Phản ứng hạt nhân: Khái niệm, ứng dụng và bài tập áp dụng

Phản ứng hạt nhân là một quá trình quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta hãy cùng yeuhoahoc.edu.vn tìm hiểu về phản ứng hạt nhân, các định luật bảo toàn liên quan, ứng dụng của nó, cũng như năng lượng được giải phóng trong các phản ứng này.

1. Phản ứng Hạt Nhân là gì?

Phản ứng hạt nhân là quá trình trong đó các hạt nhân nguyên tử tương tác và tạo ra các sản phẩm mới cùng với việc giải phóng năng lượng. Có hai loại phản ứng chính: phản ứng hạt nhân chia (fission) và phản ứng hạt nhân hợp nhất (fusion). Trong phản ứng chia, một hạt nhân nặng bị chia thành các hạt nhân con nhẹ hơn, trong khi trong phản ứng hợp nhất, hai hạt nhân kết hợp để tạo ra một hạt nhân lớn hơn.

Định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng:

${}_{\mathrm{Z}1}{}^{\mathrm{A}1}\mathrm{A}+{}_{\mathrm{Z}2}{}^{\mathrm{A}2}\mathrm{B}\to {}_{\mathrm{Z}3}{}^{\mathrm{A}3}\mathrm{X}+{}_{\mathrm{Z}4}{}^{\mathrm{A}4}\mathrm{Y}$

 (Z có thể âm hoặc bằng 0)

Trong phản ứng hạt nhân, có 4 định luật bảo toàn được tuân thủ:

Định luật bảo toàn điện tích

Tổng điện tích của các hạt nhân trước phản ứng bằng tổng điện tích của các hạt nhân sau phản ứng.

Z1 + Z2 = Z3 + Z4

Định luật bảo toàn số nuclon (bảo toàn số A)

Tổng số nuclôn (số proton + số neutron) trước phản ứng bằng tổng số nuclon sau phản ứng.

A1 + A2 = A3 + A4 (A0

$\ge$

)

Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần

Tổng năng lượng toàn phần (bao gồm năng lượng nghỉ, năng lượng động, năng lượng liên kết hạt nhân) trước phản ứng bằng tổng năng lượng toàn phần sau phản ứng.

${\mathrm{K}}_{\mathrm{A}}+{\mathrm{K}}_{\mathrm{B}}+({\mathrm{m}}_{\mathrm{A}}+{\mathrm{m}}_{\mathrm{B}}){\mathrm{c}}^2={\mathrm{K}}_{\mathrm{X}}+{\mathrm{K}}_{\mathrm{Y}}+({\mathrm{m}}_{\mathrm{X}}+{\mathrm{m}}_{\mathrm{Y}}){\mathrm{c}}^2+{\mathrm{E}}_{\mathrm{Y}}$ $$\begin{gathered} \mathrm{Trong} \mathrm{đó}, \mathrm{K} \mathrm{là} \mathrm{động} \mathrm{năng} \mathrm{của} \mathrm{hạt} \mathrm{và} \mathrm{E\gamma } \mathrm{là} \mathrm{năng} \mathrm{lượng} \mathrm{của} \mathrm{tia} \mathrm{gamma}. \\ \mathrm{Khi} \mathrm{xem} \mathrm{xét} \mathrm{về} \mathrm{độ} \mathrm{lớn} \mathrm{của} \mathrm{động} \mathrm{lượng}, \mathrm{ta} \mathrm{có} \mathrm{công} \mathrm{thức}: \\ \mathrm{P}=\mathrm{mv}\Rightarrow {\mathrm{P}}^2={\mathrm{m}}^2{\mathrm{v}}^2=2\mathrm{m}\cdot \frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=2\mathrm{mK}\Rightarrow \mathrm{P}=\sqrt{2\mathrm{mK}} \\ \mathrm{Cần} \mathrm{lưu} \mathrm{ý} \mathrm{rằng}, \mathrm{năng} \mathrm{lượng} \mathrm{của} \mathrm{tia} \mathrm{gamma} \mathrm{thường} \mathrm{được} \mathrm{bỏ} \mathrm{qua} \mathrm{trong} \mathrm{các} \mathrm{phản} \mathrm{ứng} \mathrm{hạt} \mathrm{nhân}. \\ \mathrm{Khi} \mathrm{khối} \mathrm{lượng} \mathrm{hạt} \mathrm{nhân} \mathrm{được} \mathrm{bảo} \mathrm{toàn} \mathrm{chính} \mathrm{xác}, \\ \mathrm{ta} \mathrm{có}: \mathrm{KA}+\mathrm{KB}=\mathrm{KX}+\mathrm{KY}+\mathrm{E\gamma } \\ \mathrm{Điều} \mathrm{này} \mathrm{cho} \mathrm{thấy} \mathrm{trong} \mathrm{phản} \mathrm{ứng} \mathrm{hạt} \mathrm{nhân}, \mathrm{không} \mathrm{có} \mathrm{sự} \mathrm{bảo} \mathrm{toàn} \mathrm{về} \mathrm{số} \mathrm{proton}, \mathrm{số} \mathrm{neutron} \\ \mathrm{và} \mathrm{khối} \mathrm{lượng} \mathrm{của} \mathrm{hạt} \mathrm{nhân}. \end{gathered}$$

