2. Bài 2. Phản ứng hạt nhân

Nhân loại luôn đi tìm những nguồn năng lượng xanh, sạch và chi phí thấp, nhưng năng lượng hóa thạch rẻ thì gây ô nhiễm môi trường, năng lượng tái tạo sạch thường có chi phí cao, năng lượng hạt nhân gây nên các rủi ro về phóng xạ. Những hạn chế trên sẽ được khắc phục khi công nghệ Mặt trời nhân tạo phát triển thành công. Mặt trời nhân tạo là lò phản ứng hạt nhân, thúc đẩy phản ứng xảy ra giữa 2 hạt nhân tritium và deuterium, nhằm giải phóng năng lượng phục vụ cho nhân loại. Phản ứng hạt nhân là gì? Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong lĩnh vực nào?

Lời giải chi tiết:

- Phản ứng hạt nhân là phản ứng có sự biến đổi ở hạt nhân nguyên tử. Phản ứng hạt nhân không phải là phản ứng hóa học.

- Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong lĩnh vực

   + Y học: chuẩn đoán và điều trị bệnh

   + Công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học

   + Xác định niên đại cổ vật

   + Sử dụng năng lượng của phản ứng hạt nhân

Trong tự nhiên, có nhiều đồng vị không bền như ³H (tritium), ¹⁴C, ⁴⁰K,…chúng bị biến đổi thành hạt nhân nguyên tử khác, hiện tượng này gọi là gì.

Phương pháp giải:

Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử không bền vững bị biến đổi thành hạt nhân của nguyên tử khác, đồng thời phát ra bức xạ dạng hạt hoặc photon có năng lượng lớn, gọi là tia phóng xạ.

Lời giải chi tiết:

Hiện tượng này gọi là hiện tượng phóng xạ

Quan sát Hình 2.1 và đọc thông tin, cho biết đồng vị uranium nào tồn tại phổ biến trong tự nhiên?

Phương pháp giải:

²³⁵U chiếm 0,711%

²³⁸U chiếm 99,284%

Lời giải chi tiết:

Uranium được tìm thấy trong tự nhiên gồm hai đồng vị phổ biến là ²³⁵U chiếm 0,711% và ²³⁸U chiếm 99,284%

Xét 2 quá trình sau:

(1) Đốt cháy than củi (carbon) sẽ phát ra  nhiệt lượng có thể nấu chín thực phẩm;

(2) Đồng vị ¹⁴C phân hủy theo phản ứng:

\(_6^{14}C \to _7^{14}N + \beta \)

Quá trình nào là phóng xạ tự nhiên? Giải thích.

Phương pháp giải:

Phóng xạ tự nhiên là hiện tượng các nguyên tố tự phát ra tia phóng xạ, không do tác động từ bên ngoài.

Lời giải chi tiết:

Quá trình (1) không phải là phóng xạ tự nhiên vì cần tác động bên ngoài (dùng mồi lửa đốt cháy) thì mới xảy ra.

Quá trình (2) là phóng xạ tự nhiên vì nguyên tố ¹⁴C tự phát ra tia phóng xạ, không do tác động từ bên ngoài.

Tia phóng xạ có những loại nào? Cho biết đặc điểm của từng loại

Phương pháp giải:

- Các loại phóng xạ: α, β, γ

Lời giải chi tiết:

- Phóng xạ α: (\(_2^4He\)) là hạt nhân nguyên tử helium, gồm 2 proton, 2 neutron và không có electron

- Phóng xạ β:

   + Hạt β: (\(_{ - 1}^0e\)) có điện tích -1 và số khối bằng 0

   + Hạt β⁺: (\(_{ + 1}^0e\)) có điện tích +1 và số khối bằng 0

- Phóng xạ γ: là dòng photon có năng lượng cao

Đặc điểm của hạt nhân nguyên tử xảy ra phóng xạ β và β⁺ khác nhau như thế nào? So sánh khối lượng và điện tích của hạt β và β⁺

Phương pháp giải:

- Hạt β: (\(_{ - 1}^0e\)) có điện tích -1 và số khối bằng 0

- Hạt β⁺: (\(_{ + 1}^0e\)) có điện tích +1 và số khối bằng 0

Lời giải chi tiết:

Phóng xạ β là tên gọi thay cho phóng xạ β^-, do phóng xạ β^- phổ biến hơn β⁺

Trong 3 loại phóng xạ α, β, γ, loại phóng xạ nào khác biệt cơ bản với 2 loại còn lại? Nêu sự khác biệt đó.

Phương pháp giải:

- Phóng xạ α: (\(_2^4He\)) là hạt nhân nguyên tử helium, gồm 2 proton, 2 neutron và không có electron

- Phóng xạ β:

   + Hạt β: (\(_{ - 1}^0e\)) có điện tích -1 và số khối bằng 0

   + Hạt β⁺: (\(_{ + 1}^0e\)) có điện tích +1 và số khối bằng 0

- Phóng xạ γ: là dòng photon có năng lượng cao

Lời giải chi tiết:

Trong 3 loại phóng xạ, phóng xạ γ khác biệt cơ bản với hai loại còn lại.

