Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 21: Tính chất và cấu tạo hạt nhân - Chu Văn Biên

Nội dung text: Luyện thi Vật lí Lớp 12 - Chủ đề 21: Tính chất và cấu tạo hạt nhân - Chu Văn Biên

1. Chương 7: HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Chủ đề 21. TÍNH CHẤT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT 1. Cấu tạo hạt nhân a. Kích thước hạt nhân − Hạt nhân tích điện dương +ze (z là số thứ tự trong bảng tuần hoàn). − Kích thước hạt nhân rất nho, nho hơn kích thước nguyên tử 104 105 lần. b. Cấu tạo hạt nhân − Hạt nhân được tạo thành bởi các nuclôn. + Prôtôn (p), điện tích (+e). + Nơtrôn (n), không mang điện. − Số prôtôn trong hạt nhân bằng Z (nguyên tử số). − Tống số nuclôn trong hạt nhân kí hiệu A (số khối). − Số nơtrôn trong hạt nhân là A − Z. c. Kí hiệu hạt nhân A − Hạt nhân của nguyên tố X được kí hiệu: Z X. 1 1 0 1 − Kí hiệu này vẫn được dùng cho các hạt sơ cấp: 1 p; 0p; 1e . d. Đồng vị − Các hạt nhân đồng vị là những hạt nhân có cùng số Z, khác nhau số A. − Ví dụ. hiđrô có 3 đồng vị 1 2 2 Tiđrô thường 1 H (99,99%); Hiđrô nặng 1 H , còn gọi là đơ tê ri 1 D (0,015%); Hiđrô siêu lặng 3 3 1 H , còn gọi là tritỉ 1 T , không bền, thời gian sống khoảng 10 năm. 2. Khối lượng hạt nhân a. Đơn vị khối lượng hạt nhân 12 −27 − Đơn vị u có giá trị bằng 1/12 khối lượng nguyên tử của đồng vị 6 C ; lu = 1,66055.10 kg b. Khối lượng và năng lượng hạt nhân − Theo Anh−xtanh, năng lượng E và khối lượng m tương ứng của cùng một vật luôn luôn tồn tại đồng thời và tì lệ với nhau, hệ số tỉ lệ là c2: E = mc2, c: vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 3.108m/s). 1 uc2 = 931,5 MeV → lu = 931,5 MeV/c2 MeV/c2 được coi là 1 đơn vị khối lượng hạt nhân. − Chú ý: Một vật có khối lượng mo khi ờ trạng thái nghỉ thì khi chuyển động với vận tốc v, khối lượng m sẽ tăng lên thành m với m = m 0 v2 1 c2 Trong đó m0 khối lượng nghỉ và m là khối lượng động. 2 Trong đó: E0 m0c gọi là năng lượng nghỉ. 2 + Wd E E0 m m0 c chính là động năng của vật. B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 1. Bài toán liên quan đến tính chất và cấu tạo hạt nhân. 2. Bài toán liên quan đến thuyết tương đối hẹp. 456
2. Dạng 1. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐÉN TÍNH CHẮT VÀ CẤU TẠO HẠT NHÂN A Hạt nhân: Z X : có Z proton và A – Z nơtron. 3 Ví dụ 1: (CĐ 2007) Hạt nhân Triti ( 1 T ) có A. 3 nuclôn, trong đó có 1 prôtôn. B. 3 ncrtrôn (nơtron) và 1 prôtôn. C. 3 nuclôn, trong đó có 1 nơtrôn. D. 3 prôtôn và 1 ncrtrôn. Hướng dẫn Hạt nhân Tritri có số proton Z = 1 và có số khối = số nuclon = 3 Chọn A. Ví dụ 2: (ĐH − 2007) Phát biểu nào là sai? A. Các đồng vị phóng xạ đều không bền. B. Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn nhưng có số nơtrôn (nơtron) khác nhau gọi là đồng vị. C. Các đồng vị của cùng một nguyên tố có số ncrtrôn khác nhau nên tính chất hóa học khác nhau. D. Các đồng vị của cùng một nguyên tố có cùng vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn. Hướng dẫn Các đồng vị của cùng một nguyên tố có cùng vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn và có cùng tính chất hóa học Chọn C. Ví dụ 3: Biết lu = 1,66058.10 −27 (kg), khối lượng của He = 4,0015u. số nguyên tử trong lmg khí He là A. 2,984. 1022 B. 2,984. 1019 C. 3,35. 1023 D. 1,5.1020 Hướng dẫn Số kilogam ―6 10 20 Số nguyên tử = Khối lượng 1 nguyên tử = 4,0015.1,66058.10―22 = 15.10 Chọn D. 23 Ví dụ 4: (CĐ−2008) Biết số Avôgađrô NA = 6,02.10 hạt/mol và khối lượng của hạt nhân bằng số 27 khối của nó. Số prôtôn (prôton) có trong 0,27 gam 13 Al là A. 6,826.1022 B. 8,826.1022 C. 9,826.1022 D. 7,826.1022 Hướng dẫn 0,27.6,02.1023 Số proton = 13.(Số gam/Khối lượng mol) .N 13. 7,826.1022 A 27 Chọn D. Ví dụ 5: (ĐH−2007) Biết số Avôgađrô là 6,02.10 23 /mol, khối lượng mol của urani U238 là 238 g/mol. Số nơtrôn trong 119 gam urani U238 là A. 8,8.1025 B. 1,2.1025 C. 4,4.1025 D. 2,2.1025 Hướng dẫn 119 N 238 92 . (Số gam/Khối lượng mol).N 146. .6,02.1023 4,4.1025 nuclon A 128 Chọn C. 23 Ví dụ 6: Biết số Avôgađrô là 6,02.10 /mol. Tính số phân tử oxy trong một gam khí CO 2 (O = 15,999) A. 376.1020 B. 188.1020 C. 99.1020 D. 198.1020 Hướng dẫn 1 g N .6,02.1023 188.1020 Chọn B. O2 2.15,999 g 457
