Bài soạn Vật lý lớp 10 - Phản ứng hạt nhân

Trường thpt y jut BàI SOẠN: phản ứng hạt nhân Người soạn: Phạm Bá Bộ Ban nâng cao Vật lí 12 I. Mục tiêu. 1. Kiến thức: - Nêu được định nghĩa phản ứng hạt nhân và sơ đồ phản ứng. - Nêu được các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân. - Nêu được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng và thu năng lượng và viết được biểu thức tính năng lượng phản ứng. - Nêu khái niệm về phản ứng nhiệt hạch và phân hạch. 2. Kỹ năng. - Vận dụng được các định luật bảo toàn vào hiện tượng phóng xạ và các phản ứng hạt nhân để viết được phương trình. - Biết cách xác định hạt nhân trong các phản ứng hạt nhân. - Xác định được năng lượng trong phản ứng hạt nhân và dạng của năng lượng ấy. 3. Thái độ: Nghiêm túc, thận trọng trong nghiên cứu; Giáo dục kĩ thuật tổng hợp, lòng say mê, yêu thích môn học; Trách nhiệm bảo vệ môi trường. II. Chuẩn bị cho bài giảng. 1. Giáo viên: - Xem SGK môn Hóa học 10 để tham khảo kiến thức liên hệ môn. - Nghiên cứu tái liệu vật lý đại cương về phản ứng hạt nhân. - Bảng hệ thống tuần hoàn, phiếu học tập theo nội dung bài học. - Sưu tầm tranh ảnh, tư liệu về phản ứng hạt nhân và các tác động môi trường của nó. 2. Học sinh: - Ôn lại: Cấu tạo nguyên tử, hiện tượng phóng xạ, phản ứng hạt nhân, năng lượng liên kết và công thức Anhxtanh giữa năng lượng với khối lượng. III. Tiến trình dạy học 1. Kiến thức: - Các qui tắc dịch chuyển trong sự phóng xạ - Năng lượng trong phản ứng hạt nhân. 2. Sơ đồ lô gíc xây dựng kiến thức. sơ đồ logic xây dựng đơn vị kiến thức: 4. năng lượng trong phản ứng hạt nhân Trong phản ứng hạt nhân, chuyển hóa năng lượng diễn ra như thế nào? Có tận dụng được năng lượng đó không? A + B đ C + D M0 = mA + mB M = mC + mD M < M0 Phản ứng tự xảy ra và tỏa ra năng lượng: Q = (M0 - M)C2 Năng lượng đó có dạng động năng của hạt C, D hoặc năng lượng của g M > M0 Phản ứng không tự xảy ra cần phải cung cấp năng lượng: W = (M0 - M)C2 + Ed Năng lượng đó có dạng động năng của hạt A bằn phá B M < M0 Phản ứng hạt nhân tỏa ra năng lượng gọi là năng lượng hạt nhân M > M0 Cần cung cấp cho các hạt tham gia phản ứng một năng lượng dạng động năng ban đầu của các hạt Sử dụng năng lượng hạt nhân: SX điện năng Năng lượng nhiệt, - Tàu phá băng GDMT: Năng lượng hạt nhân và bảo vệ môi trường Hoạt động dạy học (Học viên nghiên cứu SGK và biên soạn) IV. Tư liệu phục vụ GDMT ( Tư liêu này có thể sử dụng khi dạy các nội dung: Hiện tượng phóng xạ, đồng vị phóng xạ và năng lượng hạt nhân) Phúng xạ Phúng xạ là hiện tượng một số hạt nhõn nguyờn tử khụng bền tự biến đổi và phỏt ra cỏc bức xạ hạt nhõn (thường được gọi là cỏc tia phúng xạ). Cỏc nguyờn tử cú tớnh phúng xạ gọi là cỏc đồng vị phúng xạ, cũn cỏc nguyờn tử khụng phúng xạ gọi là cỏc đồng vị bền. Cỏc nguyờn tố húa học chỉ gồm cỏc đồng vị phúng xạ (khụng cú đồng vị bền) gọi là nguyờn tố phúng xạ. Tia phúng xạ cú thể là chựm cỏc hạt mang điện dương như hạt anpha, hạt proton; mang điện õm như chựm electron (phúng xạ beta); khụng mang điện như hạt nơtron, tia gamma (cú bản chất giống như ỏnh sỏng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều). Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhõn nguyờn tử, thường được gọi là sự phõn ró phúng xạ hay phõn ró hạt nhõn. Sự phúng xạ tự nhiờn Năm 1896, nhà vật lý người Phỏp Henri Becquerel và sau đú là ụng bà Pierre Curie và Marie Curie phỏt hiện ra rằng cỏc hợp chất của uranium cú khả năng tự phỏt ra những tia khụng khụng nhỡn thấy được, cú thể xuyờn qua những vật mà tia sỏng thường khụng đi qua được gọi là cỏc tia phúng xạ. Dưới tỏc dụng của điện trường tia phúng xạ bị tỏch làm 3 tia: Tia anpha lệch về phớa cực õm của điện trường, gồm cỏc hạt anpha mang điện tớch dương (gấp 2 lần điện tớch của proton), cú khối lượng bằng khối lượng của nguyờn tử heli. Tia beta lệch về phớa cực dương của điện trường gồm cỏc hạt electron. Tia gamma khụng lệch về cực nào của điện trường, cú bản chất như tia sỏng. Tia phúng xạ Dũng tia alpha cú thể dễ dàng chặn lại bởi một tờ giấy; tia beta cần miếng kim loại để chặn; cũn tia gamma cần một khối vật chất cú mật độ dày đặc chặn lại. Tia phúng xạ theo nghĩa gốc là cỏc dũng hạt chuyển động nhanh phúng ra từ cỏc chất phúng xạ (cỏc chất chứa cỏc hạt nhõn nguyờn tử khụng ở trạng thỏi cõn bằng bền). Cỏc hạt phúng ra cú thể chuyển động thành dũng định hướng. Cú nhiều loại dũng hạt phỏt ra từ cỏc chất phúng xạ. Cụ thể: Tia alpha: gồm cỏc hạt alpha cú điện tớch gấp đụi điện tớch proton, tốc độ của tia là khoảng 20.000 km/s. Tia beta: gồm cỏc electron tự do, tương tự tia õm cực nhưng được phúng ra với vận tốc lớn hơn nhiều, khoảng 100.000 km/s. Tia gamma: là dũng cỏc hạt photon, khụng mang điện tớch, cú bản chất gần giống ỏnh sỏng nhưng bước súng nhỏ hơn, chuyển động với tốc độ ỏnh sỏng. Dũng cỏc neutron khụng cú điện tớch. Dũng cỏc hạt neutrino khụng cú điện tớch, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ỏnh sỏng (phỏt ra cựng với cỏc hạt beta trong phõn ró beta). Ngoài sự phõn ró tự nhiờn của cỏc chất phúng xạ, tia phúng xạ cũng cũn được quan sỏt từ cỏc nguồn khỏc như cỏc lũ phản ứng hạt nhõn, mỏy gia tốc hay va chạm của cỏc tia vũ trụ trong khớ quyển Trỏi Đất. Cỏc lũ phản ứng hạt nhõn cú thể tạo ra dũng hạt neutron mạnh. Cỏc mỏy gia tốc cú thể sinh ra dũng cỏc hạt tổ hợp cú khối lượng cao hơn. Cũn tia vũ trụ cú thể sản sinh muon và meson. Thuật ngữ tia phúng xạ cũng cú thể mở rộng, để bao gồm cỏc dũng hạt chuyển động nhanh phỏt ra từ cỏc nguồn này. Tương tỏc với vật chất Cỏc hạt alpha cú thể dễ dàng chặn lại bởi một tờ giấy. Tia beta cần miếng kim loại để chặn. Trong khi đú, dũng tia gamma cú khả năng xuyờn qua vật chất cao; cần một khối vật chất cú mật độ dày đặc chặn lại. Cỏc hạt neutrino hầu như khụng tương tỏc với vật chất và cú thể xuyờn qua tất cả và đi ra ngoài vũ trụ. nguy cơ từ những ngôi nhà kín Theo Báo Giáo dục & thời đại Số 113, ngày 20 / 09/2003 * Vì sao nhà kín nguy hiểm ? Trong lượng chất phóng xạ mà con người nhận vào cơ thể thì 65% là phóng xạ tự nhiên, trong đó khí rađôn chiếm tới 47%. Mặt khác, khi phân rã, rađôn phóng ra một lượng phóng xạ dưới dạng các hạt alpha mà nếu cùng hít một lượng như nhau thì các hạt alpha sẽ gây tổn thương về mặt sinh học gấp 20 lần các hạt khác (như hạt bêta, tia gama, tia X). Và như thế, nếu nồng độ khí rađôn trong không khí càng cao và thời gian chúng ta hít thở bầu không khí chứa rađôn càng dài thì nguy cơ bị ung thư phổi càng lớn. Cơ chế gây ra ung thư phổi là : Khi chúng ta hít phải khí rađôn và các hạt nhân con của nó, một số phân rã phóng xạ sẽ xảy ra ở trong phổi của chúng ta. Các hạt alpha được sinh ra có thể gây tổn hại đến mô của phổi, phá huỷ các DNA, tức làm biến đổi các gene sản xuất ra tế bảo phổi, từ đó dẫn đến ung thư phổi. Theo nghiên cứu của Ban an toàn bức xạ và Hạt nhân - Bộ Khoa học & Công nghệ, trong những ngôi nhà kín, nồng độ khí rađôn cao gấp nhiều lần so với không khí ngoài trời. Bình thường, nồng độ rađôn trong không khí khoảng 10 Bq/m3, nghĩa là nếu ta tập hợp một trăm triệu triệu triệu (1020) phân tử không khí (khoảng một thìa càphê đầy) mới có thể tìm thấy khoảng 10 nguyên tử rađôn trong đó. Còn trong nhà, nồng độ rađôn có thể từ 20 lên tới 10.000 Bq/m3, thậm chí còn cao hơn nữa do hiệu ứng "bẫy rađôn". Với những ngôi nhà "hộp" xuất hiện ngày càng nhiều ở các đô thị như hiện nay, cộng thêm với việc sử dụng điều hoà không khí trở nên phổ biến thì không khí trong các căn phòng càng khó lưu thông, đặc biệt việc hút thuốc lá trong phòng kín là điều kiện để nồng độ rađôn tăng cao. Nồng độ khí rađôn trong nhà cao còn do nhà được xây từ vật liệu lấy từ nguồn có chất phóng xạ, hoặc xây trên nền đất có nguồn phóng xạ. Nhiều nước đã khuyến cáo rằng, nồng độ rađôn trung bình hàng năm trong một ngôi nhà không nên vượt quá 200 Bq/m3 (mức can thiệp). * Có hay không nguy cơ từ khí rađôn ? Tuy nhiên, nếu bình thường, nồng độ khí rađôn ở trong nhà chưa đủ để gây nguy cơ ung thư phổi cho con người. Bởi nếu sống trong không khí có nồng độ rađôn khoảng 150 Bq/m3 trong một năm thì có khoảng 28 người chết vì ung thư phổi trên 1 triệu dân. Vậy nếu sống trong một ngôi nhà có nồng độ rađôn khoảng 20Bq/m3 trong 1 năm, nguy cơ bị chết vì ung thư phổi chỉ khoảng 4/1.000.000. Theo một cuộc điều tra do Ban an toàn bức xạ và hạt nhân - Bộ Khoa học & Công nghệ và Trung tâm kỹ thuật An toàn bức xạ và Môi trường - Viện khoa học kỹ thuật hạt nhân tiến hành với 300 nhà dân ở HN năm 1995, nồng độ khí rađôn trong nhà trung bình khoảng 27 Bq/m3, chỉ có 1- 2 nhà có nồng độ rađôn cao hơn mức bình thường : khoảng 130-140 Bq/m3 do những ngôi nhà làm bằng gạch xỉ than. Một điều tra khác do Cục Địa chất tiến hành cho thấy một số nơi ở nước ta có nồng độ rađôn cao bất thường như ở thị trấn Triệu Phong - Đông Hà - Quảng Trị có nồng độ rađôn 171-249 Bq/m3 do trong vật liệu xây dựng có chứa phóng xạ cao ; nồng độ rađôn ở công ty khai thác khoáng sản Thừa Thiên Huế là 137-145 Bq/m3 do ở đây dùng đất thải của xưởng tuyển sa khoáng để đắp nền, một số nhà dân, quán nước khu vực bãi tắm Hội An có nồng độ rađôn khoảng 155 Bq/m3 do nền nhà dùng cát chứa sa khoáng có nhiều phóng xạ Tuy nhiên, theo ông Nguyễn Hào Quang - Trung tâm kỹ thuật An toàn bức xạ và Môi trường - Viện Khoa học kỹ thuật hạt nhân, nồng độ rađôn trong nhà ở