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 rút gọn:

Nguyên nhân khiến các proton và neutron liên kết chặt chẽ trong hạt nhân là do: tác động hạt nhân mạnh, vượt qua lực đẩy Coulomb giữa proton tích dương, giữ cho chúng ổn định trong hạt nhân.

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 rút gọn:

Công thức tính độ hụt khối của hạt nhân:

Do đó độ hụt khối của hạt nhân là :

• 

• (amu)

Vậy amu.

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

Giải rút gọn:

Ta sử dụng quan hệ khối lượng năng lượng trong định luật tương đối của Albert Einstein: E=mc².

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 rút gọn:

Độ hụt khối của hạt nhân là:

(amu)

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

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

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

Giải rút gọn:

Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân là:

Với được tính ở bài trên.

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

Giải rút gọn:

Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

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 rút gọn:

Hạt nhân trên có năng lượng liên kết riêng bằng 8,8 MeV/nucleon, do đó có năng lượng liên kết là:

Do đó hạt nhân này 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 rút gọn:

Phản ứng phân hạch của hạt nhân như trong Hình 2.4 tỏa ra năng lượng xấp xỉ bằng 173 MeV.

Số hạt nhân bị phân hạch là: =4254,52 mol.

Lượng năng lượng khi phân hạch 1000kg là:

A =

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 rút gọn:

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:

Số hạt nhân cần thiết cho một lò trong một ngày là:

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

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 rút gọn:

Những ứng dụng và vai trò của ngành công nghiệp hạt nhân trong cuộc sống hàng ngày và trong lĩnh vực khoa học:

- 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.