Phản ứng phân hạch là gì? Phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển - Vật lý 12 bài 38

17:34:2222/11/2019

Như các em đã biết, năng lượng của các phản ứng hạt nhân đã tạo nên một nguồn năng lượng mới cho nhân loại. Phản ứng phân hạch là một trong những phản ứng hạt nhân được khai thác và sử dụng cho việc đó.

Vậy phản ứng phân hạch là gì? cần điều kiện gì để xảy ra phản ứng phân hạch? phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra như thế nào? chúng ta cùng tìm hiểu qua nội dung bài viết này.

I. Cơ chế của phản ứng phân hạch

1. Phản ứng phân hạch là gì?

- Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân trung bình (kèm theo một vài nơron phát ra).

2. Phản ứng phân hạch kích thích

- Để có phản ứng phân hạch xảy ra phải cho một nơron bắn vào hạt nhân X, đưa hạt nhân X lên trạng thái kích thích từ đó bị vỡ thành hai hạt nhân trung bình kèm theo một vài nơron phát ra.

Sơ đồ phản ứng phân hạch

II. Năng lượng phân hạch

- Xét các phản ứng phân hạch:

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{92}^{236} extrm{U}^{*}$ $small ightarrow _{39}^{95} extrm{Y}+_{53}^{138} extrm{I}+3_{0}^{1} extrm{n}$

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{92}^{236} extrm{U}^{*}$ $small ightarrow _{38}^{95} extrm{Xe}+_{39}^{95} extrm{Sr}+2_{0}^{1} extrm{n}$

1. Phản ứng phân hạch toả năng lượng

- Phản ứng phân hạch Urani $small _{92}^{235} extrm{U}$ là phản ứng phân hạch tỏa năng lượng, năng lượng đó gọi là năng lượng phân hạch

- Mỗi phân hạch $small _{92}^{235} extrm{U}$ tỏa năng lượng xấp xỉ 210MeV.

2. Phản ứng phân hạch dây chuyền

• Giả sử sau mỗi phân hạch có k nơtron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân khác tạo nên những phân hạch mới. Sau n lần phân hạch, số nơtron giải phóng là và kích thích phân hạch mới.

- Khi k < 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh.

- Khi k = 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lượng phát ra không đổi.

- Khi k > 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lượng phát ra tăng nhanh, có thể gây nên bùng nổ.

• Để khối lượng của chất phân hạch phải đạt đến một đạt đến một giá trị tối thiểu nào đó gọi là khối lượng tới hạn.

3. Phản ứng phân hạch có điều khiển

- Được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng trường hợp k = 1.

- Dùng các thanh điều khiển có chứa bo hay cađimi hấp thụ các nơron thừa để đảm bảo k = 1. Nhiên liệu phân hạch trong các lò phản ứng thường là ²³⁵U (urani 235) hay ²³⁹Pu (plutoni 239).

III. Bài tập phản ứng phân hạch.

* Bài 1 trang 198 SGK Vật Lý 12: So sánh quá trình phóng xạ α và quá trình phân hạch.

° Lời giải bài 1 trang 198 SGK Vật Lý 12:

◊ So sánh quá trình phân rã và quá trình phân hạch:

◊ Giống nhau: quá trình phân rã α và quá trình phân hạch đều tỏa năng lượng

◊ Khác nhau:

- Quá trình phóng xạ α là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững còn quá trình phân hạch tự phát xảy ra với xác suất rất nhỏ, đa số là các phản ứng phân hạch kích thích.

- Các phản ứng phân hạch khác với phóng xạ các hạt tạo ra từ phản ứng phân hạch có cùng một cỡ khối lượng.

- Phân rã α phóng ra hạt α, còn trong quá trình phân hạch hạt phóng ra là nơtron

- Năng lượng tạo ra từ phản ứng phân hạch rất lớn so với năng lượng phóng xạ.

- Phản ứng phân hoạch có thể tạo ra phản ứng dây chuyền còn sự phóng xạ α không thể tạo ra phản ứng dây chuyền.

* Bài 2 trang 198 SGK Vật Lý 12: Căn cứ vào độ lớn của W_lk/A chứng tỏ rằng, quá trình phân hạch thường chỉ xảy ra đối với các hạt nhân có số nuclon lớn hơn hay bằng 200.

° Lời giải bài 2 trang 198 SGK Vật Lý 12:

- Vì trong quá trình phân hạch, hạt nhân bị phân hạch sẽ vỡ ra và tạo thành hai hạt nhân có số khối trung bình đồng thời tỏa năng lượng, nên năng lượng liên kết riêng sẽ là: W_lk/A sau (có số khối vào cỡ 100) sẽ lớn hơn năng lượng liên kết riêng W_lk/A trước.

- Do vậy muốn xảy ra loại phản ứng này thì hạt nhân tham gia phản ứng phải có số nuclôn lớn hơn hoặc bằng 200.