Định luật bảo toàn động lượng

Tổng động lượng của các hạt nhân trước phản ứng bằng tổng động lượng của các hạt nhân sau phản ứng.

$\overrightarrow{{\mathrm{P}}_{\mathrm{A}}}+\overrightarrow{{\mathrm{P}}_{\mathrm{B}}}=\overrightarrow{{\mathrm{P}}_{\mathrm{X}}}+\overrightarrow{{\mathrm{P}}_{\mathrm{Y}}}\iff {\mathrm{m}}_{\mathrm{A}}\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{\mathrm{A}}}+{\mathrm{m}}_{\mathrm{B}}\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{\mathrm{B}}}={\mathrm{m}}_{\mathrm{X}}\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{\mathrm{X}}}+{\mathrm{m}}_{\mathrm{Y}}\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{\mathrm{Y}}}$

Lưu ý:

• Định luật bảo toàn khối lượng không được tuân thủ trong phản ứng hạt nhân vì một phần năng lượng được giải phóng dưới dạng năng lượng liên kết hạt nhân.
• Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng hạt nhân.

Ví dụ:

Phản ứng:                       14N+2He4→16O+1H1

Bảo toàn điện tích:             +7+2(+2)=+8++1

Bảo toàn số nuclon:             14+2(4)=16+1

Bảo toàn năng lượng:            

$(14.003074\mathrm{u}+2(4.002603\mathrm{u}\left)\right){\mathrm{c}}^2=(15.994915\mathrm{u}+1.007825\mathrm{u}){\mathrm{c}}^{2 }+\mathrm{Q}$

Bảo toàn động lượng: 

$(14.003074\mathrm{u}\cdot {\mathrm{v}}_1+2(4.002603\mathrm{u})\cdot {\mathrm{v}}_2)=(15.994915\mathrm{u}\cdot {\mathrm{v}}_3+1.007825\mathrm{u}\cdot {\mathrm{v}}_4)$

Ứng dụng của phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, bao gồm:

1. Năng lượng hạt nhân

• Phản ứng phân hạch hạt nhân được sử dụng để tạo ra năng lượng trong các nhà máy điện hạt nhân.
• Phản ứng nhiệt hạch đang được nghiên cứu để phát triển nguồn năng lượng dồi dào và an toàn trong tương lai.

2. Y học

• Chụp X-quang và chụp PET sử dụng tia X và tia gamma để chẩn đoán bệnh.
• Xạ trị là việc áp dụng tia gamma để phá hủy tế bào ung thư.
• Kỹ thuật đồng vị phóng xạ được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh.

3. Nông nghiệp

• Kỹ thuật đột biến gen bằng tia xạ được sử dụng để tạo ra các giống cây trồng mới có năng suất cao và khả năng chống chịu sâu bệnh tốt hơn.
• Kỹ thuật chiếu xạ thực phẩm giúp bảo quản thực phẩm lâu hơn.

4. Công nghiệp

• Kỹ thuật đo lường bằng đồng vị phóng xạ được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm.
• Kỹ thuật đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ được sử dụng để theo dõi quá trình sản xuất.

