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 rút gọn: 

Phương án tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân chì:

Sử dụng một máy gia tốc hạt với năng lượng cực lớn để bắn các chùm hạt nhân kéo 3 proton ra khỏi hạt nhân của nguyên tử chì. Khi mất đi 3 proton thì chì sẽ biến thành vàng.

₈₂²⁰⁶Pb → ₇₉¹⁹⁷Au + 3₁¹p + 6₀¹n

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

Giải rút gọn:

Khác nhau:

- Phản ứng hóa học:

+ Chỉ 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.

+ Gây ra sự thay đổi ở lớp vỏ các nguyên tử

- Phản ứng hạt nhân:

+ Biến đổi hạt nhân nguyên tử làm cho nguyên tử nguyên tố này biến đổi thành nguyên tử nguyên tố khác

+ 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 rút gọn: 

Phương trình phản ứng hạt nhân: ₇¹⁴N + ₂⁴ → ₈¹⁷O + ₁¹H

Bảo toàn điện tích: 7 +2 = 8 + 1

Bảo toàn số khối: 14 + 4 = 17 +1

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 rút gọn: 

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 rút gọn: 

Phương trình của phản ứng phân hạch: 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 rút gọn: 

- Ứng dụng:

+ Sản xuất điện hạt nhân

+ Chế tạo vũ khí hạt nhân như bom nguyên tử,…

+ Dùng để nghiên cứu khoa học.

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 rút gọn:

₁²H + ₁²H → ₁³H + ₁¹p

Xác định _Z^AX đó là: ₁³H

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

Giải rút gọn: 

So sánh:

- Phản ứng phân hạch:

+ Một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn

+ Xảy ra ở nhiệt độ cao.

+ Phản ứng kiểm soát trong lò phản ứng hạt nhân.

- Phản ứng nhiệt hạch:

+ Hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân nặng hơn

+ Cần nhiệt độ và áp suất cao

+ Phản ứng khó kiểm soát

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 rút gọn: 

 Mặt trời 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 phóng thích ra lượng ánh sáng và lượng nhiệt vô tận trong lõi của mặt trời.

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 rút gọn: 

Các 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.

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.

Số quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân không giảm mà còn tăng thêm, 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 có sức hủy diệt cao hơn.

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.

Chúng ta phải tích cực xây dựng, củng cố tiềm lực mọi mặt, nâng cao khả năng phòng, 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.

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 rút gọn: 

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 rút gọn: 

Phương trình phản ứng nhiệt học: 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 rút gọn: 

Năng lượng tỏa ra khi tạo thành 100g He là: . 6,023.10²³ . 3,27=  6,57.10²⁵ (MeV)

Năng lượng tỏa ra khi phân hạch 100g U là: . 6,023.10²³.200 = 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.