3. 23 Ví dụ 7: Biết số Avôgađrô là 6,02.10 /mol. Tính số nguyên tử Oxy trong một gam khí CO 2 là (C = 12,011; O = 15,999) A. 137.1020 B. 548.1020 C. 274.1020 D. 188.1020 Hướng dẫn 1 g N 2N 2. .6,02.1023 274.1020 Chọn C. O CO2 12,011 2.15,999 g 4 Chú ý: Nếu coi hạt nhân là khối cầu thì thể tích hạt nhân là V R3. 3 Khối lượng của hạt nhân xấp xỉ bằng: m =Au = A.1,66058.10−27 kg. Điện tích hạt nhân: Q = Z. 1,6.10−19 C. Khối lượng riêng hạt nhân: D = m/V. Mật độ điện tích hạt nhân: = Q/V. Ví dụ 8: Công thức gần đúng cho bán kính của hạt nhân là: R = 1,2.10 −15.(A)1/3 (m) (với A là số 23 khối). Tính khối lượng riêng của hạt nhân 11Na . A. 2,2.1017 (kg/m3). B. 2,3.1017 (kg/m3) C. 2,4.1017 (kg/m3). D. 2,5.1017 (kg/m3) Hướng dẫn m 23u D 2,3.1017 kg / m3 Chọn B V 4 3 R 3 Ví dụ 9: Công thức gần đúng cho bán kính của hạt nhân là R = 1,2.10 −15.(A)1/3 là số khối). Tính 56 mật độ điện tích của hạt nhân sắt 26Fe . A. 8.1024 (C/m3). B. 1025 (C/m3). C. 7.1024 (C/m3). D. 8,5.1024(C/m3) Hướng dẫn Q 26.1,6.10 19 1025 C / m3 Chọn B V 4 3 R 3 Chú ý: Nếu một nguyên tố hóa học là hỗn hợp n nhiều đồng vị thì khối lượng trung bình của nó: m a1m1 a 2m2 a n mn , với ai mi lần lượt là hàm lượng và khối lượng của đồng vị thứ i. Trong trường hợp chỉ hai đồng vị: m xm1 1 x m2 với c là hàm lượng của đồng vị 1. Ví dụ 10: Uran tự nhiên gồm 3 đồng vị chính là U238 có khối lượng nguyên tử 238,0508u (chiếm 99,27%), U235 có khối lượng nguyên tử 235,0439u (chiếm 0,72%), U234 có khối lượng nguyên tử 234,0409u (chiếm 0,01%). Tính khối lượng trung bình. A. 238,0887u B. 238,0587u C. 237,0287u D. 238,0287u Hướng dẫn 97,27 0,72 0,01 m .238,088u .235,0439u .234,0409u 238,0287u 100 100 100 Chọn D. Ví dụ 11: Nitơ tự nhiên có khối lượng nguyên tử là 14,0067u gồm 2 đồng vị là N14 và N15 có khối lượng nguyên tử lần lượt là 14,00307u và 15,00011u. Phần trăm của N15 trong nitơ tự nhiên: A. 0,36% B. 0,59% C. 0,43% D. 0,68 % Hướng dẫn m xm1 1 x m2 14,0067u x.15,00011u 1 x .14,00307u x 0,0036 Chọn A. 458
4. BÀI TẬP TỰ LUYỆN Bài 1: Biết lu = 1,66058.10-27 (kg), khối lượng của He4 = 4,0015u. Tổng số nuclôn có trong 1 mg khí He là A. 3.1022 B. 1,5. 1020 C. 5. 1023 D. 6.1020 23 131 Bài 2: Biết số Avôgađrô 6,02.10 /mol, khối lượng mol của 53I là 131 g/mol. Tìm nguyên tử iôt 131 có trong 200 g chất phóng xạ 53I . A. 9,19.1021 B. 9,19.1023 C. 9,19.1022 D. 9,19.1024 Bài 3: Biết lu = 1,66058.10-27 (kg), khối lượng của Ne = 20,179u. số nguyên tử trong không khí Neon là A. 2,984. 1022 B. 2,984. 1019 C. 3,35. 1023 D. 3,35. 1020 Bài 4: Biết số Avôgađrô là 6,02.10 23/mol, khối lượng mol của natri Na23 là 23 g/mol. Số notrôn trong 11,5 gam natri Na23 là A. 8,8.1025 B. 1,2.1025 C. 36,12.1023 D. 2,2.1023 29 40 Bài 5: (CĐ-2010)So với hạt nhân 14 Si , hạt nhân 20 Ca có nhiều hon A. 11 nơtrôn và 6 prôtôn. B. 5 nơtrôn và 6 prôtôn. C. 6 notion và 5 prôtòn. D. 5 nơtrôn và 12 prôtỏn. Bài 6: Công thức gần đúng cho bán kính của hạt nhân là R = 1,2.10-15.(A)1/3 (m) (với A là số khối). 197 Tính mật độ điện tích của hạt nhân vàng 79Au . A. 8.1024 (C/m3) B. 9.1024 (C/m3) C. 7.1024 (C/m3) D. 8,5.1024 (C/m3) Bài 7: Khí clo là hỗn họp của hai đồng vị bền là 35Cl có khối lượng nguyên tử 34,969u hàm lượng 75,4% và 37Cl có khối lượng nguyên tử 36,966u hàm lượng 24,6%. Khối lượng nguyên tử của nguyên tố hóa học clo là A. 35,45u B. 36,46u C. 35,47u D. 35,46u Bài 8: Nguyên tố hóa học Bo có khối lượng nguyên tử là 10,81 lu gồm 2 đồng vị là B10 và B11 có khối lượng nguyên tử lần lượt là 10,013u và 11,009u. Phần trăm của B10 trong nitơ tự nhiên: A. 20% B. 75% C. 35% D. 80% Bài 9: Phát biếu nào sau đây là SAI khi nói về cấu tạo của hạt nhân nguyên tử? A. Hạt nhân được cấu tạo từ các nuclôn. B. Số prôtôn trong hạt nhân đúng bằng số êlectron trong nguyên từ. C. Có hai loại nuclôn là prôtôn và nơtron. D. Bán kính nguyên tử lớn gấp 1000 lần bán kính hạt nhân. Bài 10: Phát biêu nào sau đây là SAI khi nói vê câu tạo của hạt nhân nguyên tử? A. Prôtôn trong hạt nhân mang điện tích +e. B. Nơtron trong hạt nhân mang điện tích -e. C. Tổng số các prôtôn và nơtron gọi là số khối. D. Khối lượng nguyên tử tập trung chủ yếu ở trong hạt nhân. Bài 11: Phát biểu nào sau đây là đúng? Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ A. các prôton B. các nơtron C. các prôton và các notron D. các prôton, ncrtron và electron Bài 12: Phát biêu nào sau đây là đúng? Đồng vị là các nguyên tử mà hạt nhân của chúng có A. số khối A bằng nhau. B. số prôton bằng nhau, số notron khác nhau. C. số nơtron bằng nhau, số prôton khác nhau. D. khối lượng bằng nhau. Bài 13: Đơn vị nào sau đây không phải là đơn vị lchối lượng? A. Kg. B. MeV/C. C. MeV/c2. D. u Bài 14: Đơn vị khôi lượng nguyên tử u là 459
5. 1 A. một nguyên tử Hyđrô 1H . B. một hạt nhân nguyên tứ Cacbon C11. C. 1/12 khối lượng của dồng vị Cacbon C12. D. 1/12 khối lượng của đồng vị Cacbon C13. Bài 15: Chọn câu đúng. A. Bán kính nguyên tử bằng bán kính hạt nhân. B. Điện tích nguyên tử khác 0. C. Khối lượng nguyên tử xấp xỉ khối lượng hạt nhân. D. Có hai loại nuclon là nơtrôn và phôtôn. Bài 16: Khẳng định nào là đúng về hạt nhân nguyên tử? A. Khối lượng nguyên tử xấp xỉ khối lượng hạt nhân. B. Bán kính của nguyên tử bằng bán kính hạt nhân C. Điện tích của nguyên tử bằng điện tích hạt nhân. D. Lực tĩnh điện liên kết các nuclôn trong hạt nhân. Bài 17: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về hạt nhân nguyên từ? A. Hạt nhân trung hòa về điện. B. Hạt nhân có nguyên tử số Z thì chửa Z prôtôn. C. Số nuclôn bằng số khối A của hạt nhân. D. Số nơtrôn N bằng hiệu số khối A và số prôtôn Z. 23 Bài 18: Số prôtôn và sồ nơtrôn trong hạt nhân 11Na lần lượt là A. 12 và 23.B. 11 và 23. C. 11 và 12. D. 12 và 11. Bài 19: Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ A. các proton. B. các nơtrôn. C. các electron. D. các nuclôn. Bài 20: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về cấu tạo hạt nhân Triti A. Gồm 3 proton và 1 nơtron. B. Gồm 1 proton và 2 nơtron. C. Gồm 1 proton và 1 nơtron. D. Gồm 3 proton và 1 nơtron. Bài 21: Phát biểu nào sau đây đúng khi nói về hạt nhân đồng vị? Các hạt nhân đồng vị A. có cùng số Z nhưng khác nhau số A. B. có cùng số A nhung khác nhau số Z. C. có cùng số nơtron. D. có cùng so Z; cùng số A. 235 Bài 22: Nguyên tử của đồng vị phóng xạ 92U có A. 92 prôtôn, tổng số nơtrôn và electron là 235. B. 92 electron, tổng số prôtôn và electron là 235. C. 92 nơtrôn, tổng số nơtrôn và electron là 235. D. 92 prôtôn, tổng số prôtôn, nơtrôn và electron là 235. 27 Bài 23: cấu tạo của hạt nhân 13Al có A. Z = 13, A = 27. B. Z = 27, A = 13 C. Z = 13. A = 14 D. Z = 27, A = 14 Bài 24: Tìm câu đúng trong số các câu dưới đây. Hạt nhân nguyên tử A. có khối lượng bằng tổng khối lượng của tất cả các nuclon và các electrong trong nguyên tử. B. có điện tích bằng tổng điện tích của các proton trong nguyên tử C. có đường kính vào cỡ phần vạn lần đường kính của nguyên tử. D. nào cũng gồm các proton và nowtron, số proton luôn luôn bằng số nơ tron và bằng các electron Bài 25: Hạt nhân phốt pho P31 có A. 16 prôtôn và 15 nơtrôn. B. 15 prôtôn và 16 nơtrôn. C. 31 prôtôn và 15 nơtrôn. D. 15 prôtôn và 31 notrôn. Bài 26: Khẳng định nào là đúng về cấu tạo hạt nhân? A. Trong ion đơn nguyên tử so nơtron bằng số electron. B. Trong hạt nhân số khối bằng số nơtron. C. Có một sô hạt nhân mà trong đó so proton bằng hoặc lớn hơn số nơtron. 460
6. D. Các nuclôn ở mọi khoảng cách bất kỳ đều liên kết với nhau bởi lực hạt nhân. Bài 27: Vật chất hạt nhân có khối lượng riêng cỡ A. trăm ngàn tấn trên cm3. B. trăm tấn trên cm3. C. triệu tấn trên cm3. D. trăm triệu tấn trên cm3. Bài 28: Cácbon có 4 đồng vị với sổ khối từ 11 - 14, trong đó 2 đồng vị bền vững nhất là: A. C12 và C13. B. C12 và C11. C. C12và C14. D. C13 và C11. Bài 29: Cácbon có 4 đồng vị với số khối từ 11 - 14, trong đó đồng vị C12 chiếm: A. 99%. B. 95%. C. 90%. D. 89%. 23 -1 238 Bài 30: (CĐ - 2009) Biết NA = 6,02.10 mol . Trong 59,50 g 82 U có số nơtron xấp xi là A. 2,38.1023. B. 2,20.1025. C. 1,19.1025. D. 9,21.1024. 3 3 Bài 31: (CĐ - 2012) Hai hạt nhân 1 T và 2 He có cùng A. số nơtron. B. số nuclôn, C. diện tích. D. số prôtôn. 