Lý Thuyết Phản ứng Nhiệt Hạch (mới 2022 + Bài Tập) - Vật Lí 12

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

Bài giảng Vật lí 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

1. Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch

a. Phản ứng nhiệt hạch là gì?

− Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ ( A≤10 ) hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

Ví dụ: 12H+13H→24He+01n .

Phản ứng trên toả năng lượng Qtỏa = 17,6MeV

b. Điều kiện thực hiện

- Nhiệt độ phải tăng lên đến cỡ trăm triệu độ.

- Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.

- Thời gian duy trì trạng thái plasma (τ ) phải đủ lớn.

2. Năng lượng nhiệt hạch

- Năng lượng toả ra bởi các phản ứng nhiệt hạch được gọi là năng lượng nhiệt hạch.

- 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.

- Thực tế chỉ quan tâm đến phản ứng trong đó các hạt nhân hiđrô tổng hợp thành hạt nhân hêli

11H+13H→24He;  12H+12He→24He

12H+13H→24He+01n

- Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 (g) heli gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 (g) urani, gấp 85 lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1 tấn than.

3. Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất

a. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

Con người đã tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân khi thử bom H. Quá trình nổ của quả bom H xảy ra như sau: Thuốc nổ TNT phát hoả đẩy hai khối uranium chập lại đạt khối lượng tới hạn, tức làm phát nổ quả bom A và đưa nhiệt độ lên hàng chục triệu độ, đủ gây phản ứng nhiệt hạch tức thời cho toàn khối deuterium và tritium. Đây chính là phản ứng nổ tổng hợp nhiệt hạch không điều khiển trong quả bom khinh khí..

b. Phản ứng tổng hợp hạt nhân có điều khiển

- Hiện nay đã sử dụng đến phản ứng:12H+13H→24He+01n+17,6MeV

- Cần tiến hành 2 việc:

+ Đưa tốc độ các hạt lên rất lớn: bằng các cách đưa nhiệt độ lên cao, hoặc dùng máy gia tốc, hoặc dùng chùm laze cực mạnh.

+ “Giam hãm” các hạt nhân đó trong một phạm vi nhỏ hẹp để chúng có thể gặp nhau, bằng các cách: đựng trong một hòn bi thủy tinh đường kính và rọi vào đó chùm tia laze cực mạnh hoặc giam hãm bằng bẫy từ.

Chú ý: Phóng xạ, phân hạch và nhiệt hạch là các phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

Trắc nghiệm Vật lí 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

Câu 1: Phản ứng nhiệt hạch là sự

A. phân chia một hạt nhân nhẹ thành hai hạt nhân nhẹ hơn kèm theo sự toả nhiệt.

B. kết hợp hai hạt nhân có số khối trung bình thành một hạt nhân rất nặng ở nhiệt độ rất cao.

C. phân chia một hạt nhân rất nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn.

D. kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn trong điều kiện nhiệt độ rất cao.

Hiển thị đáp án

Đáp án: D

Giải thích:

Phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn trong điều kiện nhiệt độ rất cao.

Câu 2: Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng hạt nhân

A. có thể xảy ra ở nhiệt độ thường.

B. cần một nhiệt độ rất cao mới thực hiện được.

C. hấp thụ một nhiệt lượng lớn.

D. trong đó hạt nhân của các nguyên tử bị nung chảy thành các nuclôn.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành hạt nhân nặng hơn. Các phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng 50 đến 100 triệu độ vì chỉ ở nhiệt độ cao các hạt nhân nhẹ mới thu được động năng đủ lớn thắng được lực đẩy Culong tiến lại gần nhau đến mức lực hạt nhân tác dụng kết hợp chúng lại.

Câu 3:Tìm kết luận sai khi nói về phản ứng nhiệt hạch. Phản ứng nhiệt hạch

A. tỏa ra năng lượng lớn.

B. tạo ra chất thải thân thiện với môi trường.

C. xảy ra khi có khối lượng vượt khối lượng tới hạn.

D. xảy ra ở nhiệt độ cao (từ chục đến trăm triệu độ).

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở nhiệt độ rất cao, tỏa ra năng lượng lớn, tạo ra các chất thải thân thiện với môi trường.

Câu 4: Chọn câu sai khi nói về phản ứng nhiệt hạch.

A. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng toả năng lượng.

B. Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao.

C. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở nhiệt độ cao nên gọi là phản ứng thu năng lượng.

D. Phản ứng nhiệt hạch con người chưa thể kiểm soát được.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở nhiệt độ cao và là phản ứng tỏa năng lượng.

