Phản ứng hạt nhân - Lý thuyết - Trắc nghiệm định tính

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

A. Lý Thuyết

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.

Chú ý: Phản ứng 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.

2. Phân loại

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

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

Xét phản ứng:

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

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:

Chú ý:

Phản ứng hạt nhân không có các định luật bảo toàn sau đây:

Định luật bảo toàn khối lượng.
Định luật bảo toàn số prôtôn (Mặc dù trong một số lớn các trường hợp thì số prôtôn trước và sau phản ứng bằng nhau nhưng có một vài trường hợp thì điều này không đúng - dù số Z vẫn được bảo toàn - nên ta không thể nói "số prôtôn bảo toàn". Điều này sẽ thấy rõ khi ta xét các phản ứng phóng xạ bêta sẽ học trong bài kế tiếp).
Định luật bảo toàn số nơtrôn (Lý do tương tự như trên)
Định luật bảo toàn động năng.

4. Năng lượng trong phán ứng hạt nhân

Khi xảy ra phản ứng hạt nhân, điều đặc biệt là tổng khối lượng nghỉ của các hạt nhân trước phản ứng luôn khác với tổng khối lượng nghỉ của các hạt nhân được tạo thành sau phản ứng (Không có định luật bảo toàn khối lượng nghỉ trong phản ứng hạt nhân) nên khi xảy ra phản ứng hạt nhân luôn có một sự chênh lệch khối lượng nghỉ.

Năng lượng tương ứng với độ chênh lệch khối lượng nghỉ này được gọi là năng lượng của phản ứng hạt nhân.

Xét phản ứng hạt nhân:

Gọi m₁, m₂, m₃, m₄ là khối lượng nghỉ của các hạt nhân X₁, X₂, X₃, X₄.

Năng lượng của phản ứng hạt nhân này là

Dễ thấy rằng:

Nếu W > 0 : Phản ứng tỏa năng lượng.
Nếu W < 0 : Phản ứng thu năng lượng (Năng lượng tối thiểu để xảy ra phản ứng là |W|)

5. Mối liên hệ giữa động năng K và động lượng p của cùng một hạt khi hạt này chuyển động với vận tốc v << c

Động năng của hạt là (1)
Động lượng của hạt là . Suy ra độ lớn của vectơ động lượng là p = mv (2)

Từ (1) và (2) ta biến đổi được:

(3)

Nhận xét:

Vì v << c nên m coi như bằng khối lượng nghỉ của hạt đang xét.
Động năng là một dạng năng lượng nên trong Vật Lý Hạt Nhân, đơn vị của động năng K là MeV.
Dựa vào công thức (3) ta chứng minh được răng: Trong Vật Lý hạt nhân, đơn vị của động lượng là MeV/c.

B. Ví Dụ Minh Họa

Ví dụ 1: Hạt proton có động năng Kp = 2 MeV, bắn vào hạt nhân đứng yên, sinh ra hai hạt nhân X có cùng động năng, theo phản ứng hạt nhân sau:

\[P+_{3}^{7}Li\to X+X\]. Viết phương trìng đầy đủ của phản ứng.

Hướng dẫn:

Ta có \[{}_{1}^{1}P+_{3}^{7}Li\to 2.{}_{z}^{A}X\]

Áp dụng định luật bảo toàn số nuclôn => 1+7 = 2.A =>A= 4 => \[{}_{2}^{4}He\]

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích => 1+ 3 = 2.Z => Z=2

phương trình \[{}_{1}^{1}P+_{3}^{7}Li\to {}_{2}^{4}He+{}_{2}^{4}He\]

Ví dụ 2: Bắn hạt a vào hạt nhân N đứng yên thì thu được một hạt prôton và một hạt nhân X. Viết phương trình phản ứng, nêu cấu tạo của hạt nhân X.

Hướng dẫn: hạt proton là hạt p

Phương trình phản ứng: He + N ® p + O. Hạt nhân con là đồng vị của ôxy cấu tạo bởi 17 nuclôn trong đó có 8 prôtôn và 8 nơtron.