1.D 2.B 3.A 4.C 5.B 6.B 7.D 8.A 9.D 10.B 11.C 12.B 13.B 14.C 15.C 16.A 17.A 18.C 19.D 20.B 21.A 22.A 23.A 24.B 25.B 26.C 27.D 28.A 29.A 30.B 31.B Dạng 2. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP m m Khối lượng và năng lượng: m 0 ;E mc2 0 c2 . v2 v2 1 1 c2 c2 2 2 2 2 1 Động năng: Wd E E0 mc m0c m m0 c Wd m0c 1 v2 1 c2 Ví dụ 1: (ĐH−2010) Một hạt có khối lượng nghỉ m 0. Theo thuyết tương đối, động năng của hạt này khi chuyển động với tốc độ 0,6c (c là tốc độ ánh sáng trong chân không) là 2 2 2 2 A. 0,36 m0c . B. 1,25 m0c . C. 0,225 m0c . D. 0,25 m0c . Hướng dẫn m0 2 2 m 1,25m0 Wd m m0 c 0,25m0c Chọn D. v2 1 c2 Ví dụ 2: Khối lượng của electron chuyên động bằng hai lần khối lượng nghỉ của nó. Tìm tốc độ chuyển động của electron. Coi tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). A. 0.4.108m/s B. 2,59.108m/s C. 1,2.108m/s D. 2,985.108m/s Hướng dẫn 2 m0 v 1 c 3 8 m 2m0 1 2 v 2,59.10 m / s Chọn B. v2 c 2 2 1 c2 Ví dụ 3: (ĐH−2011) Theo thuyết tương đối, một êlectron có động năng bằng một nửa năng lượng nghỉ của nó thì êlectron này chuyển động với tốc độ bằng A. 2,41.108m/s. B. 2,75.108 m/s. C. 1,67.108 m/s. D. 2,24.108 m/s. Hướng dẫn 461
7. 1 2 2 1 2 m0 Wd E0 mc m0c m0c 2m 3m0 2 3m0 2 2 v2 1 c2 v2 2 c 5 1 v 2,24.108 m / s Chọn D. c2 3 3 Ví dụ 4: Coi tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). Khi năng lượng của vật biến thiên 4,19 J thì khối lượng của vật biến thiên bao nhiêu? A. 4,65.10−17 kg. B. 4,55. 10−17 kg. C. 3,65. 10−17 kg. D. 4,69. 10−17 kg. Hướng dẫn E m 4,65.10 17 kg Chọn A. c2 Ví dụ 5: Biết khối lượng của electron 9,1.10 −31 (kg) và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.10 8 (m/s). Có thể gia tốc cho electron đến động năng bằng bao nhiêu nếu độ tăng tương đối của khối lượng bằng 5%. A. 8,2.10−14 J. B. 8,7. 10−14 J. C. 4,1.10−15J D. 8,7.10−16 J Hướng dẫn m m 0 0,05 2 m m0 15 m0 Wd m0c 4,1.10 J Chọn C. 2 2 m0 Wd mc m0c Ví dụ 6: Biết khối lượng của electron 9,1.10−31 (kg) và tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.108 (m/s). Công cần thiết để tăng tốc một electron từ trạng thái nghỉ đến tốc độ 0,5c là A. 8,2.10−14 J. B. 1,267. 10−14 J. C. 1,267.10−15J D. 8,7.10−16 J Hướng dẫn 2 1 31 8 2 1 14 A Wd m0c 1 9,1.10 . 3.10 . 1 1,267.10 J v2 0,52 1 c2 Chọn B. Ví dụ 7: Theo thuyết tương đối, một êlectron có động năng bằng một nửa năng lượng toàn phần của nó thì êlectron này chuyển động với tốc độ bằng A. 2,41.108 m/s. B. 2,75.108 m/s. C. l,67.108 m/s. D. 2,59.108 m/s. Hướng dẫn m m 0 v2 1 2 2 v 1 W m m c2 0,5mc2 m 2m c 1 d 0 0 c2 2 c 3 v 2,59.108 m / s Chọn D. 2 Ví dụ 8: Vận tốc của 1 êlectron tăng tốc qua hiệu điện thế 105 V là A. 0,4.108 m/s. B. 0,8.108 m/s. C. 1,2.108 m/s. D. 1,6.108 m/s. Hướng dẫn 2 1 8 e U Wd m0c v 1,6.10 m / s Chọn D. v2 1 c2 462
8. BÀI TẬP TỰ LUYỆN Bài 1: Khối lượng của vật tăng thêm bao nhiêu lần để vận tốc của nó tăng từ 0 đến 0,9 lần tốc độ của ánh sáng A. 2,3. B. 3. C. 3,2. D. 2,4. Bài 2: Tìm tốc độ của hạt mezon để năng lượng toàn phần của nó gấp 10 lần năng lượng nghỉ. Coi tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). A. 0.4.108 m/s. B. 0.8.108 m/s. C. 1,2.108 m/s. D. 2,985.108 m/s. Bài 3: Coi tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). Năng lượng của vật biến thiên bao nhiêu nếu khối lượng của vật biến thiên một lượng bằng khối lượng của electron 9,1.10-31 (kg)? A. 8,2.10-14 J. B. 8,7. 10-14 J. C. 8,2.10-16 J. D. 8,7.10-16 J. Bài 4: Biết khối lượng của electron 9,1.10 -31 (kg) và tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.10 8 (m/s). Động năng của một electron có tốc độ 0,99c là A. 8,2.10-14 J B. 1,267.10-14J C. l,267.1011s J D. 4,987.10-14 J Bài 5: Một hạt có động năng bằng năng lượng nghỉ của nó. Coi tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). Tốc độ của hạt là A. 2.108m/s B. 2,5.108m/s C. 2,6.108m/s D. 2,8.108m/s Bài 6: Một hạt có động năng bằng 2 lần năng lượng nghỉ của nó. Coi tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). Tốc độ của hạt là A. 2,56.108m/s B. 0,56.108m/s C. 2,83.108m/s D. 0,65.108m/s Bài 7: Khối lượng của hạt electrôn