PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH

BÀI 38. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH

I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Phản ứng phân hạch

+ Khái niệm: Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn (kèm theo một vài nơtron phát ra). Các hạt tạo ra có cùng cỡ khối lượng.

• Hai mảnh vỡ ra gọi là sản phẩm phân hạch hay “mảnh vỡ” của phân hạch.
• Phản ứng phân hạch tự phát cũng có thể xảy ra nhưng ở xác suất rất nhỏ.

+ Cơ chế của phản ứng phân hạch

• Để phản ứng có thể xảy ra được thì phải truyền cho hạt nhân mẹ X một năng lượng đủ lớn (giá trị tối thiểu của năng lượng này gọi là năng lượng kích hoạt).
• Cách đơn giản nhất để truyền năng lượng kích hoạt cho hạt nhân mẹ X là cho một nơtron bắn vào X để X bắt (hoặc hấp thụ) nơtron đó và chuyển sang trạng thái kích thích. Trạng thái này không bền và kết quả xảy ra phân hạch theo sơ đồ

Như vậy quá trình phân hạch của hạt nhân X không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích.

+ Đặc điểm

• Sau mỗi phản ứng phân hạch đều có hơn 2 nơtron chậm được sinh ra.
• Phản ứng phân hạch tỏa năng lượng lớn, khoảng 200 MeV.

2. Phản ứng dây chuyền

+ Các nơtron tạo thành sau phân hạch có động năng lớn (nơtron nhanh) thường bị 238U hấp thụ hết hoặc thoát ra ngoài khối Urani. Nếu chúng được làm chậm lại thì có thể gây ra sự phân hạch tiếp theo cho các hạt 235U khác khiến cho sự phân hạch trở thành phản ứng dây chuyền.

+ Trên thực tế không phải mọi nơtron sinh ra đều có thể gây ra sự phân hạch (vì có nhiều nơ tron bị mất mát do bị hấp thụ bởi các tạp chất trong nhiên liệu, bị 238U hấp thụ mà không gây nên phân hạch, hoặc bay ra ngoài khối nhiên liệu...). Vì vậy muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét đến số nơtron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch.

Gọi k là số nơtron còn lại sau phân hạch tiếp tục được 235U hấp thụ.

• Nếu k > 1: số phân hạch tăng lên rất nhanh với tốc độ k1, k2, k3…Phản ứng dây chuyền trở thành thác lũ không thể không chế. Hệ thống gọi là vượt hạn. Đây chính là cơ chế nổ của bom nguyên tử.
• Nếu k < 1: Phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Hệ thống gọi là dưới hạn.
• Nếu k = 1: Phản ứng dây chuyền có thể khống chế. Hệ thống gọi là tới hạn. Đây chính là cơ chế hoạt động của nhà máy điện nguyên tử.

⇒ Muốn k ≥ 1 thì khối lượng Urani hoặc Plutoni phải đạt đến một trị số tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn mth

⇒ Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra là k ≥ 1 và m > mth.

3. Phản ứng phân hạch có điều khiển

• Phản ứng phân hạch có điều khiển được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng với trường hợp k = 1.
• Để đảm bảo cho k = 1, người ta dùng những thanh điều khiển chứa bo hay cađimi, là các chất có tác dụng hấp thụ nơtron (khi số nơtron trong lò tăng lên quá nhiều thì người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nhiên liệu để hấp thụ số nơtron thừa).
• Năng lượng tỏa ra từ lò phản ứng không đổi theo thời gian.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Xác định năng lượng phân hạch

+ Năng lượng toàn phần do 1 phân hạch: ΔE = (Σmtrước – Σmsau).c2 > 0

• Năng lượng toàn phần do N phân hạch: Q = N.∆E
• Đối với trường hợp phân hạch 235U, số phân hạch bằng số hạt 235U.

\(N=\frac{m\,(kg)}{0,235\,(kg)}\cdot {{N}_{A}}\Rightarrow Q=\frac{m\,\,(kg)}{0,235\,\,(kg)}{{N}_{A}}.\Delta E\)

• Nếu hiệu suất của quá trình sử dụng năng lượng là H thì năng lượng có ích và công suất có ích lần lượt là:

\(\begin{array}{*{20}{l}} {A = H.Q = H \cdot \frac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}} \cdot {N_A}.\Delta E}\\ {P = \frac{A}{t} = \frac{1}{t} \cdot H \cdot \frac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}} \cdot {N_A} \cdot \Delta E} \end{array}\)

III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 195 SGK Vật lí 12):

Quá trình phóng xạ α có phải là phân hạch hay không?

Trả lời:

Quá trình phóng xạ α không phải là sự phân hạch vì hai mảnh vỡ có khối lượng khác nhau nhiều.