5. Khảo cổ học

• Kỹ thuật xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ được sử dụng để xác định tuổi của các di vật khảo cổ.

Ngoài ra, phản ứng hạt nhân còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như khoa học vật liệu, khoa học môi trường, v.v.

Lưu ý:

• Việc sử dụng phản ứng hạt nhân cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo an toàn cho con người và môi trường.
• Tai nạn hạt nhân có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.

Năng lượng phản ứng hạt nhân

Năng lượng phản ứng hạt nhân là năng lượng được giải phóng từ phản ứng hạt nhân. Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử, trong đó một hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử kết hợp hoặc phân rã thành các hạt nhân khác, kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng.

Có hai loại phản ứng hạt nhân chính:

1. Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là quá trình một hạt nhân nguyên tử nặng (như uranium-235) bị phân rã thành hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hơn (như krypton-92 và bari-141), kèm theo giải phóng năng lượng. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt và ánh sáng.

${}^{235}\mathrm{U}+\mathrm{n}\to { }^{92}\mathrm{Kr}+ {}^{141}\mathrm{Ba}+3\mathrm{n}+\mathrm{Q}$

2. Phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình hai hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử nhẹ (như deuterium và tritium) kết hợp thành một hạt nhân nguyên tử nặng hơn (như helium), kèm theo giải phóng năng lượng. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt và ánh sáng.

Năng lượng phản ứng hạt nhân có nhiều ưu điểm

• Hiệu suất cao: Năng lượng phản ứng hạt nhân cao hơn nhiều so với năng lượng từ các nhiên liệu hóa thạch.
• Ít khí thải: Phản ứng phân hạch không tạo ra khí thải nhà kính.
• Nguồn nhiên liệu dồi dào: Uranium, nguyên liệu chính cho phản ứng phân hạch, là một nguyên liệu tương đối dồi dào trên Trái đất.

Tuy nhiên, năng lượng phản ứng hạt nhân cũng có một số nhược điểm

• Tai nạn hạt nhân: Tai nạn hạt nhân có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng cho con người và môi trường.
• Chất thải hạt nhân: Chất thải hạt nhân có tính phóng xạ cao và cần được xử lý an toàn.
• Chi phí cao: Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy điện hạt nhân cao.

Năng lượng phản ứng hạt nhân là một nguồn năng lượng tiềm năng cho tương lai. Tuy nhiên, cần phải giải quyết các vấn đề về an toàn và chất thải hạt nhân trước khi nó có thể được sử dụng rộng rãi.

Cách viết phương trình phản ứng hạt nhân

• Cân bằng số hiệu nguyên tử (Z): Tổng số hiệu nguyên tử (số proton) của các hạt nhân trước phản ứng bằng tổng số hiệu nguyên tử của các hạt nhân sau phản ứng.
• Cân bằng số khối (A): Tổng số khối (tổng số proton và neutron) của các hạt nhân trước phản ứng bằng tổng số khối của các hạt nhân sau phản ứng.
• Ghi chú các hạt nhân tham gia và sản phẩm:
  • Hạt nhân tham gia được viết bên trái phương trình.
  • Hạt nhân sản phẩm được viết bên phải phương trình.
  • Ghi chú ký hiệu và số lượng của mỗi hạt nhân.
• Cân bằng năng lượng:
  • Năng lượng được giải phóng trong phản ứng được viết dưới dạng năng lượng liên kết hạt nhân.
  • Năng lượng được hấp thụ trong phản ứng được viết dưới dạng năng lượng kích thích.

Ví dụ:

Phản ứng phân hạch:

${}^{235}\mathrm{U}+\mathrm{n}\to { }^{92}\mathrm{Kr}+ {}^{141}\mathrm{Ba}+3\mathrm{n}+\mathrm{Q}$

• Cân bằng số hiệu nguyên tử: 92 + 0 = 36 + 56
• Cân bằng số khối: 235 + 1 = 92 + 141 + 3
• Năng lượng: Q là năng lượng được giải phóng

Phản ứng nhiệt hạch:

2 H + 3 H → 4 He + n + Q

• Cân bằng số hiệu nguyên tử: 1 + 1 = 2 + 0
• Cân bằng số khối: 2 + 3 = 4 + 1
• Năng lượng: Q là năng lượng được giải phóng