Phóng xạ γ không mang điện tích, có năng lượng cao hơn hẳn, có khả năng đâm xuyên tốt nhất

Khi chiếu chùm tia phóng xạ (α, β, γ) đi vào giữa 2 bản điện cực, hướng đi của các tia phóng xạ thay đổi như thế nào?

Phương pháp giải:

- Phóng xạ α: (\(_2^4He\)) là hạt nhân nguyên tử helium, gồm 2 proton, 2 neutron và không có electron

- Phóng xạ β: (\(_{ - 1}^0e\)) có điện tích -1 và số khối bằng 0

- Phóng xạ γ: là dòng photon có năng lượng cao

Lời giải chi tiết:

Khi chiếu chùm tia phóng xạ (α, β, γ) đi vào giữa hai bản điện cực:

- Chùm tia α bị lệch ít và lệch về phía cực âm trong trường điện.

- Chùm tia β mang điện tích âm bị lệch nhiều và lệch về phía cực dương trong trường điện.

- Chùm tia γ không bị lệch trong trường điện vì không mang điện

Quan sát và nhận xét số khối, điện tích của các thành phần trước và sau phóng xạ hạt nhân.

Lời giải chi tiết:

Trong quá trình phóng xạ, số khối và điện tích được bảo toàn.

Vận dụng định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích, hoàn thành các phản ứng hạt nhân:

                                       \({}_{92}^{238}U \to {}_Z^ATh + {}_2^4He\)

                                    \({}_{93}^{239}Np \to {}_Z^APu + {}_{ - 1}^0e\)

Phương pháp giải:

Số khối trước và sau phản ứng bằng nhau

Điện tích trước và sau phản ứng bằng nhau

Lời giải chi tiết:

\({}_{92}^{238}U \to {}_Z^ATh + {}_2^4He\)

Bảo toàn điện tích: 92 = Z + 2 => Z = 90

Bảo toàn số khối: 238 = A + 4 => A = 234

=> \({}_{92}^{238}U \to {}_{90}^{234}Th + {}_2^4He\)

\({}_{93}^{239}Np \to {}_Z^APu + {}_{ - 1}^0e\)

Bảo toàn điện tích: 93 = Z - 1 => Z = 94

Bảo toàn số khối: 239 = A + 0 => A = 239

=> \({}_{93}^{239}Np \to {}_{94}^{239}Pu + {}_{ - 1}^0e\)

Phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford và Chadwick có khác biệt cơ bản nào với sự phóng xạ tự nhiên?

Phương pháp giải:

- Phản ứng hạt nhân là sử dụng tia phóng xạ để biến đổi hạt nhân nguyên tử

- Phóng xạ tự nhiên là các nguyên tố tự phát ra tia phóng xạ mà không do tác động từ bên ngoài

Lời giải chi tiết:

Phản ứng hạt nhân trong thí nghiệm của Rutherford và Chadwick có khác biệt cơ bản với sự phóng xạ tự nhiên là:

   + Phóng xạ tự nhiên là các nguyên tố tự phát ra tia phóng xạ mà không do tác động từ bên ngoài

   + Phản ứng hạt nhân là sử dụng tia phóng xạ để biến đổi hạt nhân nguyên tử.

Nêu sự khác nhau cơ bản của phản ứng hạt nhân với phản ứng hóa học

Phương pháp giải:

Phản ứng hóa học có sự bảo toàn nguyên tố

Phản ứng hạt nhân không có bảo toàn nguyên tố

Lời giải chi tiết:

Quan sát Hình 2.4 và Ví dụ 1, hãy so sánh số khối của các mảnh phân hạch với số khối của hạt nhân ban đầu.

Lời giải chi tiết:

Số khối của các mảnh phân hạch nhỏ hơn số khối của hạt nhân ban đầu.

Phản ứng nhiệt hạch được xem là phản ứng ngược lại với phản ứng phân hạch. Giải thích

Phương pháp giải:

- Phản ứng phân hạch: từ hạt nhân có số khối lớn phân chia thành 2 hạt nhân mới có số khối nhỏ hơn

- Phản ứng nhiệt hạch: 2 hạt nhân hợp lại để tạo thành hạt nhân mới nặng hơn

Lời giải chi tiết:

Phản ứng nhiệt hạch được xem là phản ứng ngược lại với phản ứng phân hạch vì phản ứng nhiệt hạch tạo các hạt nhân có số khối lớn hơn (nặng hơn) so với số khối của hạt nhân ban đầu còn phản ứng phân hạch tạo thành các hạt nhân có số khối nhỏ hơn (nhẹ hơn) so với số khối của hạt nhân ban đầu

Đồng vị phóng xạ nhân tạo được tạo ra như thế nào?

Lời giải chi tiết:

Đồng vị phóng xạ hạt nhân được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân.

