BÀI 2: NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Mở đầu: Các proton mang điện tích dương nên lấy nhau theo định luật Coulomb. Nguyên nhân nào khiến các proton và neutron vẫn có thể liên kết chặt chẽ với nhau trong hạt nhân?

Giải nhanh:

Các proton và neutron liên kết chặt chẽ trong hạt nhân do tác động hạt nhân mạnh, 

I. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Luyện tập 1. Cho biết khối lượng của hạt nhân là 11,99993 u. Sử dụng số liệu trong bảng 1.1 trang 92, tính độ hụt khối của hạt nhân .

Bảng 1.1. Khối lượng của các nucleon và hạt nhân tính theo amu

Giải nhanh:

Độ chênh lệch giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là m:

độ hụt khối = tổng khối lượng các nucleon – khối lượng hạt nhân

Độ hụt khối của hạt nhân nói trên là :

• 

• (amu)

Vậy amu.

Câu 1: Tính 1 MeV/c² ra đơn vị kilogam.

Giải nhanh:

Khối lượng của 1 MeV/c² ra đơn vị kilogam là:

Luyện tập 2: Tính năng lượng liên kết của hạt nhân ra đơn vị MeV và đơn vị J.

Giải nhanh:

Với

(amu)

Mà 1 amu = 931,5  MeV/c^2, do đó năng lượng liên kết của hạt nhân ra đơn vị MeV là:

Ta lại có 1 amu = 1,6605.10^-27 kg, do đó năng lượng liên kết của hạt nhân ra đơn vị J là: 

=>

Câu 3: Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân .

Giải nhanh:

Nlượng liên kết riêng của hạt nhân là:

Với được tính ở bài trên.

Vậy năng lượng liên kết riêng của hạt nhân là 7,4295 MeV/nucleon.

Câu 2: Dựa vào Hình 2.3, sắp xếp các hạt nhân sua theo thứ tự độ bền vững tăng dần: 

.

Giải nhanh:

Dựa vào hình 2.3 ta có thể sắp xếp được độ bền vững của các hạt nhân trên theo thứ tự tăng dần như sau:

Câu 4: Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng bằng 8,8 MeV/nucleon là một trong những hạt nhân bền vững nhất trong tự nhiên. Tính độ hụt khối của hạt nhân này. 

Giải nhanh:

Mà năng lượng liên kết được tính bằng công thức: 

Do đó hạt nhân này có độ hụt khối là:

Vậy hạt nhân đó có độ hụt khối là: .

II. SỰ PHÂN HẠCH VÀ SỰ TỔNG HỢP HẠT NHÂN 

Vận dụng 1: Năng lượng toả ra khi 1,000 kg bị phân hạch hoàn toàn theo phản ứng trong Hình 2.4 tương đương với năng lượng toả ra khi đốt cháy bao nhiêu tấn than đá?

Cho biết: khối lượng mol nguyên tử của uranium là 235,0439 g/mol; số Avogadro N_A = 6,02.10²³ nguyên tử/mol.

Mỗi kg than đá khi đốt cháy hoàn toàn toả ra 27.10⁶ J năng lượng nhiệt.

Giải nhanh:

Ta có:

1000kg = 10⁶g, số mol của lượng trên là: =4254,52 mol.

Số hạt nhân tương ứng: 

Lượng năng lượng khi phân hạch 1000kg là:

A =

Mà mỗi kg than đá khi đốt cháy hoàn toàn toả ra 27.10⁶ J năng lượng nhiệt, số kg than đá cần thiết để sinh ra lượng nhiệt tương ứng như trên là:

Vậy để tỏa ra năng lượng tương đương với việc phân hạch hoàn toàn 1000 kg ta cần đốt cháy khoảng 2.63 triệu tấn than đá.

III. CÔNG NGHIỆP HẠT NHÂN

Luyện tập 5: Arktika là tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân của Nga. Với chiều dài 173 m, cao 15m, tàu được trang bị hai lò phản ứng hạt nhân, mỗi lò có công suất 175 MW, giúp tàu phá lớp băng dày đến 3 m.

Nếu lò phản ứng này sử dụng năng lượng từ sự phân hạch của , mỗi phân hạch sinh ra trung bình 203 MeV; tính khối lượng mà lò phản ứng tiêu thụ trong 1 ngày. Cho Avogadro N_A=6,02.10 nguyên tử/mol và khối lượng mol nguyên tử của U là 235 g/mol.

Hình 2.8. Hình ảnh tàu phá băng hạt nhân Arktika được in trên con tem bưu chính của Nga.

Giải nhanh:

Công mà mỗi lò phản ứng hạt nhân của tàu đó tạo ra trong một ngày: 

Công mà một phản ứng phân hạch tạo ra:

Mỗi phản ứng phân hạch cần 1 hạt nhân , do đó số hạt nhân cần thiết cho một lò trong một ngày là:

Số mol cần thiết cho cả 2 lò:

Do đó khối lượng cần thiết cho cả 2 lò để tàu hoạt động trong một ngày là:

Vậy khối lượng mà 2 lò phản ứng tiêu thụ trong 1 ngày là 363,075g.

Vận dụng 2: Tìm tài liệu như tranh ảnh, bài báo,... và dựa vào các tài liệu đó thảo luận với bạn về vai trò của một số ngành công nghiệp hạt nhân trong khoa học và đời sống. 

Giải nhanh:

Y tế: Chẩn đoán và điều trị ung thư

Năng lượng:

+ Phát điện hạt nhân.

+ Nghiên cứu và phát triển năng lượng hạt nhân mới.

Khoa học:

+ Nghiên cứu vật lý hạt nhân.

+ Ứng dụng trong nghiên cứu vật lý khác.

Môi trường và bảo vệ:

+ Xử lý chất thải hạt nhân.

+ Giảm lượng khí thải carbon.