* Bài 3 trang 198 SGK Vật Lý 12: Chọn đáp án đúng. Phần năng lượng giải phóng trong phân hạch là

A. động năng của các nơtron phát ra.

B. động năng các mảnh.

C. năng lượng tỏa ra do phóng xạ của các mảnh.

D. năng lượng các photon của tia γ

° Lời giải bài 3 trang 198 SGK Vật Lý 12:

◊ Chọn đáp án: B.động năng các mảnh.

- Phần lớn năng lượng giải phóng trong phân hạch là động năng của các mảnh.

* Bài 4 trang 198 SGK Vật Lý 12: Hoàn chỉnh các phản ứng:

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{39}^{94} extrm{Y}+_{?}^{140} extrm{I}+x(_{0}^{1} extrm{n})$

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{?}^{95} extrm{Zn}+_{52}^{138} extrm{Te}+x(_{0}^{1} extrm{n})$

° Lời giải bài 4 trang 198 SGK Vật Lý 12:

◊ Xét phản ứng: $small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{39}^{94} extrm{Y}+_{?}^{140} extrm{I}+x(_{0}^{1} extrm{n})$

- Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 0 + 92 = 39 + Z → Z = 53

- Áp dụng định luật bảo toàn số nuclon: 1 + 235 = 94 + 140 + 1X → X = 2

⇒ Phương trình phản ứng phân hạch đầy đủ:

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{39}^{94} extrm{Y}+_{53}^{140} extrm{I}+2left ( _{0}^{1} extrm{n} ight )$

◊ Xét phản ứng: $small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{?}^{95} extrm{Zn}+_{52}^{138} extrm{Te}+x(_{0}^{1} extrm{n})$

- Áp dụng định luật bảo toàn điện tích: 0 + 92 = Z + 52 → Z = 40

- Áp dụng định luật bảo toàn số nuclon: 1 + 235 = 95 + 138 + x ⇒ x = 3

⇒ Phương trình phản ứng phân hạch đầy đủ:

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{40}^{95} extrm{Zn}+_{52}^{138} extrm{Te}+3left ( _{0}^{1} extrm{n} ight )$

* Bài 5 trang 198 SGK Vật Lý 12: Xét phản ứng phân hạch:

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{5}^{139} extrm{I}+_{39}^{94} extrm{Y}+3left ( _{0}^{1} extrm{n} ight )+gamma$

Tính năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân ²³⁵U

Cho biết: ²³⁵U = 234,99332u; ¹³⁹I = 138,89700u; ⁹⁴γ = 93,89014u

° Lời giải bài 5 trang 198 SGK Vật Lý 12:

◊ Từ phản ứng phân hạch:

$small _{0}^{1} extrm{n}+_{92}^{235} extrm{U} ightarrow _{5}^{139} extrm{I}+_{39}^{94} extrm{Y}+3left ( _{0}^{1} extrm{n} ight )+gamma$

- Ta có khối lượng của các hạt nhân trên là:

m_n = 1,00866u; m_U = 234,99332u; m_I = 138,89700u; m_γ = 93,89014u

- Mặt khác ta có, năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân ²³⁵U là:

W = [m_trước - m_sau]c²

- Mà tổng khối lượng các hạt trước tương tác là:

m_trước = m_n + m_U = 1,00866u + 234,99332u = 236,00198u

- Tổng khối lượng các hạt sau tương tác là:

m_sau = m_I + m_Y + 3m_n = 138,89700u + 93,89014u + 3. 1,00866u = 235,81312u

⇒ W = [m_trước - m_sau]c² = [236,00198u - 235,81312u]c²

= 0,18886uc² = 0,18886.931,5 = 175,923(MeV).

- Kết luận: Năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân ²³⁵U là 175,923(MeV).

* Bài 6 trang 198 SGK Vật Lý 12: Tính năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 kg ²³⁵U. Cho rằng mỗi phân hạch tỏa ra năng lượng 200MeV.

° Lời giải bài 6 trang 198 SGK Vật Lý 12:

- Số nguyên tử ²³⁵U có trong 1kg ²³⁵U (= 1000g ²³⁵U) là:

$small N=frac{n}{A}.N_{A}=frac{10^{3}}{235}.6,023.10^{23}$ $small =25,6298.10^{23}$ (nguyên tử).

(Số Avogadro: N_A = 6,023.10²³)

- Theo bài ra, năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân ²³⁵U là 200MeV nên năng lượng tỏa ra khi phân hạch N nguyên tử ²³⁵U là:

W = N.200 = 25,6298.10²³.200 = 51,2596.10²⁵ (MeV) = 51,2596.10²⁵.1,6.10^-13(J) = 82,015.10¹²(J).

Hy vọng với bài viết Phản ứng phân hạch là gì? Phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển 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