Hiện nay con người đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H, và đang nghiên cứu tạo ra các phản ứng nhiệt hạch có điều khiển. Tức là con người vẫn chưa thể kiểm soát được.

Câu 5: Điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra là

A. các hạt nhân nhẹ ban đầu phải ở trong điều kiện nhiệt độ rất cao.

B. số n trung bình sinh ra phải lớn hơn 1.

C. ban đầu phải có 1 nơtron chậm.

D. phải thực hiện phản ứng trong lòng mặt trời hoặc trong lòng các ngôi sao.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

A – đúng vì điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch là các hạt nhân nhẹ ban đầu phải ở trong điều kiện nhiệt độ rất cao.

B, C – sai vì phản ứng nhiệt hạch không dùng đến nơtron.

D – sai vì con người đã tạo được ra được phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất.

Câu 6: Chọn đáp án câu sai khi nói về phản ứng phân hạch, nhiệt hạch?

A. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn.

B. Phản ứng chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao (hàng trăm triệu độ) nên gọi là phản ứng nhiệt hạch.

C. Xét năng lượng toả ra trên một đơn vị khối lượng thì phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng lớn hơn nhiều phản ứng phân hạch.

D. Một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng nhiều hơn một phản ứng phân hạch.

Hiển thị đáp án

Đáp án: D

Giải thích:

Một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch. Còn xét trên một đơn vị khối lượng thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn phản ứng phân hạch. Do nguồn nhiên liệu của phản ứng nhiệt hạch là các hạt nhân rất nhẹ.

Câu 7: Chọn đáp án câu sai.

A. Nguồn gốc năng lượng mặt trời và các vì sao là do chuỗi liên tiếp các phản ứng nhiệt hạch xảy ra.

B. Trên trái đất con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch: trong quả bom gọi là bom H; trong các nhà máy điện nguyên tử.

C. Nguồn nhiên liệu để thực hiện phản ứng nhiệt hạch rất dễ kiếm, vì đó là đơteri và triti có sẵn trong nước biển.

D. Phản ứng nhiệt hạch có ưu điểm lớn là bảo vệ môi trường tốt vì chất thải sạch, không gây ô nhiễm môi trường.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

Trên trái đất con người đã vô tình tạo ra được phản ứng nhiệt hạch trong quả bom khinh khí H. Trong nhà máy điện nguyên tử là phản ứng phân hạch có điều khiển.

Câu 8: Phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch là hai phản ứng hạt nhân trái ngược nhau vì

A. một phản ứng toả, một phản ứng thu năng lượng.

B. một phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp, phản ứng kia xảy ra ở nhiệt độ cao.

C. một phản ứng là tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, phản ứng kia là sự phá vỡ một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹ hơn.

D. một phản ứng diễn biến chậm, phản kia rất nhanh.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch là hai phản ứng hạt nhân trái ngược nhau vì một phản ứng là tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, phản ứng kia là sự phá vỡ một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹ hơn. Cả hai phản ứng đều tỏa năng lượng.

Câu 9: Phản ứng nhiệt hạch là

A. phản ứng hạt nhân thu năng lượng.

B. phản ứng kết hợp hai hạt nhân có khối lượng trung bình thành một hạt nhân nặng.

C. nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời.

D. sự tách hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ nhờ nhiệt độ cao.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tỏa năng lượng, là sự kết hợp giữa hai hạt nhân có khối lượng nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn. Có nguồn gốc từ năng lượng Mặt Trời.

Câu 10: Tìm phát biểu sai về phản ứng nhiệt hạch:

A. Là sự kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn cũng toả ra năng lượng.

B. Mỗi phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng bé hơn một phản ứng phân hạch, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng nhiều hơn.

C. Phản ứng kết hợp toả ra năng lượng nhiều, làm nóng môi trường xung quanh nên gọi là phản ứng nhiệt hạch.

D. Bom H là ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch nhưng dưới dạng phản ứng nhiệt hạch không kiểm soát được.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

A – đúng vì phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tạo thành một hạt nhân nặng.Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng toả năng lượng.

B - đúng

C – sai vì không phải cứ phản ứng kết hợp tỏa năng lượng sẽ được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

D – đúng

Câu 11: Phát biểu nào sai khi nói về phản ứng hạt nhân?

