Giải SBT Vật lý 12 Cánh diều Bài 2: Năng lượng hạt nhân có đáp án
19 câu hỏi
Phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Hạt nhân có số khối càng lớn thì càng bền vững.
B. Hạt nhân nào có năng lượng liên kết lớn hơn thì bền vững hơn.
C. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
D. Trong các hạt nhân đồng vị, hạt nhân nào có số khối càng lớn càng kém bền vững.
Đáp án đúng là C
Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân.
Năng lượng liên kết riêng của một hạt nhân được tính bằng
A. tích giữa năng lượng liên kết của hạt nhân với số nucleon của hạt nhân ấy.
B. tích giữa độ hụt khối của hạt nhân với bình phương tốc độ ánh sáng trong chân không.
C. thương số giữa khối lượng hạt nhân với bình phương tốc độ ánh sáng trong chân không.
D. thương số giữa năng lượng liên kết của hạt nhân với số nucleon của hạt nhân ấy.
Đáp án đúng là D
Hạt nhân có độ hụt khối càng lớn thì có
A. năng lượng liên kết riêng càng nhỏ.
B. năng lượng liên kết càng lớn.
C. năng lượng liên kết càng nhỏ.
D. năng lượng liên kết riêng càng lớn.
Đáp án đúng là B
Năng lượng liên kết E = △mc2.
Phát biểu nào sau đây về phản ứng nhiệt hạch là sai?
A. Phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp hai hay nhiều hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn.
B. Một trong các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra là nhiệt độ của nhiên liệu phải rất cao.
C. Tên gọi phản ứng nhiệt hạch là do nó toả ra năng lượng nhiệt rất lớn, làm nóng môi trường xung quanh lên.
D. Năng lượng nhiệt hạch không phụ thuộc vào năng lượng cung cấp để phản ứng xảy ra.
Đáp án đúng là C
Trong các phát biểu sau đây, phát biểu nào đúng, phát biểu nào sai?
a) Hạt nhân có năng lượng liên kết càng lớn thì càng bền vững.
b) Hai hạt nhân đồng vị có số neutron khác nhau nên có khối lượng khác nhau.
c) Trong phản ứng phân hạch, một hạt nhân có số khối trung bình hấp thụ một neutron chậm rồi vỡ ra thành các hạt nhân có số khối nhỏ.
d) Khối lượng của một hạt nhân luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành nó.
a) Sai. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.
b) Đúng.
c) Sai. Trong phản ứng phân hạch, một hạt nhân có số khối lớn hấp thụ một neutron chậm rồi vỡ ra thành các hạt nhân có số khối nhỏ hơn.
d) Đúng.
Hạt nhân 92235U hấp thụ một neutron nhiệt rồi vỡ ra thành hai hạt nhân 95X và 55137Cs kèm theo giải phóng một số hạt neutron mới. Biết rằng tổng khối lượng các hạt trước phản ứng lớn hơn tổng khối lượng các hạt sau phản ứng là 0,181 u. Trong các phát biểu sau đây, phát biểu nào đúng, phát biểu nào sai?
a) Đây là quá trình nhiệt hạch do toả ra năng lượng nhiệt rất lớn.
b) Hạt nhân X là rubidium 3795Rb.
c) Quá trình này giải phóng kèm theo ba hạt neutron mới.
d) Năng lượng toả ra sau phản ứng là 201 MeV.
a) Sai. Đây là quá trình phân hạch. 92235U+01n→55137Cs+3795X+401n
b) Đúng. Sử dụng định luật bảo toàn số khối, bảo toàn điện tích.
c) Sai. 92235U+01n→55137Cs+3795X+401n
d) Sai. E=Δmc2=0,181.931,5=168,6 MeV
Biết hạt nhân 1840Ar có khối lượng 39,9525 u. Cho khối lượng của proton và neutron lần lượt là 1,0073 u và 1,0087 u. Tính năng lượng liên kết của hạt nhân 1840Ar. (Kết quả lấy đến một chữ số sau dấu phẩy thập phân).
Elk=Δm.c2=18.1,0073+(40−18).1,0087−39,9525.931,5=344,9 MeV
Các hạt nhân deuterium 12H, tritium 13H, helium 24He có năng lượng liên kết lần lượt là 2,22 MeV; 8,49 MeV và 28,16 MeV. Sắp xếp các hạt nhân trên theo thứ tự giảm dần về độ bền vững của hạt nhân.
Elkr(12H)=2,222=1,11 MeV/nucleonElkr(13H)=8,493=2,83 MeV/nucleonElkr(24He)=28,164=7,04 MeV/nucleon
Độ bền vững giảm dần theo thứ tự 24He,13H,12H.
