BÀI 16. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH, PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ ỨNG DỤNG

MỞ ĐẦU

Các phản ứng hạt nhân đang diễn ra hằng ngày trong lò phản ứng của các nhà máy điện hạt nhân, cung cấp điện năng phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Ngoài ra, phản ứng hạt nhân cũng xảy ra trong lõi Mặt Trời trong hàng tỉ năm, góp phần vào quá trình hình thành và duy trì sự sống trên Trái Đất. Các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân và trong lõi của Mặt Trời lần lượt là phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch. Việc hiểu rõ các tính chất của các phản ứng hạt nhân này rất là quan trọng để có thể kiểm soát và sử dụng hiệu quả, phục vụ cho sự phát triển của nhân loại.

1. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Thảo luận 1: Tìm hiểu và trình bày một phương án để tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân của các nguyên tố khác.

Giải nhanh: 

Phương án tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân chì: Năm 1980, các nhà khoa học đã thành công trong việc biến chì thành vàng tuy nhiên lượng vàng tạo ra là rất nhỏ. Họ sử dụng một máy gia tốc hạt với năng lượng cực lớn để bắn các chùm hạt nhân với vận tốc ánh sáng kéo 3 proton ra khỏi hạt nhân của nguyên tử chì. Khi mất đi 3 proton thì đương nhiên chì sẽ biến thành vàng.

Thảo luận 2: So sánh sự khác nhau giữa phản ứng hạt nhân và phản ứng hóa học.

Giải nhanh: 

- Phản ứng hóa học: Chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi làm cho phân tử này biến đổi thành phân tử khác. Các nguyên tử nguyên tố không thay đổi

- Phản ứng hạt nhân: Có sự biến đổi hạt nhân nguyên tử làm cho nguyên tử nguyên tố này biến đổi thành nguyên tử nguyên tố khác

→ Phản ứng hóa học chỉ gây ra sự thay đổi ở lớp vỏ các nguyên tử, còn phản ứng hạt nhân có sự thay đổi trong hạt nhân.

Thảo luận 3: Viết phương trình phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford khi sử dụng chùm hạt chiếu vào ₇¹⁶N. Kiểm chứng định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong thí nghiệm trên.

Giải nhanh: 

Phương trình: ₇¹⁴N + ₂⁴ → ₈¹⁷O + ₁¹H

Trong phương trình trên, điện tích và số khối được bảo toàn.

Luyện tập: Xác định số hiệu nguyên tử và số khối còn thiếu của hạt nhân trong các phản ứng sau:

a) ₇¹⁴N + ₀¹n → _?^?C +₁¹H                               b) ₉₂²³⁸U → _?^?Th + ₂⁴He

c) ₁₂²⁵Mg + ₂⁴He → _?^?Al + ₁¹H                      d) ₈₄²¹⁰Po → _?^?Pb + ₂⁴He

e) _?^?Be + ₂⁴He → ₆¹²C + ₀¹n                           f) ₈¹⁶O + ₀¹n → _?^?O

Giải nhanh: 

a) ₇¹⁴N + ₀¹n → ₆¹⁴C +₁¹H                                       b) ₉₂²³⁸U → ₉₀²³⁴Th + ₂⁴He

c) ₁₂²⁵Mg + ₂⁴He → ₁₃²⁸Al + ₁¹H                             d) ₈₄²¹⁰Po → ₈₂²⁰⁶Pb + ₂⁴He

e) ₄⁹Be + ₂⁴He → ₆¹²C + ₀¹n                           f) ₈¹⁶O + ₀¹n → ₈¹⁷O

2. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH VÀ PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH

Thảo luận 4: Khi được bắn phá bởi một neutron nhiệt, ₉₂²³⁵U có thể phân hạch để tạo ra ₅₄¹⁴⁰Xe và ₃₈⁹⁴Sr cùng với một số hạt neutron. Hãy viết phương trình của phản ứng phân hạch này và xác định số neutron được tạo ra.

Giải nhanh: 

₉₂²³⁵U + ₀¹n → ₅₄¹⁴⁰Xe + ₃₈⁹⁴Sr + 2₀¹n

Số hạt neutron được tạo ra là 2 hạt.

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày một số ứng dụng của phản ứng phân hạch.

Giải nhanh: 

- Ứng dụng quan trọng nhất của loại phản ứng này có thể được tìm thấy trong các lò phản ứng hạt nhân. Nhiệt phân hạch của một gam nhiên liệu Uranium có thể so sánh với sức nóng đốt cháy hàng chục đến hàng trăm tấn than.

- Bom phân hạch, thường được gọi là bom nguyên tử, là một lò phản ứng phân hạch được thiết kế để giải phóng càng nhiều năng lượng càng tốt và nhanh nhất có thể.

Thảo luận 5: Khi được đặt trong nhiệt độ phù hợp, hai hạt nhân ₁²H có thể kết hợp để tạo ra hạt nhân _z^AX cùng với một proton. Hãy xác định _Z^AX.

Giải nhanh: 

₁²H + ₁²H → ₁³H+ ₁¹p

Luyện tập: So sánh phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch.

Giải nhanh: 

- Phản ứng phân hạch là quá trình một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn

- Phản ứng nhiệt hạch là quá trình hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân nặng hơn

→ Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân vỡ ra, còn trong phản ứng nhiệt hạch, các hạt nhân kết hợp lại. Đây là 2 quá trình ngược nhau.

