Phản ứng nhiệt hạch là gì? Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch - Vật lý 12 bài 39

09:38:5706/08/2020

Ở bài học trước các em đã biết một dạng phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng quan trọng, đó là phản ứng phân hạch (phản ứng vỡ hạt nhân). Trong bài học này, chúng ta cùng xét dạng phản ứng hạt nhân theo một quá trình ngược lại, đó là phản ứng nhiệt hạch (phản ứng tổng hợp hạt nhân).

Vậy phản ứng nhiệt hạch là gì? cơ chế của phản ứng nhiệt hạch ra sao? điều kiện để thực hiện phản ứng nhiệt hạch như thế nào? Đặc trưng của phản ứng nhiệt hạch là gì và phản ứng nhiệt hạch có ứng dụng gì? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch

1. Phản ứng nhiệt hạch là gì?

- Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

* Ví dụ điển hình: $small _{1}^{2} extrm{H}+_{1}^{3} extrm{H} ightarrow _{2}^{4} extrm{He}+_{0}^{1} extrm{n}$

- Năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng trên là: W_tỏa = 17,6 MeV/1hạt nhân.

2. Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch

- Phải biến đổi hỗn hợp nhiên liệu chuyển sang trạng thái plasma tạo bởi các hạt nhân và các electron tự do.

- Phải đưa nhiệt độ của trạng thái plasma lên rất cao (nhiệt độ cao khoảng 100 triệu độ).

- Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn

- Thời gian duy trì trạng thái plasma ( small au ) ở nhiệt độ cao (100 triệu độ) phải đủ lớn.

II. Năng lượng nhiệt hạch

- Năng lượng toả ra bởi các phản ứng nhiệt hạch được gọi là năng lượng nhiệt hạch.

- Người ta chủ yếu quan tâm đến các phản ứng trong đó các hạt nhân hiđrô tổng hợp thành hạt nhân hêli.

$small _{1}^{1} extrm{H}+_{1}^{3} extrm{H} ightarrow _{2}^{4} extrm{He}$

$small _{1}^{2} extrm{H}+_{1}^{2} extrm{H} ightarrow _{2}^{4} extrm{He}$

$small _{1}^{2} extrm{H}+_{1}^{3} extrm{H} ightarrow _{2}^{4} extrm{He}+_{0}^{1} extrm{n}$

- Các phép tính cho thấy rằng: Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 g heli gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 g urani, gấp 85 lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1 tấn than.

III. Phản ứng nhiệt hạch trên trái đất

1. Trên Trái Đất, loài người đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H và đang nghiên cứu tạo ra phản ứng nhiệt hạch có điều khiển.

2. Phản ứng nhiện hạch có điều khiển

• Hiện nay, các trung tâm nghiên cứu đều sử dụng đến phản ứng:

$small _{1}^{2} extrm{H}+_{1}^{3} extrm{H} ightarrow _{2}^{4} extrm{H}+_{0}^{1} extrm{n}+17,6MeV$

• Phản ứng này dễ thực hiện một cách đơn lẻ như sau: cho triti ở thể khí bay bám vào một tấm đồng; các hạt nhân đơteri được gia tốc đến 2 MeV đập vào tấm bia ấy. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với dấu hiệu là sự phát ra hạt nơtron năng lượng xác định 14,1 MeV.

• Muốn tạo ra phản ứng nhiệt hạch cho các hạt nhân $small _{1}^{2} extrm{H}$ và $small _{1}^{3} extrm{H}$ thì phải tiến hành hai việc:

a) Đưa tốc độ các hạt lên rất lớn bằng 3 cách sau:

- Đưa nhiệt độ lên cao;

- Dùng các máy gia tốc;

- Dùng chùm laze cực mạnh.

b) "Giam hãm" các hạt nhân đó trong một phạm vi không gian nhỏ hẹp để chúng có thể gặp nhau (trong khoảng thời gian đủ lớn theo tiêu chuẩn Lo-xơn) và gây ra phản ứng nhiệt hạch.

• Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao.

• Những ưu việt của năng lượng nhiệt hạch:

- Năng lượng toả ra trong phản ứng nhiệt hạch rất lớn.

- Nguồn nhiên liệu nhiệt hạch có trong thiên nhiên dồi dào gần như là vô tận.

- Chất thải từ phản ứng nhiệt hạch không làm ô nhiễm môi trường.

IV. Bài tập về phản ứng nhiệt hạch

* Bài 1 trang 203 SGK Vật Lý 12: Hãy nêu lên các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra.

° Lời giải:

• Điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra là:

- Nhiệt độ cao khoảng 100 triệu độ

- Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.

- Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải đủ lớn.

* Bài 2 trang 203 SGK Vật Lý 12: So sánh (định tính) phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch về các đặc điểm:

a) nhiên liệu phản ứng

b) điều kiện thực hiện

c) năng lượng tỏa ra ứng với cùng một khối lượng nhiên liệu

d) ô nhiễm môi trường.

° Lời giải:

• So sánh (định tính) phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch

* Với phản ứng nhiệt hạch ta thấy:

a) Nhiên liệu cho phản ứng dồi dào, Deteri có sẵn trong thiên nhiên, tức dễ dàng điều chế.

b) Điều kiện thực hiện khó khăn hơn: nhiệt độ rất cao.

c) Năng lượng tỏa ra với cùng một khối lượng nhiên liệu thì lớn hơn: năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1g heli gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1g Urani.

d) Ô nhiễm môi trường tái sản phẩm cuối cùng của phản ứng nhiệt hạch không có tính phóng xạ nên không gây ô nhiễm mỗi trường.