Hạt nhân 92235U có năng lượng liên kết riêng là 7,59 MeV/nucleon. Tính:
a) Năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân 92235U thành các nucleon riêng lẻ.
b) Độ hụt khối của hạt nhân 92235U.
c) Khối lượng của hạt nhân 92235U. Cho biết khối lượng của các hạt proton và neutron lần lượt là 1,00728 u và 1,00866 u.
a) Năng lượng tối thiểu cần để tách hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ là năng lượng liên kết của hạt nhân: Elk = 7,59.235 = 1,78.103 MeV.
b) Δm=Elkc2=1,78.103931,5=1,91 u
c) mU=92.1,00728+(235−92).1,00866−1,91=234,99u
Chứng minh rằng độ hụt khối của hạt nhân ZAX còn có thể tính bằng công thức:
Δm=ZmH+(A−Z)mn−mx
Trong đó:
mH là khối lượng của nguyên tử 11H
mn là khối lượng của hạt neutron
mX là khối lượng của nguyên tử ZAX
Sử dụng: mH = mp + me và mnguyên tử = mhạt nhân +Zme
Với me là khối lượng của hạt electron.
Tính độ hụt khối và năng lượng liên kết của các hạt nhân 2555Mn,2656Fe,2759Co. Cho biết khối lượng của các nguyên tử 11H,2555Mn,2656Fe,2759Co và khối lượng hạt neutron lần lượt là: 1,00783 u; 54,93804 u; 55,93494 u; 58,93319 u; 1,00866 u.
Hạt nhân 2555Mn: Δm=0,51751u;Elk=482,1MeV
Hạt nhân 2656Fe:Δm=0,52844u;Elk=492,2MeV
Hạt nhân 2759Co:Δm=0,55534u;E1k=517,3MeV
Sắp xếp các hạt nhân 2555Mn,2656Fe,2759Co theo thứ tự độ bền vững tăng dần.
Năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân:
ElkrMn = 8,765 MeV/nucleon.
ElkrFe = 8,789 MeV/nucleon.
ElkrCo = 8,768 MeV/nucleon.
Do đó các hạt nhân sắp xếp theo thứ tự độ bền vững tăng dần là: 2555Mn,2759Co,2656Fe.
Cho biết khối lượng nguyên tử của các hạt 1327Al,82206 Pb và 11H lần lượt là 26,98154 u; 205,97446 u và 1,00783 u; khối lượng hạt neutron là 1,00866 u.
a) Tính độ hụt khối của mỗi hạt nhân.
b) Tính năng lượng liên kết riêng của mỗi hạt nhân.
a)
ΔmAl=13.1,00783+(27−13).1,00866−26,98154=0,24149u;ΔmPb=82.1,00783+(206−82).1,00866−205,97446=1,74144u
b) ElkrAl =0,24149.931,527=8,331 MeV/ nucleon.
ElkrPb=1,74144.931,5206=7,875MeV/ nucleon.
b) Etoả = 188,4 MeV.
c) E = 4,27.1027 MeV = 6,83.1014 J.
Hạt nhân 94239Pu hấp thụ một neutron nhiệt rồi phân hạch thành hai hạt nhân 54134Xe và 40103Zr.
a) Xác định số hạt neutron phát ra sau phản ứng phân hạch đó và viết phương trình phản ứng.
b) Tính năng lượng toả ra của mỗi phản ứng phân hạch đó. Cho biết khối lượng của các nguyên tử 94239Pu,54134Xe,40103Zr và khối lượng hạt neutron lần lượt là: 239,05216u;133,90539u;102,92719u và 1,00866u.
c) Tính năng lượng toả ra khi 9,00 kg 94239Pu bị phân hạch hoàn toàn theo phản ứng ở câu a.
a) 94239Pu+01n→54134Xe+40103Zr+301n
b) Etoả = (mPu + mn – mXe – mZr – 3mn).c2 = 188,4 MeV.
c) Số hạt nhân 239Pu có trong 9kg là: N=mANA=9000239.6,023.1023=2,27.1025
Mỗi hạt nhân 239Pu tham gia 1 phản ứng.
Năng lượng toả ra: E = 2,27.1025.188,4 = 4,27.1027 MeV = 6,83.1014 J.
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt có công suất 500,0 kW và sử dụng nhiên liệu là 92235U. Coi mỗi hạt nhân 92235U phân hạch toả ra năng lượng trung bình là 175 MeV và uranium chỉ bị tiêu hao bởi quá trình phân hạch. Tính khối lượng 92235U mà lò tiêu thụ nếu hoạt động liên tục trong 72 giờ.
Năng lượng toả ra trong 72 giờ là: Q = P.t = 500000.72.3600 = 1,296.1011 J
Số phản ứng hạt nhân: N=1,296.1011175.1,6.10−13=4,63.1021
Khối lượng hạt nhân 235U cần sử dụng: m=NNA.A=4,63.10216,023.1023.235=1,81 g
Mỗi phản ứng nhiệt hạch có phương trình 12D+12D→23He+01n(4.1) toả ra năng lượng khoảng 3,30MeV. Trong khi đó, mỗi phản ứng phân hạch 92235U toả ra trung bình khoảng 200,0MeV. Tính năng lượng toả ra khi tổng hợp hoàn toàn 1,000 kg12D theo phương trình (4.1) và năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn 1,000 kg92235U. So sánh kết quả tính được và rút ra nhận xét.