A. Phản ứng phân hạch là phản ứng hạt nhân tạo ra hai hạt nhân nhẹ hơn, có tính phóng xạ.

B. Khi hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron vỡ thành 2 hạt nhân trung bình và toả năng lượng lớn.

C. Khi hai hạt nhân rất nhẹ kết hợp với nhau thành hạt nhân nặng hơn toả năng lượng.

D. Phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch đều toả năng lượng.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

A – sai vì phản ứng phân hạch không có tính phóng xạ.

B – đúng vì đây là phản ứng phân hạch.

C – đúng vì đây là phản ứng nhiệt hạch.

D – đúng.

Câu 12: Do sự phát bức xạ nên mỗi ngày khối lượng Mặt Trời giảm một lượng 3,744.1014 kg. Biết vận tốc ánh sáng trong chân không là 3.108 m/s. Công suất bức xạ trung bình của Mặt Trời bằng:

A. 6,9.1015 MW.

B. 3,9.1020 MW.

C. 5,9.1010 MW.

D. 4,9.1040 MW.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

Năng lượng bức xạ mỗi ngày của Mặt Trời:

E=mc2=3,744.1014.3.1082=3,3696.1031J

Công suất trung bình của mặt trời:

P=Et=E86400=3,9.1026=3,9.1020MW.

Câu 13: Mặt trời có khối lượng 2.1030 kg và công suất bức xạ 3,8.1026 W. Nếu công suất bức xạ không đổi thì sau 1 tỉ năm nữa khối lượng mặt trời giảm đi bao nhiêu phần trăm so với khối lượng hiện nay. Lấy 1 năm = 365 ngày.

A. 0,07%.

B. 0,005%.

C. 0,05%.

D. 0,007%.

Hiển thị đáp án

Đáp án: D

Giải thích:

Công suất bức xạ của Mặt Trời trong thời gian t là:

P=ΔEt⇒ΔE=P.t

Mỗi giây mặt trời giảm đi một phần năng lượng do bức xạ là:

ΔE=Δmc2

⇒Δm=ΔEc2=P.tc2=3,8.1026.13.1082=4,2.109kg/s

Sau 109 năm =3,15.1016sgiảm đi 1,32.1026kg

⇒Tỉ lệ giảm đi là Δmm=1,32.10262.1030.100%≈0,007%.

Câu 14:Trong phản ứng tổng hợp Hêli: L37i+H11→H24e+H24eBiết mLi = 7,0144u; mH = 1,0073u; mHe = 4,0015u,1u = 931,5MeV/c2. Nhiệt dung riêng của nước là c = 4,19 kJ/kg.K. Nếu tổng hợp Hêli từ 1 (g) liti thì năng lượng toả ra có thể đun sôi một nước ở 00C là:

A. 4,25.105 kg.

B. 5,7.105 kg.

C. 7,25. 105 kg.

D. 9,1.105 kg.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

+ Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp Hetừ một hạt nhân Li là

ΔW=mLi+mH−2.mHec2=17,41905 MeV

+ Xét 1 g Li có số hạt nhân Li là:

N=mLiMLi.NA=17.6,02.1023=8,6.1022

+ Mỗi hạt nhân Li tham gia 1 phản ứng, năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1g Heli:

W=ΔW.N=1,5.1024MeV=2,39.1011J

+ Năng lượng tỏa ra dùng để đun sôi nước nên W = Q.

Ta có Q=mcΔt=W⇔m.4,19.103.100−0=2,39.1011

⇒m=5,7.105kg

Câu 15: Cho phản ứng H13+H12→H24e+n12+17,6MeV.Lấy số Avogadro NA=6,022.1023mol−1,  1 MeV=1,6.10−13J. Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 1 g khí Heli xấp xỉ bằng

A. 4,24.108J.

B. 4,24.105 J.

C. 5,03.1011J.

D. 4,24.1011J.

Hiển thị đáp án

Đáp án: D

Giải thích:

Mỗi phản ứng sinh ra một He nên số phản ứng bằng số hạt He:

N=NHe=mHeAHeNA=14.6,02.1023=1,505.1023

Một phản ứng tỏa ra 17,6 MeV nên với N phản ứng thì năng lượng tỏa ra là

W=N.ΔE=1,505.1023.17,6.1,6.10−13≈4,24.1011 J.

Câu 16: Cho phản ứng H13+H12→H24e+n12+17,6MeV.Lấy số Avogadro NA=6,022.1023mol−1,  1 MeV=1,6.10−13J. Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp được 100 g khí Heli xấp xỉ bằng

A. 4,24.108J.

B. 4,24.105J.

C. 5,03.1011J.

D. 4,24.1011J.

Hiển thị đáp án

Đáp án: D

Giải thích:

Mỗi phản ứng sinh ra một He nên số phản ứng bằng số hạt He:

N=NHe=mHeAHeNA=1004.6,02.1023=1,505.1025

Một phản ứng tỏa ra 17,6 MeV nên với N phản ứng thì năng lượng tỏa ra là

W=N.ΔE=1,505.1025.17,6.1,6.10−13≈4,24.1013 J.

