)                       C. \(_{84}^{218}\textrm{X}\)                       D. \(_{82}^{224}\textrm{X}\)

Câu 9. Từ hạt nhân \(_{88}^{226}\textrm{Ra}\) phóng ra 3 hạt α và một hạt β^– trong một chuỗi phóng xạ liên tiếp, khi đó hạt nhân tạo thành là

    A. \(_{84}^{224}\textrm{X}\)                    B. \(_{83}^{214}\textrm{X}\)                       C. \(_{84}^{218}\textrm{X}\)                       D. \(_{82}^{224}\textrm{X}\)

Câu 10. Cho phản ứng hạt nhân \(_{12}^{25}\textrm{Mg}+X \rightarrow _{11}^{22}\textrm{Na}+\alpha\), hạt nhân X là hạt nhân nào sau đây?

    A. α                           B. \(_{1}^{2}\textrm{D}\)                          C. \(_{1}^{3}\textrm{T}\)                          D. proton.

Câu 11. Cho phản ứng hạt nhân \(_{17}^{37}\textrm{Cl}+X \rightarrow _{18}^{37}\textrm{Ar}+n\), hạt nhân X là hạt nhân nào sau đây?

    A. \(_{1}^{1}\textrm{H}\)                        B. \(_{1}^{2}\textrm{D}\)                           C. \(_{1}^{3}\textrm{T}\)                          D. \(_{2}^{4}\textrm{He}\).

Câu 12. Chất phóng xạ \(_{84}^{209}\textrm{Po}\) là chất phóng xạ α. Chất tạo thành sau phóng xạ là P    b. Phương trình phóng xạ của quá trình trên là

    A. \(_{84}^{209}\textrm{Po}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{80}^{207}\textrm{Pb}\)                          B. \(_{84}^{209}\textrm{Po}+_{2}^{4}\textrm{He}\rightarrow _{86}^{213}\textrm{Pb}\)    

    C. \(_{84}^{209}\textrm{Po}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{80}^{205}\textrm{Pb}\)                          D. \(_{84}^{209}\textrm{Po}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{205}^{82}\textrm{Pb}\)

Câu 13. Trong quá trình phân rã hạt nhân \(_{92}^{238}\textrm{U}\) thành hạt nhân \(_{92}^{234}\textrm{U}\), đã phóng ra một hạt α và hai hạt

    A. prôtôn                  B. pôzitrôn.                   C. electron.                D. nơtrôn.

Câu 14. \(_{92}^{238}\textrm{U}\) sau một số lần phân rã α và β^– biến thành hạt nhân chì \(_{82}^{206}\textrm{U}\) bền vững. Hỏi quá trình này đã phải trải qua bao nhiêu lần phân rã α và β^– ?

    A. 8 lần phân rã α và 12 lần phân rã β^–         B. 6 lần phân rã α và 8 lần phân rã β^–

    C. 6 lần phân rã α và 8 lần phân rã β^–           D. 8 lần phân rã α và 6 lần phân rã β^–

Câu 15. Đồng vị \(_{92}^{234}\textrm{U}\) sau một chuỗi phóng xạ α và β^– biến đổi thành \(_{92}^{206}\textrm{Pb}\). Số phóng xạ α và β^– trong chuỗi là

    A. 7 phóng xạ α, 4 phóng xạ β^–                     B. 5 phóng xạ α, 5 phóng xạ β^–

    C. 10 phóng xạ α, 8 phóng xạ β^–                   D. 16 phóng xạ α, 12 phóng xạ β^–

Câu 16. Trong dãy phân rã phóng xạ có bao nhiêu hạt α và β được phát ra?

    A. 3α và 7β.              B. 4α và 7β.               C. 4α và 8β.              D. 7α và 4β.

Câu 17. Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về phản ứng hạt nhân?

    A. Phản ứng hạt nhân là sự va chạm giữa các hạt nhân.

    B. Phản ứng hạt nhân là sự tác động từ bên ngoài vào hạt nhân làm hạt nhân đó bị vỡ ra.

    C. Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi của chúng thành các hạt nhân khác.

    D. A, B và C đều đúng.

Câu 18. Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về phản ứng hạt nhân?

    A. Phản ứng hạt nhân là tất cả các quá trình biến đổi của các hạt nhân.

    B. Phản ứng hạt nhân tự phát là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền thành một hạt nhân khác       

    C. Phản ứng hạt nhân kích thích là quá trình các hạt nhân tương tác với nhau và tạo ra các hạt nhân khác.         

    D. Phản ứng hạt nhân có điểm giống phản ứng hóa học là bảo toàn nguyên tố và bảo toàn khối lượng nghỉ.

Câu 19. Hãy chi ra câu sai. Trong một phản ứng hạt nhân có định luật bảo toàn

    A. năng lượng toàn phần.                            B. điện tích.              

   C. động năng.                                               D. số nuclôn.

Câu 20. Hãy chi ra câu sai. Trong một phản ứng hạt nhân có định luật bảo toàn

    A. năng lượng toàn phần.                            B. điện tích.              

   C. động lượng.                                             D. khối lượng.

Câu 21. Kết quả nào sau đây là sai khi nói về khi nói về định luật bảo toàn số khối và định luật bảo toàn điện tích?                                  

    A. A₁ + A₂ = A₃ + A₄.                                  B. Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄.     

    C. A₁ + A₂ + A₃ + A₄ = 0.                            D. A hoặc B hoặc C đúng.

Câu 22. Kết quả nào sau đây là sai khi nói về định luật bảo toàn động lượng?

    A. P_A + P_B = P_C + P_D.                                                                   

    B. m_Ac² + K_A + m_Bc² + K_B = m_Cc²+ K_C+m_Dc²+ K_D.

    C. P_A + P_B = P_C + P_D = 0.                           

    D. m_Ac² + m_Bc² = m_Cc² + m_Dc²

Câu 23. Khi nói về phản ứng hạt nhân, phát biểu nào sau đây là đúng?

    A. Tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng hạt nhân luôn được bảo toàn.

    B. Tất cả các phản ứng hạt nhân đều thu năng lượng.

    C. Tổng khối lượng nghỉ (tĩnh) của các hạt trước và sau phản ứng hạt nhân luôn được bảo toàn.

    D. Năng lượng toàn phần trong phản ứng hạt nhân luôn được bảo toàn.

Câu 24. Đơn vị đo khối lượng nào không sử dụng trong việc khảo sát các phản ứng hạt nhân ?

    A. Tấn.                                                          B. 10^-27 kg.               

    C. MeV/c².                                                   D. u (đơn vị khối lượng nguyên tử).

Câu 25. Động lượng của hạt có thể do bằng đơn vị nào sau đây?

    A. Jun                        B. MeV/c²                  C. MeV/c                   D. J.s

ĐÁP ÁN TRẮC NGHIỆM