Số hạt nhân 12D có trong 1 kg là: N=mANA=10002.6,02.1023=3,01.1026
Mỗi phản ứng nhiệt hạch cần 2 hạt nhân 12D, nên số phản ứng là: 3,01.10262=1,505.1026
Năng lượng phản ứng nhiệt hạch toả ra là: E=1,505.1026.3,3.1,6.10−13=7,95.1013J
Năng lượng phân hạch toả ra: E=1000235.6,02.1023.200.1,6.10−13=8,19.1013J
Mỗi phản ứng phân hạch uranium toả ra năng lượng (200,0 MeV) lớn hơn nhiều mỗi phản ứng nhiệt hạch của deuterium (3,30 MeV). Tuy vậy, nếu xét cùng một khối lượng nhiên liệu thì năng lượng toả ra của hai loại phản ứng là gần bằng nhau.
Bom nhiệt hạch dùng phản ứng: 12D+13 T→24He+01n. Cho biết khối lượng của các nguyên tử 12D,13 T,24He và khối lượng hạt neutron lần lượt là: 2,0141u; 3,0160u;4,0026u và 1,0087u.
a) Tính năng lượng toả ra nếu có 1,000 kg He được tạo thành do vụ nổ.
b) Năng lượng nói trên tương đương với năng lượng tỏa ra khi bao nhiêu kg 92235U phân hạch hết nếu mỗi phân hạch toả ra 200,0MeV ?
a) Năng lượng toả ra của một phản ứng là:
ΔE=Δmc2=(mD+mT−mHe−mn)c2=17,51 MeV
1,000 kg He được tạo thành, tương ứng với số hạt nhân He là:
N=mANA=100046,02.1023=1,505.1026
Năng lượng toả ra: E=N.ΔE=1,505.1026.17,51=2,64.1027MeV=4,22.1014J
b) Số hạt nhân 235U cần sử dụng cho phản ứng phân hạch để thu được năng lượng như ý a) là: N=2,64.1027200=1,32.1025
Khối lượng 235U cần sử dụng: m=NNA.A=1,32.10256,02.1023.235=5,152 kg
Một nhà máy điện hạt nhân tiêu thụ trung bình 58,75 g235U mỗi ngày. Biết hiệu suất của nhà máy là 25%; mỗi hạt nhân 235U phân hạch giải phóng 200,0MeV.
a) Tính công suất phát điện của nhà máy.
b) Giả thiết sau mỗi phân hạch trung bình có 2,5 neutron được giải phóng thì sau một ngày số neutron thu được trong lò phản ứng là bao nhiêu? Cho rằng neutron chỉ mất đi do bị hấp thụ bởi các 235U trong chuỗi phân hạch dây chuyền.
a) Năng lượng 58,75 g235U toả ra:
E=mA.NA.200MeV=58,75235.6,02.1023.200.1,6.10−13=4,816.1012J
Hiệu suất của máy phát điện là 25%, nên năng lượng có ích là:
Eco ich=E.25%=4,816.1012.25%=1,204.1012J
Công suất của nhà máy: P=Eco icht=1,204.101286400=13,9.106W
b) Mỗi phản ứng cần dùng 1 neutron và sinh ra 2,5 neutron.
Sau một ngày số neutron thu được trong lò phản ứng là:
N'=mA.NA.(2,5−1)=58,75235.6,02.1023.(2,5−1)=2,26.1023
Hiện nay, công suất phát xạ năng lượng của Mặt Trời khoảng 3,83.1026 W.
a) Dựa vào hệ thức liên hệ giữa khối lượng và năng lượng, tính khối lượng Mặt Trời giảm đi mỗi giây.
b) Giả sử rằng Mặt Trời duy trì công suất phát xạ năng lượng này trong suốt khoảng thời gian từ khi hình thành (4,50 tỉ năm trước) cho đến hiện tại. Biết rằng, khối lượng Mặt Trời hiện nay là 1,99.1026 kg. Khối lượng này bằng bao nhiêu phần trăm khối lượng ban đầu của Mặt Trời khi mới hình thành?
a) Khối lượng Mặt Trời giảm đi mỗi giây: △mMặt Trời =Pc2=4,26⋅109 kg/s.
b) Khối lượng Mặt Trời đã mất đi để chuyển hoá thành năng lượng trong thời gian 4,50 tỉ năm là: (4,26.109 kg/s).(4,50.109.365.24.3600 s) = 6,04.1026 kg.
Khối lượng Mặt Trời khi mới hình thành là: 6,04.1026 + 1,99.1026 = 8,03.1026 kg.
Khối lượng hiện nay của Mặt Trời bằng 24,8% khối lượng ban đầu.
