Giải Vật Lý 12 Bài 38. Phản ứng phân hạch

  • Bài 38. Phản ứng phân hạch trang 1
  • Bài 38. Phản ứng phân hạch trang 2
  • Bài 38. Phản ứng phân hạch trang 3
Bài 38. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH
A. KIẾN THỨC CẨN NẮM VỮNG
Sự phân hạch
Sự phân hạch là một hạt nhân (loại rất nặng) hấp thụ một nơtrôn chậm và vỡ thành hai hạt nhân trung bình. Trong đó nơtrôn chậm có động năng tương đương với động năng trung bình của chuyển động nhiệt (dưới 0,leV) dễ bị hấp thụ hơn nơtrôn nhanh.
Đặc điểm quan trọng của phản ứng hạt nhân là sinh ra tới 2 đến 3 nơtrôn (trung bình là 2,5) và tỏa ra năng lượng rất lớn dưới dạng động năng của các hạt (khoảng 200 MeV).
Ví dụ: Phản ứng hạch của 235u là:
+ (Jn -»	-» 2X + zX'+ k(Jn + 200MeV, X và X’ là các hạt
nhân trung bình, có sô' khôi từ 80 đến 160. Phản ứng này sinh ra k = 2 hoặc 3 (Trung bình 2,5) nơtrôn và tỏa ra năng lượng khoảng 200eV dưới dạng động năng của các hạt.
Phản ứng dây chuyền và điều kiện để nó xảy ra
Trong phản ứng phân hạch, một phần sô' nơtrôn sinh ra bị mất mát vì nhiều nguyên nhân (thoát ra ngoài, bị hấp thụ bởi các hạt nhân khác...) nhưng sau mỗi phân hạch, vẫn còn lại trung bình s phân hạch, sinh ra s2, rồi s3, s4,...nơtrôn. Sô' phân hạch tăng rất nhanh trong một thời gian rất ngắn: ta có phản ứng hạt nhân dây chuyền (s gọi là hệ sô' nơtrôn).
Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra là s > 1
+ Với s > 1 thì hệ thống gọi là vượt hạn: Ta không khống chê' được phản ứng dây chuyền. Năng lượng tỏa ra có sức công phá rất dữ dội.
Trong trường hợp này dùng để chê' tạo bom nguyên tử.
Với s = 1 thì hệ thống gọi là tới hạn: Phản ứng dây chuyền tiếp diễn, nhưng không tăng vọt. Năng lượng tỏa ra không đổi và có thể kiểm soát được. Đó là chế độ hoạt động của lò phản ứng hạt nhân trong các nhà máy điện nguyên tử.
+ Với s < 1 thì hệ thông gọi là dưới hạn: Phản ứng dây chuyền không xảy ra.
Số nơtrôn bị mất và thoát ra ngoài (tỉ lệ với diện tích mặt ngoài khôi urani), so với số nơtrôn sinh ra (tỉ lệ với thể tích của khôi) càng nhỏ nếu thể tích càng lớn. Khối lượng này phải đạt đến một giá trị tối thiểu, gọi là khối lượng tới hạn mh thì mới có s > 1. chẳng hạn 235u khôi lượng tới hạn khoảng 59kg.
B. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ GIẢI BÀI TẬP
Bài 1. So sánh quá trình phân rã a và quá trình phân hạch.
Trả lời
Giống nhau: Quá trình phân rã a và quá trình phân hạch đều tỏa nhiệt.
Khác nhau:
+ Quá trình phân rã a là phản ứng hạt nhân tự phát, còn quá trình phân hạch là phản ứng hạt nhân kích thích.
+ Trong quá trình phân rã a, hạt phóng ra là hạt a; còn trong quá trình phân hạch, hạt phóng ra là nơtron.
,	,	, ,
Bài 2. Căn cứ vào độ lớn của —7-, chứng tỏ rằng quá trình phân A
hạch thường chỉ xảy ra đối với các hạt nhân có số’ nuclôn lớn hơn hay bằng 200.
Trả lời
Vì quá trình phân hạch, hạt nhân bị phân hạch sẽ vỡ ra và tạo thành hai hạt nhân có số khôi trung bình và đồng thời tỏa năng lượng,
E	.	“
nên năng lượng liên kết riêng —ỳk sau (có số khôi vào cỡ 100) sẽ lớn hơn A
E
năng lượng liên kết riêng -ỳk trước. Vì vậy quá trình phân hạch thường A
chỉ xảy ra đốì với các hạt nhân có số’ nuclôn lớn hơn hay bằng 200.
Bài 3. Chọn câu đúng.
Phần lớn năng lượng giải phóng trong phân hạch là:
Động năng các nơtron phát ra.
Động năng các mảnh.
c. Năng lượng tỏa ra do phóng xạ của các mảnh,
D. Năng lượng các phôtôn của tia y .
Trả lởi
Phần lớn năng lượng giải phóng trong phân hạch là động năng các mảnh => Chọn câu B
Bài 4. Hoàn chỉnh các phản ứng:
(5n + 233U-> 949Y+,4°I + x('n)
^n + 2|u->9^Zn+l382Te + x('n)
Trả lời
Xét phản ứng: ỏn + 233 u -> 94Y + 14°I + x((Jn)
Theo định luật bảo toàn-số' khối:
1 + 235 = 94 + 140 + X => X = 2.
Theo định luật bảo toàn điện tích:
0 + 92 = 39 + z => z = 53.
Phản ứng đầy đủ: (J n + 233 u -> 949Y + 1491 + 2( ' n)
Xét phản ứng: (Jn + 292 U -> ’zZn + l382Te + x(òn)
Theo định luật bảo toàn số khôi:
1 + 235 = 95 + 138 + X => X = 3.
Theo định luật bảo toàn điện tích:
0 + 92 = z + 52 => z = 40.
Phản ứng đầy đủ: 9n + 233 u -> 93 Y + 1381 + 3((Jn)
Bài 5. Xét phản ứng phân hạch: (Jn + 292 U —> 'ị9I + 949Y + 3((Jn) + y Tính năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân 235 u.
Trả lời
Khối lượng các hạt trước phản ứng: mt = mn + mu
mt = 1,00866 + 234,9933 = 236,00198u.
Khối lượng các hạt sau phản ứng: ms = mi + my + 3mn
ms = 138,89700 + 93,89014 + 3.1,00866 = 235,81312u.
Năng lượng tỏa ra là:
E = (mt + ms)c2
= (236,00198 + 235,81312).931,5 = 176,845MeV.
Bài 6. Tính năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 kg 235 u.
Cho biết:
235u = 234,99332u; ,39I - 138,89700u; 94 Y = 93,89014u.
Trả lời
Cứ 235g 235u chứa Na = 6,023.1023 hạt.
Số’ hạt 235u chứa trong Ikg là:
N = — Na = ị?ị.6,023.1023 =2,56.1024 hạt.
A 235
Vì năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân 235u là 176,845MeV nên năng lượng tỏa ra khi phân hạch lkg 235u là:
w = 2,56.1024.176,845 = 4,527.1026MeV.