chuyển động lớn gấp hai lần khối lượng của nó khi đứng yên. Tìm động năng của hạt. Biết khối lượng của electron 9,1.10 -31 (kg) và tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). A. 8,2.10-14 J B. 8,7.10-14J C. 8,2.1016J D. 8,7.10-16 J Bài 8: Coi tốc độ ánh sáng trong chân không 3.10 8 (m/s). Để động năng của hạt bằng một nửa năng lượng nghỉ của nó thì vận tốc của hạt phải bằng bao nhiêu? A. 2,54.10Ws B. 2,23.108m/s C. 2,22.108m/s D. 2,985.108m/s Bài 9: Một hạt có khối lượng nghỉ m 0 chuyển động với tốc độ v c 8 / 3 với c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Tỉ số giữa động năng và năng lượng nghỉ của hạt là A. 1. B. 2. C. 0,5. D.0,5 3 . Bài 10: Chọn phương án sai: A. Năng lượng nghỉ của một vật có giá trị nhỏ so với các năng lượng thông thường. B. Một vật có khối lượng m thì có năng lượng nghỉ E = m.c2. C. Năng lượng nghi có thê chuyên thành động năng và ngược lại. D. Trong vật lý hạt nhân khối lượng được đo bằng: kg; u và Mev/c2. Bài 11: Nếu một vật có khối lượng m thì có năng lượng E, biểu thức liên hệ E và m là: 2 2 A. E = mc . B. E = mc. C. E = (m0 - m)c ; D. E = (m0 - m)c. Bài 12: Một hạt có khối lượng nghỉ m0. Theo thuyết tương đối, khối lượng động (khối lượng tương đối tính) của hạt này khi chuyển động với tốc độ 0,8c (c là tốc độ ánh sáng trong chân không) là: A. l,75m0. B. 5m0/3. C. 0,36m0. D. 0,25m0. Bài 13: Một hạt có khối lượng nghỉ m 0. Theo thuyết tương đối, động năng của hạt này khi chuyển động với tốc độ 0,8c (c là tốc độ ánh sáng trong chân không) là 2 2 2 2 A. 0,36m0c . B. 1,25 m0c . C. 0,225m0c . D. 2m0c /3. Bài 14: Biêt khôi lượng của electron 9,1.10 -31 (kg) và tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.108 (m/s). Công cần thiết để tăng tốc một electron từ trạng thái nghi đến tốc độ 0,6c là A. 8,2.10-14 J. B. 1,267.10-14J. C. 267.10-15 J. D. 2,0475.10-14 J 463
9. 1.A 2.D 3.A 4.D 5.C 6.C 7.A 8.B 9.B 10.A 11.A 12.B 13.D 14.D 15. 16. 17. 18. 19. 20. Chủ đề 22. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT CỦA HẠT NHÂN. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT 1. Lực hạt nhân + Lực hạt nhân (lực tương tác : trong hạt nhân mạnh) là một loại lực truyền tương tác giữa các nuclôn + Lực hạt nhân chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (10−15m) a. Độ hụt khối − Khối lượng của một hạt nhân luôn luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó. − Độ chênh lệch khối lượng đó gọi là độ hụt khối của hạt nhân: m Zmp A Z mn mX b. Năng lượng liên kết 2 2 Wlk Zmp A Z mn mx c hay Wlk mc − Năng lượng liên kết của một hạt nhân được tính bằng tích của độ hụt khối của hạt nhân với thừa số c2. c. Năng lượng liên kết riêng − Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân. 3. Phản ứng hạt nhân a. Định nghĩa và đặc tính − Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi của các hạt nhân. + Phản ứng hạt nhân tự phát − Là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác. + Phản ứng hạt nhân kích thích − Quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác. b. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân + Bảo toàn điện tích. + Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số A). + Bảo toàn năng lượng toàn phần. + Bảo toàn động lượng. c. Năng lượng phản ứng hạt nhân − Phản ứng hạt nhân có thể toá năng lượng hoặc thu năng lượng: 2 ΔE = (mtrước − msau)c + Nếu ΔE > 0 → phản ứng toá năng lượng: + Nếu ΔE < 0 → phản ứng thu năng lượng. B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN 1. Bài toán liên quan đến năng lượng liên kết hạt nhân. 2. Bài toán liên quan đến năng lượng phản ứng hạt nhân tỏa, thu. 3. Bài toán liên quan đến phản ứng hạt nhân kích thích. Dạng 1. BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN A Xét hạt nhân: Z X. Độ hụt khối của hạt nhân: m Zm A Z m m m Zm A Z m m với P n n X H n X* m là khối lượng của nguyên tử X: m m Zm X* X* X e và mH là khối lượng của hạt nhân hidro: mH mP me . 464