* Bài 3 trang 203 SGK Vật Lý 12: Trên một số sao người ta tìm thấy các hạt nhân cacbon có vai trò xuất phát điểm của một chuỗi phản ứng tổng hợp (được gọi là chu trình CNO). Hãy hoàn chỉnh các phản ứng đó.

$small 1.: _{6}^{12} extrm{C}+: ? ightarrow : _{7}^{13} extrm{N}$

$small 2.: _{7}^{13} extrm{N} ightarrow : _{6}^{13} extrm{C}+: ?$

$small 3.: _{6}^{13} extrm{C}+: ? ightarrow : _{7}^{14} extrm{N}$

$small 4.: _{7}^{14} extrm{N}+: ? ightarrow : _{8}^{15} extrm{O}$

$small 5.: _{8}^{15} extrm{O}: ightarrow : _{7}^{15} extrm{N}: +: ?$

$small 6.: _{7}^{15} extrm{N}+: _{1}^{1} extrm{H}: ightarrow : _{6}^{12} extrm{C}: +: ?$

° Lời giải:

• Các loại phản ứng tổng hợp:

$small dpi{100} small 1.: _{6}^{12} extrm{C}+: _{1}^{1} extrm{H} ightarrow : _{7}^{13} extrm{N}$

$small 2.: _{7}^{13} extrm{N} ightarrow : _{6}^{13} extrm{C}+: _{1}^{0} extrm{e}$

$small 3.: _{6}^{13} extrm{C}+: _{1}^{1} extrm{H} ightarrow : _{7}^{14} extrm{N}$

$small 4.: _{7}^{14} extrm{N}+: _{1}^{1} extrm{H} ightarrow : _{8}^{15} extrm{O}$

$small 5.: _{8}^{15} extrm{O}: ightarrow : _{7}^{15} extrm{N}: +: _{1}^{0} extrm{e}$

$small 6.: _{7}^{15} extrm{N}+: _{1}^{1} extrm{H}: ightarrow : _{6}^{12} extrm{C}: +: _{2}^{4} extrm{He}$

* Bài 4 trang 203 SGK Vật Lý 12: Xét phản ứng: $small _{1}^{2} extrm{H}+_{1}^{2} extrm{H} ightarrow _{2}^{3} extrm{He}+_{0}^{1} extrm{n}$

a) Xác định năng lượng tỏa ra bởi phản ứng đó (tính ra MeV và ra J)

b) Tính khối lượng đơteri cần thiết để có thể thu được năng lượng nhiệt hạch tương đương với năng lượng tỏa ra khi đốt 1 kg than.

Cho biết: $small _{1}^{2} extrm{H}=2,0135u;: _{2}^{3} extrm{He}=3,0149u;: _{0}^{1} extrm{n}=1,0087u;$

Năng lượng tỏa ra khi đốt 1 kg than là 30000kJ.

° Lời giải:

a) Năng lượng tỏa ra:

W_tỏa = (m_H + m_H - m_He – m_n).c² = (2,0135u + 2,0135u - 3,0149u - 1,0087u).c²

W_tỏa = 3,4.10^-3.u.c² = 3,4.10^-3.931,5MeV = 3,1671 MeV

W_tỏa= 3,1671.1,6.10^-13 J = 5,07.10^-13 (J)

b) Mỗi phản ứng cần 2 hạt $small _{1}^{2} extrm{H}$ và cho ra 1 hạt $small _{2}^{3} extrm{He}$ .

- Đốt 1 kg than cho năng lượng là: E = 3.10⁷J tương đương với năng lượng tỏa ra bởi N hạt $small _{2}^{3} extrm{He}$ phản ứng (cần hết 2N hạt $small _{1}^{2} extrm{H}$ )

$small N=frac{3.10^7}{5,07.10^{-13}}=5,917.10^{19}$ (hạt)

- Mỗi phản ứng cần 2 hạt nhân $small _{1}^{2} extrm{H}$ ⇒ số hạt $small _{1}^{2} extrm{H}$ tổng cộng cần dùng là:

N_H = 2N = 2.5,917.10¹⁹ = 1,1834.10²⁰.

⇒ Khối lượng hạt nhân $small _{1}^{2} extrm{H}$ tổng cộng cần dùng là:

$small m_{H}=frac{N_{H}.A}{N_{A}}=frac{1,1834.10^{20}.2}{6,02.10^{23}}=3,93.10^{-4}(g)$

(*Lưu ý: Công thức liên hệ giữa khối lượng và số hạt: $small N=frac{m}{A}.N_ARightarrow m=frac{N.A}{N_{A}}$ trong đó: A: Số khối; N_A số Avogadro; N: số hạt, m: khối lượng).

→ Với nội dung về phản ứng nhiệt hạch, cơ chế của phản ứng nhiệt hạch các em cần nhớ được điều kiện của phản ứng nhiệt hạch, đặc trưng của phản ứng nhiệt hạch là cần điều kiện nhiệt độ rất lớn (100 triệu độ).

Hy vọng với bài viết Phản ứng nhiệt hạch là gì? Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch ở trên giúp ích cho các em. Mọi góp ý và thắc mắc các em vui lòng để lại bình luận dưới bài viết để HayHocHoi.Vn ghi nhận và hỗ trợ, chúc các em học tập tốt

¤ Xem thêm các bài viết khác tại:

» Muc lục SGK Hóa học 12 Lý thuyết và Bài tập

» Mục lục SGK Vật lý 12 Lý thuyết và Bài tập