Bài tập phản ứng hạt nhân

Dưới đây là một số dạng bài tập thường gặp về phản ứng hạt nhân và cách giải:

Dạng 1: Viết phương trình phản ứng

Cách giải:

• Cân bằng số hiệu nguyên tử (Z): Tổng số hiệu nguyên tử (số proton) của các hạt nhân trước phản ứng bằng tổng số hiệu nguyên tử của các hạt nhân sau phản ứng.
• Cân bằng số khối (A): Tổng số khối (tổng số proton và neutron) của các hạt nhân trước phản ứng bằng tổng số khối của các hạt nhân sau phản ứng.
• Ghi chú các hạt nhân tham gia và sản phẩm:
  • Hạt nhân tham gia được viết bên trái phương trình.
  • Hạt nhân sản phẩm được viết bên phải phương trình.
  • Ghi chú ký hiệu và số lượng của mỗi hạt nhân.

Ví dụ:

Viết phương trình phản ứng hạt nhân sau:

• Hạt nhân alpha bắn vào hạt nhân Beryllium-9, tạo ra hạt nhân Carbon-12 và neutron.

Giải:

• Cân bằng số hiệu nguyên tử: 2 + 0 = 6 + 0
• Cân bằng số khối: 4 + 9 = 12 + 1
• Phương trình phản ứng:

4 He + 9 Be → 6 C + n

Dạng 2: Đo lượng năng lượng được tạo ra trong phản ứng hạt nhân

Cách giải:

• Sử dụng công thức:

Năng lượng = Khối lượng hụt x Năng lượng liên kết hạt nhân

• Khối lượng hụt:

Khối lượng hụt = (Tổng khối lượng các hạt nhân ban đầu) – (Khối lượng hạt nhân mới)

• Năng lượng liên kết hạt nhân:

Năng lượng liên kết hạt nhân = (Năng lượng liên kết trung bình của hạt nhân mới) x (Số hạt nhân mới)

Ví dụ:

Tính năng lượng giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch D-D:

2 H 1→3 Anh 1+ n

Khối lượng hụt:

Khối lượng hụt = (2 x 1.007825 u) – (3.016049 u) = 0.004572 u

Năng lượng liên kết hạt nhân:

Năng lượng liên kết hạt nhân = (2.823 MeV/u) x 1 = 2.823 MeV

Năng lượng:

Năng lượng =

$0.004572\mathrm{ux}931.5\mathrm{MeV}/{\mathrm{u}}^2=4.263\mathrm{MeV}$

= 4.263 MeV

Vậy, năng lượng giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch D-D là 4.263 MeV.

Dạng 3: Tính số hạt nhân mới được tạo thành từ phản ứng hạt nhân

Cách giải:

• Sử dụng công thức:

Số hạt nhân mới = (Số hạt nhân ban đầu) x (Hiệu suất phản ứng)

Ví dụ:

Tính số hạt nhân He4 được tạo thành từ phản ứng nhiệt hạch D-T:

1000 hạtnhânD + 1000 hạtnhânT → 2000 hạtnhânHe4 + n

Hiệu suất phản ứng = 50%

Số hạt nhân He4:

Số hạt nhân He4 = 2000 hạt nhân x 50% = 1000 hạt nhân

Vậy, số hạt nhân He4 được tạo thành từ phản ứng nhiệt hạch D-T là 1000 hạt nhân.

Dạng 4: Giải quyết các vấn đề có liên quan đến việc áp dụng phản ứng hạt nhân.

Cách giải:

• Xác định các thông tin cần thiết cho bài toán.
• Lựa chọn công thức phù hợp để giải bài toán.
• Giải bài toán và đưa ra kết quả.

Ví dụ:

Một lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng phản ứng D-T để tạo ra năng lượng. Lò phản ứng cần 1 kg nhiên liệu D-T mỗi ngày. Biết rằng hiệu suất phản ứng là 50%, năng lượng giải phóng từ phản ứng là 17.6 MeV. Tính lượng điện năng mà lò phản ứng có thể tạo ra mỗi ngày.

Giải:

• Khối lượng He4 được tạo thành mỗi ngày:

Khối lượng He4 = 1 kg x 50% = 0.5 kg