Câu C2 (trang 195 SGK Vật lí 12):

Tại sao không dùng prôtôn thay cho nơtron?

Trả lời:

Ta dùng nơtron bắn vào hạt nhân X để hạt nhân X chuyển sang một trạng thái kích thích X*. Ta không dung prôtôn thay cho nơtron vì prôtôn mang điện tích dương sẽ chịu tác dụng của lực đẩy do các hạt nhân tác dụng.

Bài 1 (trang 198 SGK Vật Lí 12):

So sánh quá trình phóng xạ α và quá trình phân hạch.

Lời giải:

Bài 2 (trang 198 SGK Vật Lí 12):

Căn cứ vào độ lớn của \(\frac{{{\text{W}}_{lk}}}{A}\) chứng tỏ rằng, quá trình phân hạch thường chỉ xảy ra đối với các hạt nhân có số nuclôn lớn hơn hay bằng 200.

Lời giải:

Giả sử xét phản ứng phân hạch

\({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{5}^{139}I+{}_{38}^{95}S\text{r}+\text{2}{}_{0}^{1}n\)

Nhận thấy các hạt sinh ra có số khối xấp xỉ trong khoảng 50 đến 100 thì năng lượng liên kết riêng \(\frac{{{\text{W}}_{lk}}}{A}\) sẽ lớn hơn \(\frac{{{\text{W}}_{lk}}}{A}\) của các hạt trước phản ứng (có số khối lớn hơn 200).

Bài 3 (trang 198 SGK Vật Lí 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 phôtôn của tia γ.

Lời giải: Chọn B.

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

Bài 4 (trang 198 SGK Vật Lí 12):

Hoàn chỉnh các phản ứng:

\({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{39}^{94}Y+{}_{?}^{140}I+x\left( {}_{0}^{1}n \right)\)

\({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{?}^{95}Zn+{}_{52}^{138}Te+x\left( {}_{0}^{1}n \right)\)

Lời giải:

a) \({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{39}^{94}Y+{}_{Z}^{140}I+x\left( {}_{0}^{1}n \right)\)

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

Áp dụng định luật bảo toàn số nuclôn: 1 + 235 = 94 + 140 + 1.x ⇒ x = 2

Phương trình hoàn chỉnh là: \({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{39}^{94}Y+{}_{53}^{140}I+2\left( {}_{0}^{1}n \right)\)

b) \({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{Z}^{95}Zn+{}_{52}^{138}Te+x\left( {}_{0}^{1}n \right)\)

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

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

Phương trình hoàn chỉnh là: \({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{40}^{95}Zn+{}_{52}^{138}Te+3\left( {}_{0}^{1}n \right)\)

Bài 5 (trang 198 SGK Vật Lí 12):

Xét phản ứng phân hạch:

\({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{5}^{139}I+{}_{39}^{94}Y+\text{3}{}_{0}^{1}n+\gamma\)

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:

Phản ứng phân hạch: \({}_{0}^{1}n+{}_{92}^{235}U\to {}_{5}^{139}I+{}_{39}^{94}Y+\text{3}{}_{0}^{1}n+\gamma\)

Ta có khối lượng của các hạt nhân trên là:

mn = 1,00866u; mU = 234,99332u; mI = 138,89700u; mγ = 93,89014u

Tổng khối lượng các hạt trước tương tác là: M0 = mn + mU

Tổng khối lượng các hạt nhân sau tương tác là: M = mI + mY + 3mn

Năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân 235U là:

W = (M0 – M)c2 = [mn + mU – (mI + mY + 3mn)].c2

= (234,99332u + 1,00866u – 138,89700u – 93,89014u – 3. 1,00866u).c2

= 0,18886u.c2 = 0,18886. 931,5 MeV = 175,923 MeV.

Bài 6 (trang 198 SGK Vật Lí 12):

Tính năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 kg 235U. Cho rằng mỗi phân hạch tỏa ra năng lượng 200 MeV.

Lời giải:

Số nguyên tử 235U có trong 1 kg 235U là:

\(\text{N}=\frac{\text{m}}{\text{A}}\cdot {{\text{N}}_{\text{A}}}=\frac{{{10}^{3}}}{235}\cdot 6,{{02.10}^{23}}=2,{{5617.10}^{24}}\) nguyên tử.

Vì năng lượng tỏa ra khi phân hạch một hạt nhân là 200 MeV nên năng lượng tỏa ra khi phân hạch N nguyên tử là:

W = N.200 = 2,5617.1024.200 = 5,1234.1026 MeV = 8,197.1013 J.

Hy vọng bài giảng "Phản ứng phân hạch" giúp các em hiểu rõ lý thuyết và biết vận dụng làm bài tập phản ứng phân hạch một cách thành thạo.