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày sơ lược về các phản ứng nhiệt hạch để tạo ra năng lượng trong lõi của Mặt Trời.

Giải nhanh: 

Sở dĩ Mặt trời phát ra nguồn năng lượng khổng lồ như thế, đó là nhờ phản ứng hạt nhân nguyên tử của Mặt trời. Mặt trời vốn chứa rất nhiều nguyên tố hydro. Ở tâm Mặt trời dưới điều kiện nhiệt độ cao (15 triệu°C), áp suất cao, các hạt nhân nguyên tử hydro tác dụng lẫn nhau kết hợp với nhân nguyên tử heli nên đồng thời phóng thích ra lượng ánh sáng và lượng nhiệt vô tận như thế.

3. MỘT SỐ NGÀNH CÔNG NGHIỆP HẠT NHÂN TRONG ĐỜI SỐNG

Vận dụng: Thảo luận để đánh giá được một số tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại.

Giải nhanh: 

Kể từ khi quân đội Mỹ ném hai quả bom nguyên tử xuống thành phố Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) trong Thế chiến thứ II, cướp đi sinh mạng của hàng vạn người, nhân loại luôn đứng trước nguy cơ chiến tranh hạt nhân có thể hủy diệt sự sống trên trái đất.

Bên cạnh đó, nguy cơ khủng bố phát tán chất phóng xạ; sự cố do các nhà máy điện hạt nhân, phương tiện sử dụng năng lượng hạt nhân,… gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng, kéo theo những hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, môi trường và sức khỏe con người, v.v.

Nhận thức sâu sắc vấn đề đó, cộng đồng quốc tế đã ra sức đấu tranh nhằm cấm việc phát triển, thử nghiệm, sản xuất, tàng trữ, chuyển giao, sử dụng và đe doạ sử dụng vũ khí hạt nhân, tiến tới thủ tiêu loại vũ khí nguy hiểm này. Tuy nhiên, đến nay, số quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân không những không giảm mà còn tăng thêm. Nguy hiểm hơn là, một số quốc gia lợi dụng thành tựu của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đẩy nhanh nghiên cứu, phát triển, hiện đại hóa kho vũ khí hạt nhân, làm cho chúng “thông minh” hơn, sức hủy diệt cao hơn và có thể lẩn tránh được sự giám sát của luật pháp quốc tế.

Mặt khác, một số quốc gia, trong đó có các nước trong khu vực đã xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân; nguy cơ rò rỉ, phát tán phóng xạ do sự cố như ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản, năm 2011 là một ví dụ, làm gia tăng nguy cơ sự cố bức xạ, hạt nhân, v.v.

Tình hình trên đặt ra yêu cầu bức thiết, đòi hỏi chúng ta phải tích cực xây dựng, củng cố tiềm lực mọi mặt, nâng cao khả năng phòng, chống vũ khí hạt nhân và ứng phó có hiệu quả sự cố bức xạ và hạt nhân, làm giảm thiệt hại tới mức thấp nhất về người và tài sản, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc trong tình hình mới.

BÀI TẬP

1. Chọn câu đúng về phản ứng phân hạch hạt nhân.

A. Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sản phẩm sau phân hạch luôn bằng tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phân hạch.

B. Tổng khối lượng nghỉ của các hạt sản phẩm sau phân hạch luôn lớn hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước phân hạch.

C. Tổng số proton của các hạt sau phân hạch luôn bằng tổng số proton của các  hạt trước phân hạch.

D. Tổng số nucleon của các hạt sau phân hạch luôn bằng tổng số nucleon của các hạt trước phân hạch.

Giải nhanh: 

Đáp án: D.

2. Quá trình đầu tiên trong chuỗi phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở Mặt Trời là quá trình tổng hợp ₁²H từ hai proton (sản phẩm sau phản ứng còn có hạt positron ₁⁰e và neutrino v_e’ được học trong Bài 17. Hãy viết phương trình phản ứng nhiệt hạch này.

Giải nhanh: 

₁¹p + ₁¹p → ₁²H + ₁⁰e + v_e’

3. Tính năng lượng tỏa ra khi 100g ₂³He được tạo thành trong phản ứng nhiệt hạch: ₁¹H + ₁²H → ₂³He + ₀¹n, biết rằng mỗi phản ứng này tỏa ra năng lượng khoảng 3,27 MeV. So sánh với năng lượng tỏa ra khi phân hạch hoàn toàn 100g ₉₂²³⁵U, biết trung bình mỗi phản ứng phân hạch của ₉₂²³⁵U tỏa ra năng lượng khoảng 200 MeV.

Giải nhanh: 

Số hạt nhân He trong 100g là: N_He = . 6,023.10²³ =  2,08.10²⁵

Năng lượng tỏa ra khi tạo thành 100g He là: 2,08.10²⁵.3,27 = 6,57.10²⁵ (MeV)

Số hạt nhân U trong 100g là: N_U = . 6,023.10²³ = 2,56.10²³

Năng lượng tỏa ra khi phân hạch 100g U là: 2,56.10²³.200 = 5,13.10²⁵ (MeV)

→ Năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch tạo thành 100g ₂³He lớn hơn năng lượng tỏa ra khi phân hạch 100g ₉₂²³⁵U.