các thành phố lớn hơn trong những năm gần đây chắc chắn sẽ tăng lên đáng kể do sự xuất hiện ngày càng nhiều của kiểu nhà hộp, kín cổng cao tường, xây trên diện tích chật hẹp, những ngôi nhà luôn luôn đóng kín vì sử dụng điều hoà. Trong khi đó, Việt Nam hiện nay lại chưa hề chú ý đến nguy cơ tiềm ẩn của khí rađôn. Không chỉ có nguy cơ từ những ngôi nhà kín, không thông thoáng mà nguy cơ từ việc sử dụng nguồn nước chưa qua xử lý cũng rất cao (trong khi ở vùng sâu, vùng xa nước ta, ở những nơi thiếu nước sinh hoạt thì điều này rất dễ xảy ra) mà chỉ cần áp dụng cách xử lý đơn giản nhất, lượng rađôn trong nước đã có thể giảm tới 90-95%. Đo nồng độ rađôn trong suối nước khoáng ở Thanh Thuỷ (Phú Thọ) thấy nồng độ này trong nước lên tới 100.000-130.000 Bq/m3 ( thông thường nồng độ rađôn trong nguồn nước khoảng 4.000-5.000 Bq/m3). Tuy vậy, khi đánh giá nguồn nước hiện chúng ta mới chỉ chú ý đến nồng độ rađium (được coi là "mẹ" của khí rađôn). * làm thế nào để giảm nộng độ khí rađôn ? Ông Đặng Thanh Lương - Ban An toàn bức xạ và hạt nhân - Bộ Khoa học và Công nghệ cho biết: Hầu hết các ngôi nhà có nồng độ rađôn cao thì phần lớn lượng rađôn đều phát ra từ nền nhà. Vì vậy một phương pháp để giảm mức rađôn trong nhà là tăng cường thông gió cho không gian dưới nền nhà. Điều đó có thể thực hiện bằng cách mở rộng các ô thông gió trên các bức tường, như thế sẽ cho phép sự dịch chuyển không khí tự nhiên được dễ dàng (trong trường hợp các tường chịu lực thì phải tuân theo các qui phạm xây dựng thích hợp). Những ngôi nhà được xây dựng trên các tấm sàn bêtông cần có nhiều cửa sổ thông gió, trong nhiều trường hợp phải sử dụng thông gió cưỡng bức (cần biện pháp cải tạo riêng và phù hợp). Bên cạnh đó, việc lựa chọn vật liệu xây dựng cũng rất quan trọng vì nếu sử dụng vật liệu xây dựng (đất, đá, cát) lấy từ nguồn có chất phóng xạ, không qua kiểm định thì nồng độ rađôn trong nhà chắc chẵn sẽ rất cao. Đặc biệt nhà càng kín (như những ngôi nhà sử dụng điều hoà không khí), lại thêm hút thuốc ở trong nhà thì nguy cơ bị ung thư phổi của những người sống trong căn nhà đó sẽ tăng lên rõ rệt. Sống trong một ngôi nhà gỗ hoặc một ngôi nhà được xây dựng trên các cột (nhà sàn) được thông gió tốt, chúng ta sẽ không phải lo lắng về ảnh hưởng của khí rađôn đối với sức khoẻ. Nhà mỏy điện nguyờn tử Nhà mỏy điện nguyờn tử hay nhà mỏy điện hạt nhõn là một nhà mỏy tạo ra điện năng ở quy mụ cụng nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhõn Cỏc loại mỏy điện nguyờn tử phổ biến hiện nay thực tế là nhà mỏy nhiệt điện, chuyển tải nhiệt năng thu được từ phản ứng phõn hủy hạt nhõn thành điện năng. Đa số thực hiện phản ứng dõy chuyền cú điều khiển trong lũ phản ứng nguyờn tử phõn hủy hạt nhõn với nguyờn liệu ban đầu là đồng vị Uran 235 và sản phẩm thu được sau phản ứng thường là Pluton, cỏc neutron và năng lượng nhiệt rất lớn. Nhiệt lượng này, theo hệ thống làm mỏt khộp kớn (để trỏnh tia phúng xạ rũ rỉ ra ngoài) qua cỏc mỏy trao đổi nhiệt, đun sụi nước, tạo ra hơi nước ở ỏp suất cao làm quay cỏc turbine hơi nước, và do đú quay mỏy phỏt điện, sinh ra điện năng.