10. 2 2 Năng lượng liên kết: Wlk Zmp A Z mN mX c Hay Wlk mc W Năng lượng liên kết riêng:  lk . A 60 Ví dụ 1: Xét đồng vị Côban 27Co hạt nhân có khối lượng mCo = 59,934u. Biết khối lượng của các hạt: mp = 1,007276u; mn = l,008665u. Độ hụt khối của hạt nhân đó là A. 0,401u. B. 0,302u. C. 0,548u. D. 0,544u. Hướng dẫn m 27mP 60 27 mn mCo 0,548u Chọn C. 27 1 Ví dụ 2: Khối lượng của nguyên tứ nhôm 13 Al là 26,9803u. Khối lượng của nguyên tử 1 H là l,007825u, khối lượng của prôtôn là l,00728u và khối lượng của nơtron là 1,00866u. Độ hụt khối của hạt nhân nhôm là A. 0,242665u. B. 0,23558u. C. 0,23548u. D. 0,23544u. Hướng dẫn * m 13mH 14mN mAl 13.1,007825u 14.2,00866u 26,9803u 0,242665u Chọn A. Ví dụ 3: (CĐ 2007) Hạt nhân càng bền vững khi có A. số nuclôn càng nhỏ. B. số nuclôn càng lớn. C. năng lượng liên kết càng lớn. D. năng lượng liên kết riêng càng lớn. Hướng dẫn Hạt nhân càng bền vững khi có năng lượng liên kết riêng càng lớn Chọn D. Ví dụ 4: (CĐ 2007) Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết A. tính cho một nuclôn. B. tính riêng cho hạt nhân ấy. C. của một cặp prôtôn−prôtôn. D. của một cặp prôtôn−nơtrôn (nơtron). Hướng dẫn Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho một nuclôn Chọn A. Ví dụ 5: (ĐH − 2009) Giả sử hai hạt nhân X và Y có độ hụt khối bằng nhau và số nuclôn của hạt nhân X lớn hơn số nuclôn của hạt nhân Y thì A. hạt nhân Y bền vững hơn hạt nhân X. B. hạt nhân X bền vững hơn hạt nhân Y. C. năng lượng liên kết riêng của hai hạt nhân bằng nhau. D. năng lượng liên kết của hạt nhân X lớn hơn năng lượng liên kết của hạt nhân Y. Hướng dẫn Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Y lớn hơn năng lượng liên kết riêng của hạt nhân X nên hạt nhân Y bền hơn Chọn A. Ví dụ 6: (ĐH − 2010) Cho ba hạt nhân X, Y và Z có số nuclôn tương ứng là A X, AY, AZ với AX = 2AY = 0,5AZ. Biết năng lượng liên kết của từng hạt nhân tương ứng là ΔE X, ΔEY, ΔEZ với ΔE Z < ΔEX < ΔEY. sắp xếp các hạt nhân này theo thứ tự tính bền vững giảm dần là A. Y, X, Z. B. Y, Z, X. C. X, Y, Z. D. Z, X, Y. Hướng dẫn EY EY Y A 0,5a Y EX EX Đặt AX 2AY 0,5AZ a thì X Y X Z Chọn A. AX a EZ EZ Z AZ 2a 465
11. 40 6 Ví dụ 7: (ĐH − 2010) Cho khối lượng của prôtôn; nơtron; 18 Ar ; 3 Li lần lượt là 1,0073 u; 1,0087 u; 39,9525 u; 6,0145 u và 1 u = 931,5 MeV/c2. So với năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 3 Li thì năng lượng hên kết riêng của hạt nhân Ar A. lớn hơn một lượng là 5,20 MeV. B. lớn hơn một lượng là 3,42 MeV. C. nhỏ hơn một lượng là 3,42 MeV. D. nhỏ hơn một lượng là 5,20 MeV. Hướng dẫn 2 W Zmp A Z mn mX c Áp dụng công thức:  lk A A 2 18.1,0073 40 18 1,0087 39,9525 uc  5,20 MeV / nuclon Ar 40 Li 6 8,62 MeV / nuclon Ar Li 8,62 5,20 3,42 MeV Chọn B. 2 3 4 Ví dụ 8: (ĐH 2012) Các hạt nhân đơteri 1 H ; triti 1 H , heli 2 He có năng lượng liên kết lần lượt là 2,22 MeV; 8,49 MeV và 28,16 MeV. Các hạt nhân trẽn được sắp xếp theo thứ tự giám dần về độ bền vững cứa hạt nhân là 2 4 3 2 3 4 4 3 2 A. 1 H; 2He; 1 H. B. 1 H; 1 H; 2He. C. 2 He; 1 He; 1 H. D. 3 4 2 1 H; 2He; 1 H. Hướng dẫn 2,2  1,11 MeV / nuclon 2 H 1 2 W 8,49 Áp dụng công thức:  lk  2,83 MeV / nuclon 3 H A 1 3 28,16  7,04 MeV / nuclon 4 He 2 4  4  3  2 Chọn C. 2 He 1 H 1 H 4 7 56 235 Ví dụ 9: (CĐ − 2012) Trong các hạt nhân 2 He, 3 Li; 26Fe và 92 U , hạt nhân bền vững nhất là 235 56 7 4 A. 92 U. B. 26 Fe. C. 3 Li. D. 2 He. Hướng dẫn Theo kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiêm thì hạt nhân có khối lượng trung bình là bền nhất rồi đến hạt nhân nặng và kém bền nhất là hạt nhân nhẹ Chọn B. Ví dụ 10: Khi nói về lực hạt nhân, câu nào sau đây là không đúng? A. Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các prôtôn với prôtôn trong hạt nhân. B. Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các prôtôn với nơtrôn trong hạt nhân. C. Lực hạt nhân là lực tương tác giữa các nơtron với nơtrôn trong hạt nhân. D. Lực hạt nhân chính là lực điện, tuân theo định luật Culông. Hướng dẫn Lực hạt nhân khác bản chất với lực điện Chọn D. Ví dụ 11: Năng lượng liên kết là A. toàn bộ năng lượng của nguyên tử gồm động năng và năng lượng nghỉ. B. năng lượng tỏa ra khi các nuclon liên kết với nhau tạo thành hạt nhân C. năng lượng toàn phần của nguyên tử tính trung bình trên số nuclon. D. năng lượng liên kết các electron và hạt nhân nguyên tử. 466
