BÀI 39. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Phản ứng nhiệt hạch
+ Khái niệm: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
- Thường chỉ xét các hạt nhân có số khối A ≤ 10.
- Ví dụ: \(_{1}^{2}H+\,_{1}^{3}H\to \,_{2}^{4}He+\,_{0}^{1}n\ +\ 17,6\ MeV\)
+ Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch
- Nhiệt độ cao khoảng từ 50 triệu độ tới 100 triệu độ (để hỗn hợp nhiên liệu chuyển sang trạng thái plasma)
- 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.
2. Năng lượng nhiệt hạch
- Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao.
- Nhiên liệu nhiệt hạch là vô tận trong thiên nhiên: đó là đơteri, triti rất nhiều trong nước sông và biển.
- Người ta chủ yếu quan tâm đến các phản ứng trong đó các hạt nhân hiđrô tổng hợp thành hạt nhân heli.
\(\begin{array}{l} _1^1H + \,_1^3H \to \,_2^4He\\ _1^2H + \,_1^2H \to \,_2^4He\\ _1^2H + \,_1^3H \to \,_2^4He + \,_0^1n \end{array}\)
- Về mặt sinh thái, phản ứng nhiệt hạch sạch hơn so với phản ứng phân hạch vì không có bức xạ hay cặn bã phóng xạ làm ô nhiễm môi trường.
- Tuy một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch nhưng nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn.
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Xác định năng lượng phản ứng nhiệt hạch
+ Năng lượng toàn phần do 1 nhiệt hạch: ΔE = (Σmtrước – Σmsau).c2 > 0
- Năng lượng toàn phần do N phản ứng: Q = N.∆E
- Nếu cứ 1 phản ứng có k hạt X thì số phản ứng \(N=\frac{{{N}_{X}}}{k}=\frac{1}{k}\frac{{{m}_{X}}}{{{A}_{X}}}{{N}_{A}}\)
Dạng 2. Bức xạ năng lượng của Mặt Trời, các sao
+ Nếu trong thời gian t, khối lượng Mặt Trời giảm do bức xạ là m thì năng lượng bức xạ toàn phần và công suất bức xạ toàn phần lần lượt là:
\(E=m{{c}^{2}};P=\frac{E}{t}=\frac{m{{c}^{2}}}{t}\Rightarrow m=\frac{P.t}{{{c}^{2}}}\)
+ Phần trăm khối lượng bị giảm sau thời gian t là: \(H=\frac{m}{M}\) với M là khối lượng của mặt trời
III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 200 SGK Vật lí 12):
Trong phản ứng nhiệt hạch sau: \(_{1}^{2}H+\,_{1}^{3}H\to \,_{2}^{4}He+\,_{0}^{1}n\)
Phản ứng trên đây tỏa năng lượng Wtỏa = 17,6 MeV/1 hạt nhân.
Hãy tìm ra kết quả này dựa vào các số liệu cho trong bảng ở cuối sách (SGK)
Trả lời:
Từ bảng số liệu ở cuối sách ta có: mD = 2,01400u; mT = 3,01605u; ma = 4,0026u; mn = 1,00866u.
Năng lượng tỏa ra của phản ứng là:
W = (mD + mT - ma - mn).c2 = (2,01400 + 3,01605 - 4,0026 - 1,00866).uc2 = 0,01879uc2
= 0,01879.931,5 MeV = 17,5 MeV.
Bài 1 (trang 203 SGK Vật Lí 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 Lí 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, Đơteri 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 Lí 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.
\(\begin{array}{l} 1.\,\,_6^{12}C + ? \to \,_7^{13}N\\ 2.\,\,_7^{13}N \to \,_6^{13}C\, + ?\\ 3.\,\,_6^{13}C + ? \to \,_7^{14}N \end{array}\) \(\begin{array}{l} 4.\,\,_7^{14}N + ? \to \,_8^{15}O\\ 2.\,\,_8^{15}O \to \,_7^{15}N\, + ?\\ 3.\,\,_7^{15}N + {}_1^1H \to \,_6^{12}C\, + ? \end{array}\)
Lời giải:
Hoàn thành các phản ứng:
\(\begin{array}{l} 1.\,\,_6^{12}C + {}_1^1H \to \,_7^{13}N\\ 2.\,\,_7^{13}N \to \,_6^{13}C\, + {}_1^0e\\ 3.\,\,_6^{13}C + {}_1^1H \to \,_7^{14}N \end{array}\) \(\begin{array}{l} 4.\,\,_7^{14}N + {}_1^1H \to \,_8^{15}O\\ 2.\,\,_8^{15}O \to \,_7^{15}N\, + {}_1^0e\\ 3.\,\,_7^{15}N + {}_1^1H \to \,_6^{12}C\, + {}_2^4He \end{array}\)
Bài 4 (trang 203 SGK Vật Lí 12):
Xét phản ứng: \(_{1}^{2}H+\,_{1}^{2}H\to \,_{2}^{3}He+\,_{0}^{1}n\)
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:
\(\begin{array}{l} _1^2H = 2,0135u\\ _2^3He = 3,0149u\\ _0^1n = 1,0087u \end{array}\)
Lời giải:
a) Năng lượng tỏa ra:
W = (mH + mH – mHe – mn).c2 = (2,0135u + 2,0135u – 3,0149u – 1,0087u).c2
= 3,4.10-3.u.c2 = 3,4.10-3.931,5 MeV = 3,1671 MeV
= 3,1671.1,6.10-13 J = 5,07.10-13 (J)
b) Mỗi phản ứng cần 2 hạt \(_{1}^{2}H\) và 1 hạt \(_{2}^{3}He \)
Đốt 1 kg than cho năng lượng là: E = 3.107 J tương đương với năng lượng tỏa ra bởi N phản ứng (cần hết 2N hạt \(_{1}^{2}H)\)
\(\Rightarrow N=\frac{{{3.10}^{7}}}{5,{{07.10}^{-13}}}=5,{{917.10}^{9}}\) hạt.
Khối lượng đơteri tổng cộng phải cần đến là:
\(\text{m}=\frac{(2\text{N}).\text{A}}{{{\text{N}}_{\text{A}}}}=\frac{2.5,{{917.10}^{19}}\cdot 2}{6,{{02.10}^{23}}}=3,{{93.10}^{-4}}~\text{g}=3,{{93.10}^{-7}} kg\) đơteri.
Hy vọng bài giảng "Phản ứng nhiệt hạch" đã trang bị cho các những kiến thức hữu ích của chương trình Vật lý lớp 12.