Ví dụ 3: Cho phản ứng hạt nhân : T + X → α + n X là hạt nhân ?.

A.nơtron B. proton C. Triti D. Đơtơri

Hướng dẫn: - Ta phải biết cấu tạo của các hạt khác trong phản ứng : \[{}_{1}^{3}\]T , α ≡ \[{}_{2}^{4}\]He , \[{}_{0}^{1}\]n .

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

X có điện tích Z = 2 + 0 – 1 = 1 & số khối A = 4 + 1 – 3 = 2 . Vậy X là \[{}_{1}^{2}\]D

Ví dụ 4: Hạt nhân \[{}_{84}^{210}Po\] đang đứng yên thì phóng xạ a, ngay sau phóng xạ đó, động năng của hạt a

A. lớn hơn động năng của hạt nhân con.

B. chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng động năng của hạt nhân con.

C. bằng động năng của hạt nhân con.

D. nhỏ hơn động năng của hạt nhân con.

Hướng dẫn: \[{}_{84}^{210}Po\to {}_{2}^{4}He+{}_{82}^{206}Pb\]

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng:

\[\overrightarrow{{{P}_{\alpha }}}+\overrightarrow{{{P}_{Pb}}}=\overrightarrow{{{P}_{Po}}}=\overrightarrow{0}\Rightarrow {{P}_{\alpha }}={{P}_{Pb}}\Rightarrow {{m}_{\alpha }}{{W}_{d\alpha }}={{m}_{Pb}}{{W}_{dPb}}\Rightarrow {{W}_{d\alpha }}=51,5{{W}_{dPb}}\]

Þ đáp án A

Ví dụ 5: Sau bao nhiêu lần phóng xạ α và bao nhiêu lần phóng xạ β^– thì hạt nhân \[{}_{90}^{232}\]Th biến đổi thành hạt nhân \[{}_{82}^{208}\]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^–

Hướng dẫn: Áp dụng định luật bảo toàn số nuclon và định luật bảo toàn điện tích:

Với x là số phóng xạ α

y là số phóng xạ β^–

Vì hạt β^–có khối lượng nghỉ bằng 0 và có điện tích là -1 nên ta có hệ:

Chọn D

C. Bài Tập Tự Luyện

Câu 1: Trong quá trình biến đổi hạt nhân, hạt nhân \[{}_{92}^{238}U\] chuyển thành hạt nhân \[{}_{92}^{234}U\] đã phóng ra

A. một hạt \[\alpha \] và hai hạt prôtôn. B. một hạt \[\alpha \] và 2 hạt êlectrôn.

C. một hạt \[\alpha \] và 2 nơtrôn. D. một hạt \[\alpha \] và 2 pôzitrôn.

Câu 2: Sự phóng xạ là phản ứng hạt nhân loại nào ?

A. Toả năng lượng. B. Không toả, không thu.

C. Có thể toả hoặc thu. D. Thu năng lượng.

Câu 3: Trong phản ứng hạt nhân không có định luật bảo toàn nào sau ?

A. định luật bảo toàn động lượng. B. định luật bảo toàn số hạt nuclôn.

C. định luật bào toàn số hạt prôtôn. D. định luật bảo toàn điện tích.

Câu 4: Phản ứng hạt nhân thực chất là:

A. mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

B. sự tương tác giữa các nuclon trong hạt nhân.

C. quá trình phát ra các tia phóng xạ của hạt nhân.

D. quá trình giảm dần độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ.

Câu 5: Trong phóng xạ \[\gamma \] hạt nhân phóng ra một phôtôn với năng lượng \[\varepsilon \]. Hỏi khối lượng hạt nhân thay đổi một lượng bằng bao nhiêu?

A. Không đổi. B. Tăng một lượng bằng \[\varepsilon \]/c².

C. Giảm một lượng bằng \[\varepsilon \]/c². D. Giảm một lượng bằng \[\varepsilon \].

Câu 6: Dưới tác dụng của bức xạ \[\gamma \], hạt nhân đồng cị bền của beri(\[{}_{4}^{9}Be\]) có thể tách thành mấy hạt \[\alpha \] và có hạt nào kèm theo ?