Câu 17: Cho phản ứng hạt nhân D + D  →  T  +  p  +  5,8.10−13J. Nước trong tự nhiên chứa 0,015 % nước nặng D2O. Cho biết khối lượng mol của D2Obằng 20 g/mol; số Avôgadrô NA=6,02.1023. Nếu dùng toàn bộ D có trong 1 kg nước để làm nhiên liệu cho phản ứng trên thì năng lượng thu được bằng

A. 2,6.109 J.

B. 2,7.109 J.

C. 2,5.109 J.

D. 5,2.109 J.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Khối lượng D2Othực tế có trong 1 kg nước:

mD2O=mnuoc.0,015%=0,15 g

Số phản ứng bằng một nửa số hạt D:

N=12ND=12.2ND2O=mD2O20.NA

Thay số: N=0,1520.6,02.1023=4,51.1021

Năng lượng tỏa ra: W=NΔE=4,51.1021.5,8.10−13≈2,6.109 J.

Câu 18: Do sự phát bức xạ nên mỗi ngày (86400 s) khối lượng Mặt Trời giảm một lượng nào đó. Biết tốc độ ánh sáng trong chân không là 3.108m/s. Công suất bức xạ (phát xạ) trung bình của mặt trời bằng 3,9.1020MW. Hỏi mỗi ngày Mặt Trời có khối lượng giảm bao nhiêu kg?

A. 3,744.1014 kg.

B. 3,744.1011 kg.

C. 3,744.1010 kg.

D. 3,744.1015 kg.

Hiển thị đáp án

Đáp án: A

Giải thích:

Công suất bức xạ trung bình của mặt trời là

P=Et=mc2t⇒m=P.tc2

Thay số: m=3,9.1020.106.864003.1082=3,744.1014kg

Câu 19: Mặt trời có khối lượng 2.1030 kgvà công suất bức xạ3,9.1026 W. Nếu công suất bức xạ không đổi thì sau bao lâu khối lượng giảm đi 0,01%? Xem 1 năm có 365 ngày.

A. 0,85 tỉ năm.

B. 1,46 tỉ năm.

C. 1,54 tỉ năm.

D. 2,12 tỉ năm.

Hiển thị đáp án

Đáp án: B

Giải thích:

Ta có: Δmm=0,01%⇒Δm=0,01%m

P=ΔEt=Δm.c2t=0,01%.mc2t

⇒t=0,01%mc2P=0,01%.2.1030.3.10823,9.1026

⇒t=4,6.1016 s=1,46.109năm.

Câu 20: Năng lượng tỏa ra của 10 g nhiên liệu trong phản ứng H12 + 13H → 24He + 01 n+17,6​ MeVlà E1và của 10 g nhiên liệu trong phản ứng n01  + 92235 U  →  54139 Xe  +3895 Sr+ 201 n +210 MeVlà E2.Ta có

A. E1>E2.

B. E1=12E2.

C. E1=4E2.

D. E1=E2.

Hiển thị đáp án

Đáp án: C

Giải thích:

+ Phản ứng thứ nhất trong 2 g H12và 3 g H13có NA hạt nhân H13và NA hạt nhân H13

Tức là trong trong 5 g nhiên liệu có NA phản ứng.

Do đó số phản ứng trong 10 g nhiên liệu là 2NA

⇒E1=2NA.17,6 MeV (*)

+ Trong phản ứng thứ hai có thể bỏ qua khối lượng n01. Trong 235 g nhiên liệu có NAhạt nhân U92235tức có NA phản ứng.

Do đó số phản ứng xảy ra trong 10 g nhiên liệu là 10NA235

⇒E2=10.NA235.210 MeV

⇒E1E2=2NA.17,610NA235.210=3,939≈4⇒E1=4E2.

Xem thêm các bài tổng hợp lý thuyết Vật lí lớp 12 đầy đủ, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 34: Sơ lược về laze

Lý thuyết Bài 35: Tính chất và cấu tạo hạt nhân

Lý thuyết Bài 36: Năng lượng liên kết của hạt nhân. Phản ứng hạt nhân (

Lý thuyết Bài 37: Phóng xạ

Lý thuyết Bài 38: Phản ứng hạt nhân