Giải Vật Lí 12 Bài 39: Phản ứng Nhiệt Hạch

[toc:ul]

I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

I. Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch:

1. Phản ứng nhiệt hạch:

• Là phản ứng trong đó hai hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

2. Điều kiện thực hiện:

• Nhiệt độ cao ( 50 ÷ 100 triệu độ ).
• Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.
• Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao ( 100 triệu độ ) phải đủ lớn.

II. Năng lượng nhiệt hạch:

• Năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch được gọi là năng lượng nhiệt hạch.

III. Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất:

• Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu việt không gây ô nhiễm ( sạch ) và nguyên liệu dồi dào sẽ là nguồn năng lượng của thế kỉ XXI.

II. GIẢI BÀI TẬP

Hướng dẫn trả lời các câu hỏi giữa bài.

Giải câu 1: Hãy tìm ra kết quả này dựa vào các số...

Hãy tìm ra kết quả này dựa vào các số liệu cho bảng ở cuối sách.

Bài giải:

$_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{3}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}$

Khối lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 hạt nhân$\alpha$là:

mD = 2,01345u; mT = 3,0155u; mα = 4,0015u; mn = 1,00866u.

W = ( mD + mT - mα - mn ).c2 = ( 2,01345u + 3,0155u - 4,0015u - 1,00866u).c2

= 0,01879.c2 = 0,1879.1,66055.10-27.9.1016 = 0,2808.10-11J

=$\frac{0,2808.10^{-11}}{1,6.10^{-19}}eV$= 0,1755.108eV = 17,55MeV

Hướng dẫn trả lời các câu hỏi cuối bài

Giải câu 1: Hãy nêu lên các điều kiện để phản ứng...

Hãy nêu lên các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra.

Bài 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 đô phải đủ lớn.

Giải câu 2: So sánh ( định tính ) phản ứng nhiệt...

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 phản thực hiện;

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

d) ô nhiễm môi trường.

Bài giải:

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

Giải câu 3: Trên một số sao người ta tìm thấy các...

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.

1.$_{6}^{12}\textrm{C}+?\rightarrow _{7}^{13}\textrm{N}$

2.$_{7}^{13}\textrm{N}\rightarrow _{6}^{13}\textrm{C}+?$

3.$_{6}^{13}\textrm{C}+?\rightarrow _{7}^{14}\textrm{N}$

4.$_{7}^{14}\textrm{N}+?\rightarrow _{8}^{15}\textrm{O}$

5.$_{8}^{15}\textrm{O}\rightarrow _{7}^{15}\textrm{N}+?$

6.$_{7}^{15}\textrm{N}+_{1}^{1}\textrm{H}\rightarrow _{6}^{12}\textrm{C}+?$

Bài giải:

Gọi ? cần tìm là: $_{Z}^{A}\textrm{X}$

Định luật bảo toàn điện tích:

Z1 + Z2 = Z3 + Z4.

Định luật bảo toàn số nuclôn:

A1 + A2 = A3 + A4.

1.$_{6}^{12}\textrm{C}+?\rightarrow _{7}^{13}\textrm{N}$

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số nuclon:

12 + A = 13 ⇒ A = 1

6 + Z = 7 ⇒ Z = 1

Vậy$_{Z}^{A}\textrm{X}$là$_{1}^{1}\textrm{H}$

2.$_{7}^{13}\textrm{N}\rightarrow _{6}^{13}\textrm{C}+?$

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số nuclon:

13 = 13 + A ⇒ A = 0

7 = 6 + Z ⇒ Z = 1

Vậy$_{Z}^{A}\textrm{X}$là$_{1}^{0}\textrm{e}$

3.$_{6}^{13}\textrm{C}+?\rightarrow _{7}^{14}\textrm{N}$

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số nuclon:

13 + A = 14 ⇒ A =1

6 + Z = 7 ⇒ Z = 1

Vậy$_{Z}^{A}\textrm{X}$là$_{1}^{1}\textrm{H}$

4.$_{7}^{14}\textrm{N}+?\rightarrow _{8}^{15}\textrm{O}$

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số nuclon:

14 + A = 15 ⇒ A = 1

7 + Z =8 ⇒ Z = 1

Vậy$_{Z}^{A}\textrm{X}$là$_{1}^{1}\textrm{H}$

5.$_{8}^{15}\textrm{O}\rightarrow _{7}^{15}\textrm{N}+?$

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số nuclon:

15 = 15 + A ⇒ A = 0

8 = 7 + Z ⇒ Z = 1

Vậy$_{Z}^{A}\textrm{X}$là$_{1}^{0}\textrm{e}$

6.$_{7}^{15}\textrm{N}+_{1}^{1}\textrm{H}\rightarrow _{6}^{12}\textrm{C}+?$

Áp dụng định luật bảo toàn điện tích và số nuclon:

15 + 1 = 12 + A ⇒ A = 4

7 + 1 = 6 + Z ⇒ Z = 2

Vậy$_{Z}^{A}\textrm{X}$là$_{2}^{4}\textrm{He}$

Giải câu 4: Xét phản ứng...

Xét phản ứng

$_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{3}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}$

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:

$_{1}^{2}\textrm{H}=2,0135u$

$_{2}^{3}\textrm{He}=3,0149u$

$_{0}^{1}\textrm{n}=1,0087u$

Bài giải:

Năng lượng tỏa ra khi đốt 1kg than là 30 000kJ.

Xét phản ứng:

$_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{3}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}$

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 = 3,4.10-3.931,5MeV = 3,1671 MeV

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

b) Mỗi phản ứng cần 2 hạt$_{1}^{2}\textrm{H}$ và cho ra một hạt$_{2}^{3}\textrm{H}$

Đốt 1kg than cho 3.107J tương đương với năng lượng tỏa ra bởi N hạt$_{2}^{3}\textrm{H}$

N=$\frac{3.10^{7}}{5,07.10^{-13}}$=5,917.1019 hạt

Mỗi phản ứng cần 2 hạt$_{1}^{2}\textrm{H}$:

Khối lượng Dơteri tổng cộng phải cần đến là:

M=$\frac{(2N).A}{N_{A}}=\frac{2.5,917.10^{19}.2}{6,023.10^{23}}=3,93.10^{-4}g=3,93.10^{-7}kg$