Trong nhiều phản ứng hạt nhân, có thể tạo ra các đồng vị không bền gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo (đồng vị phóng xạ hạt nhân). Các đồng vị này bị phân rã tạo thành đồng vị bền hơn và phát bức xạ.

Trong Ví dụ 2, đồng vị nào là đồng vị phóng xạ nhân tạo?

 \({}_2^4He + {}_{13}^{27}Al \to {}_{15}^{30}P + {}_0^1n\)

 \({}_{15}^{30}P \to {}_{14}^{30}Si + {\beta ^ + }\)

Phương pháp giải:

Trong phản ứng hạt nhân, có thể tạo ra các đồng vị không bền, gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị này bị phân rã tạo thành đồng vị bền hơn và phát bức xạ, gọi là sự phóng xạ

Lời giải chi tiết:

Đồng vị \({}_{15}^{30}P\) không bền, bị phân ra tạo thành \({}_{14}^{30}Si\)

=> \({}_{15}^{30}P\) là đồng vị phóng xạ nhân tạo

So sánh điểm giống và khác nhau của phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân 

Phương pháp giải:

- Phóng xạ tự nhiên là hiện tượng các nguyên tố tự phát ra tia phóng xạ, không do tác động từ bên ngoài

- Phóng xạ nhân tạo là quá trình biến đổi hạt nhân không tự phát, gây ra bởi tác động bên ngoài lên hạt nhân, đồng thời phát ra tia phóng xạ.

Lời giải chi tiết:

Tìm hiểu những thông tin về ứng dụng đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân, nhận xét vai trò của đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân trong các lĩnh vực y học, công nghiệp, khoa học,…

Phương pháp giải:

- Y học

- Công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học

- Xác định niên đại cổ vật

- Năng lượng của phản ứng hạt nhân

Lời giải chi tiết:

- Lĩnh vực y học:

   + Ứng dụng kĩ thuật y học hạt nhân trong chuẩn đoán và điều trị bệnh: chụp hình phát hiện ung thư bằng máy SPECT, PET, kết hợp với CT giúp chuẩn đoán ung thư, kiểm tra và đánh giá mức độ hiệu quả của các phương pháp điều trị

   + Sử dụng dược chất phóng xạ vào cơ thể người bệnh, phát ra bức xạ β tiêu diệt tế bào ung thư

- Xạ trị: Sử dụng các hạt và sóng có năng lượng cao như: tia X, tia gamma,.. để tiêu diệt hoặc phá hủy tế bào ung thư

- Công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học

   + Chụp X – quang công nghiệp, tìm kiếm các khuyết tật trong vật liệu, đo mực chất lỏng trong bồn chứa, đo độ dày của vật liệu

   + Theo dõi quá trình hấp thụ các nguyên tố trong phân bón hoặc làm thay đổi cấu trúc gen để tạo giống mới

   + Sử dụng đồng vị phóng xạ trong lĩnh vực xử lí nước thải, thăm dò vật chất ô nhiễm từ dược phẩm phóng xạ

- Xác định niên đại cổ vật: Tính chu kì bán hủy để xác định niên đại cổ vật

- Sử dụng năng lượng của phản ứng hạt nhân

   + Năng lượng điện trên thế giới từ phản ứng hạt nhân chiếm 10-15% với ưu điểm là không tạo ra khí thải nhà kính. Bên cạnh đó cũng gây ra những hiểm họa về rò rỉ phóng xạ, tai nạn cháy nổ, một số quốc gia sử dụng trong mục đích chiến tranh

   + Tương lai gần, con người có thể chế tạo ra và sử dụng nguồn năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch

Phương pháp dùng đồng vị ¹⁴C để xác định tuổi của cổ vật, các mẫu hóa thạch có niên đại khoảng 75000 năm, nhưng không dùng để xác định niên đại của các mẫu đá trong lớp địa chất Trái Đất, mà sử dụng đồng vị ²³⁸U. Giải thích

Phương pháp giải:

¹⁴C có trong cơ thể động, thực vật

Lời giải chi tiết:

Cổ vật và các mẫu hóa thạch là xác của động, thực vật (sinh vật). Mà trong cơ thể sinh vật mới có đồng vị ¹⁴C.

Các mẫu đá trong lớp địa chất không có đồng vị ¹⁴C nên ta sử dụng đồng vị ²³⁸U.

Hãy nêu một số vận dụng khác khi ứng dụng các đồng vị phóng xạ vào thực 

Lời giải chi tiết:

Ứng dụng nghiên cứu bản chất của vật chất:

Các máy gia tốc làm tăng năng lượng (động năng) dòng hạt proton, electron, … lên rất cao. Dòng hạt này khi va chạm và hạt nhân (thậm chí với các hạt tạo nên hạt nhân) nào đó sẽ phá vỡ chúng thành nhiều hạt nhỏ hơn, giúp các nhà khoa học có thêm thông tin về thành phần và bản chất của vật chất.