A. 2 hạt \[\alpha \] và electron. B. 2 nhân \[\alpha \] và pôzitron.

C. 2 hạt \[\alpha \] và proton. D. 2 hạt \[\alpha \] và nơtron.

Câu 7: Xét phản ứng hạt nhân: X \[\to \] Y + \[\alpha \]. Hạt nhân mẹ đứng yên. Gọi K_Y, m_Y và \[{{K}_{\alpha }}\], \[{{m}_{\alpha }}\] lần lượt là động năng, khối lượng của hạt nhân con Y và \[\alpha \]. Tỉ số \[\frac{{{K}_{Y}}}{{{K}_{\alpha }}}\] bằng

A. \[\frac{{{m}_{Y}}}{{{m}_{\alpha }}}\]. B. \[\frac{4{{m}_{\alpha }}}{{{m}_{Y}}}\]. C. \[\frac{{{m}_{\alpha }}}{{{m}_{Y}}}\]. D. \[\frac{2{{m}_{\alpha }}}{{{m}_{Y}}}\].

Câu 8: Bổ sung vào phần thiếu của câu sau: “Một phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng thì khối lượng của các hạt nhân trước phản ứng …khối lượng của các hạt nhân sinh ra sau phản ứng”

A. nhỏ hơn B. bằng (để bảo toàn năng lượng)

C. lớn hơn D. có thể nhỏ hoặc lớn hơn

Câu 9: Chọn câu đúng:

A. khối lượng của nguyên tử bằng tổng khối lượng của các nuclon

B. Trong hạt nhân số proton luôn luôn bằng số nơtron

C. Khối lượng của proton lớn hơn khối lượng của nôtron

D. Bản thân hạt nhân càng bền khi độ hụt khối của nó càng lớn C.

Câu 10: Phương trình phóng xạ: . Trong đó Z, A là:

A. Z=10, A=18 B. Z=9, A=18 C. Z=9, A=20 D. Z=10, A=20

Câu 11: Hạt nhân mẹ A có khối lượng m_A đang đứng yên, phân rã thành hạt nhân con B và hạt α có khối lượng m_Bvà m_α. So sánh tỉ số động năng và tỉ số khối lượng của các hạt sau phản ứng, hãy chọn kết luận đúng.

Câu 12: Một trong các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng là: với m là số nơtron, m bằng:

A. 4 B. 6 C. 8 D. 10

Câu 13: Cho 2 phản ứng: . Nguyên tố X và Y lần lượt là

Câu 14: Prôtôn bắn vào nhân bia Liti (73Li 37Li ) đứng yên. Phản ứng tạo ra hạt nhân X giống hệt nhau bay ra. Biết tổng khối lượng hai hạt X nhỏ hơn tổng khối lượng của Prôtôn và Liti. Chọn câu trả lời đúng:

A. Phản ứng trên tỏa năng lượng. B.

B. Tổng động lượng của 2 hạt X nhỏ hơn động lượng của prôtôn.

C. Phản ứng trên thu năng lượng.

D. Mỗi hạt X có động năng bằng 1/2 động năng của protôn.

Câu 15: Xét phản ứng: A → B + α. Hạt nhân mẹ đứng yên, hạt nhân con và hạt α có khối lượng và vận tốc lần lượt là v_B, m_B và v_α, m_α_.. Tỉ số giữa v_Bvà v_αbằng

A. m_B/m_α B. 2m_α/m_B C. 2 m_B / m_α D. m_α/m_B

Đáp án

1. B	2. A	3. C	4. A	5. C	6. D	7. C	8. C
9. D	10. A	11. C	12. B	13. B	14. A	15. D

Góc nhắn nhủ: Bài viết này chủ yếu giúp các bạn nắm chắc kiến thức lý thuyết cơ bản nhất về phản ứng hạt nhân và một số bài tập đơn giản. Sẽ có một bài viết khác gồm các bài tập định lượng giúp các bạn nắm chắc kiến thức giải bài tập hơn! Xin chân thành cảm ơn! Chúc các bạn học tập tốt!