12. Hướng dẫn Năng lượng liên kết là năng lượng tỏa ra khi các nuclon liên kết với nhau tạo thành hạt nhân Chọn B. Ví dụ 12: Tìm phương án sai. Năng lượng liên kết hạt nhân bằng A. năng lượng liên kết riêng của hạt nhân đó nhân với tổng số nuclon trong hạt nhân. B. năng lượng tỏa ra khi các nuclon liên kết với nhau tạo thành hạt nhân đó. C. năng lượng tối thiểu để phá vỡ hạt nhân đó thành các nuclon riêng rẽ. D. năng lượng tối thiểu để phá vỡ hạt nhân đó. Hướng dẫn Năng lượng liên kết hạt nhân bằng năng lượng tối thiểu để phá vỡ hạt nhân đó thành các nuclon riêng rẽ Chọn D. −27 Ví dụ 13: (ĐH−2007) Cho: mC = 12,00000 u; mp = 1,00728 u; mn = 1,00867 u; 1u = 1,66058.10 kg; 1 eV =1,6.10−19 J ; c = 3.108 m/s. Năng lượng tối thiểu để tách hạt nhân C12 thành các nuclôn riêng biệt bằng A. 72,7 MeV. B. 89,4 MeV. C. 44,7 MeV. D. 8,94 MeV. Hướng dẫn 12 6 C có: 6 proton và 6 notron 2 2 Wlk mc 6mp 6mn mc c 89,4 MeV Chọn B. 20 1 Ví dụ 14: Năng lượng liên kết của 10 Ne là 160,64 MeV. Khối lượng của nguyên tử 1 H là l,007825u, khối lượng của prôtôn là l,00728u và khối lượng của nơtron là l,00866u. Coi 2u = 2 20 931,5 MeV/c . Khối lượng nguyên tử ứng với hạt nhân 10 Ne là A. 19,986947u. B. 19,992397u. C. 19,996947u. D. 19,983997u. Hướng dẫn 2 Wlk ZmH A Z mn mNe* c 160,64Mev 10.1,008725u 10.1,00866u m m 19,992397u c2 Ne* Ne* Chọn B. Chú ý: Năng lượng toả ra khi tạo thành 1 hạt nhân X từ các prôtôn và nơtron chinh bằng năng 2 lượng liên kết Wlk ZmH A Z mn mNe* c . Năng lượng toả ra khi tạo thành n hạt nhân X từ các prôtôn và nơtron bằng: Q nWlk ; n = (Số gam/Khối lượng mol).NA. Ví dụ 15: Tính năng lượng toả ra khi tạo thành 1 gam He4 từ các prôtôn và notron. Cho biết độ hụt khối hạt nhân He4 là Δm = 0,0304u; lu = 931 (MeV/c2); 1 MeV = 1,6.10−13 (J). Biết số Avôgađrô 6,02.1013/mol, khối lượng mol của He4 là 4 g/mol. A. 66.1010 (J). B. 66.1011 (J). C. 68.1010 (J). D. 66.1011 (J). Hướng dẫn Sogam 1 Q .N . m.c2 .6,02.1023.0,0004.931.1,6.1023 68.1010 J Khoiluong mol A 4 Chọn C. Chú ý: Nếu cho phương trình phản ứng hạt nhân để tìm năng lượng liên kết ta áp dụng định luật bảo toàn năng lượng toàn phần: “Tổng năng lượng nghi và động năng trước bằng tổng năng lượng nghi và động năng sau ” hoặc: “Tổng năng lượng nghỉ và năng lượng liên kết trước bằng tổng năng lượng nghỉ và năng lượng liên kết sau 467
13. 3 1 Ví dụ 16: Cho phản ứng hạt nhân: D D  2 He 0 n. . Xác định năng lượng liên kết của hạt 3 nhân 2 He . Cho biết độ hụt khối của D là 0,0024u và tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước phản ứng nhiều hơn tổng năng lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng là 3,25 (MeV), 1uc2 = 931 (MeV). A. 7,7187 (MeV). B. 7,7188 (MeV). C. 7,7189 (MeV). D. 7,7186 (MeV). Hướng dẫn 2m c2 2 W m m c2 W W D E5FD He n E5HFe E5Fn 2 2 2 mDc mHec WlkHe mn c 0 2 3,25 2.0,0024.uc WlkHe 0 WlkHe 7,7188 MeV Chọn B. 4 Ví dụ 17: Cho phản ứng hạt nhân: T + D  2 He + n. Xác định năng lượng liên kết riêng của 4 hạt nhân T. Cho biết độ hụt khối của D là 0,0024u; năng lượng liên kết riêng của 2 He là 7,0756 (MeV/nuclon) và tổng năng lượng nghỉ các hạt trước phản ứng nhiều hơn tổng năng lượng nghỉ của các hạt sau phản ứng là 17,6 (MeV). Lấy 1uc2 = 931 (MeV). A. 2,7187 (MeV/nuclon). B. 2,823 (MeV/nuclon). C. 2,834 (MeV/nuclon) D. 2,7186 (MeV/nuclon). Hướng dẫn 2 2 2 2 mT mD c ATT mDc mHe mn c AHeHe mn c 2 17,36 3.T 0,0024uc 4.7,0756 0 T 2,823 MeV / nuclon Chọn B. BÀI TẬP TỰ LUYỆN 7 Bài 1: Xét hạt nhân 3 Li , có khối lượng mLi = 7,01823u. Biết khối lượng các hạt: mp = l,0073u; mn = l,00867u. Độ hụt khối của hạt nhân liti là A. 0,03665u. B. 0,03558u. C. 0,03835u. D. 0,03544u. Bài 2: (ĐH - 2012) Trong một phản ứng hạt nhân, có sự bảo toàn A. số prôtôn. B. số nuclôn. C. số nơtron. D. khối lượng. Bài 3: Hạt nhân đơteri (D) có khối lượng 2,0136u. Năng lượng liên kết của nó là bao nhiêu? Biết 2 mn = 1,0087u; mp = 1,0073u ; 1 uc = 931 (MeV). A.23 MeV. B. 4,86 MeV. C. 3,23 MeD. 1,69 MeV. 7 Bài 4: Xét hạt nhân 3 Li , cho khối lượng các hạt: m Li = 7,01823u; mp = l,0073u; mn = l,00867u; luc2 = 931 (MeV). Năng lượng tối thiểu để tách hạt nhân Li7 thành các nuclôn riêng biệt là: A. 35,7 MeV. B. 35,6 MeV. C. 35,5 MeV. D. 35,4 MeV. Bài 5: Hạt nhân Đơteri có khối lượng 2,0136u. Biết lu = 931 MeV/c2, khối lượng prôtôn là l,0073u, khối lượng nơtrôn là l,0087u và coi 1 eV = 1.6.10 -19 J. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân đơteri là A. 3,575.10-19 J/nuclon. B. 3,43.10-13 J/nuclon. C. 1,788.10-13J/nuclon. D. 1,788.10-19J/nuclon. Bài 6: Xác định năng lượng liên kết riêng của hạt nhân U234. Biết khối lượng các hạt theo đơn vị 2 u là: mu = 234,041u; mp = l,0073u; mn = l,0087u; luc = 931,5 (MeV). A. 7,8 (MeV/nuclôn). B. 6,4 (MeV/nuclôn). C. 7,4 (MeV/nuclôn). D. 7,5 (MeV/nuclôn). 23 Bài 7: Năng lượng cần thiết để bứt một nuclon khỏi hạt nhân 11Na là bao nhiêu? Cho mNa = 2 22,9837u; mn = l,0087u; mp = l,0073u; lu.c = 931MeV A. 12,4 MeV/nuclon. B. 6,2 MeV/nuclon. C. 3,5 MeV/nuclon. D. 1,788.10-19/nuclon 468
14. 12 Bài 8: Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhận 6 C . Cho khối lượng của các hạt mC = 12u, mn 2 =l,0073u; mp = l,0087u; luc = 931,5 (MeV). A. 7,46 MeV/nuclon. B. 5,28 MeV/nuclon. C. 5,69 MeV/nuclon. D. 7,43 MeV/nuclon. 7 Bài 9: Tính năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 3Li . Cho khối lượng các hạt: m n = l,00867u; 2 mp = l,007276u; mLi = 7,01691u; 1ue = 931 (MeV). A. 5,389 MeV/nuclon. B. 5,268 MeV/nuclon. C. 5,269 MeV/nuclon. D. 7,425 MeV/nuclon. Bài 10: Tính năng lượng liên kết riêng của hạt α. Cho biết khối lượng: mα = 4,0015u; mn = 2 l,00867u; mp = 1,00728u; 1uc = 931 (MeV). A. 7,0756 MeV/nuclon. B. 7,0755 MeV/nuclon. C. 5,269 MeV/nuclon. D. 7,425 MeV/nuclon. 4 7 Bài 11: Hạt nhân heli 2He có năng lượng liên kết 28,4 MeV ; hạt nhân liti ( 3Li ) có năng lượng 2 liên kết là 39,2MeV ; hạt nhân đơtơri ( 1H ) có năng lượng liên kết là 2,24 MeV. Hãy sắp theo thứ tự tăng dần về tính bền vũng của 3 hạt nhân này. A. liti, hêli, đơtori. B. đơtơri, heli, liti. C. hêli, liti, đơtơri. D. đơtori, liti, heli. 56 14 238 Bài 12: Sắp xếp theo thứ tự tăng dần về độ bền vững của các hạt nhân sau: 26Fe ; 7N , 92U . Cho biết mFe = 55,927u, mN = 13,9992u, mLi = 238,0002u, mn = l,00867u; mp = 1,00728u 14 238 56 56 238 14 A. 7N , 92U , 26Fe B. 26Fe , 92U , 7N 56 238 14 56 238 C. 26Fe , 7N14, 92U D. 7N , 26Fe , 92U 234 206 Bài 13: Năng lượng liên kết của các hạt nhân 92U và 82Pb lần lượt là 1790 MeV và 1586 MeV. Chi ra kết luận đúng: A. Độ hụt khối của hạt nhân U nhỏ hon độ hụt khối của hạt nhân Pb. B. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân U lớn hơn năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Pb. C. Hạt nhân U kém bền hơn hạt nhân Pb. D. Năng lượng liên kết của hạt nhân U nhỏ hơn năng lượng liên kết của hạt nhân Pb. 10 Bài 14: Khối lượng của hạt nhân 5B là 10,0113 u; khối lượng của proton mP = l,0073u, của 2 nơtron mn = l,0086u. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân này là (cho u = 931,5 MeV/c ) A. 6,43 MeV/nuclon. C. 6,35 MeV/nuclon. B. 63,53 MeV/nuclon. D. 6,31 MeV/nuclon. 4 Bài 15: Tính năng lượng tỏa ra khi tạo thành 1 gam 2He từ các prôtôn và nơtron. Cho biết khối lượng: mα = 4,0015u ; mn = l,00867u ; mp = l,00728u và tốc độ ánh sáng trong chân không c = 3.108 (m/s). A. 68.1010 (J). B. 69.1010 (J). C. 68.104 (J). D. 69.104 (J). 2 Bài 16: Cho khối lượng của các hạt: mα = 4,0015u; mn = l,0087u; mp = l,0073u; 1uc = 931,5 MeV 23 và số Avogadro NA = 6,02.10 hạt/mol. Năng lượng tỏa ra khi tạo thành 1 mol hêli từ các prôtôn và nơtrôn là A.2,74.1012(J). B. 3,65.1012 (J). C. 2,17.1012 (J). D. 1,58.1012 (J). 23 Bài 17: Tính năng lượng toả ra khi tạo thành 2,3 gam 11Na từ các prôtôn và nơtron. Cho m Na = -27 22,9837u; mn = l,0087u; mp = l,0073u; lu = 1,66055.10 (kg), tốc độ ánh sáng trong chân không 3.108 (m/s). A. 2,7.1015(J). B. 2,7.1012 (J). C. 1,8.1015(J). D. 1,8.1012 (J). 4 Bài 18: Cần năng lượng bao nhiêu để tách các hạt nhân trong 1 gam 2He thành các proton và 2 nơtron tự do? Cho biết mHe = 4,0015u; mn =l,0073u; mp = l,0087u; luc = 931,5 (MeV). A. 5,36.1011 J. B. 4,54, 1011 J. C. 6,83. 1011 J. D. 8,271011 J 469