Lý thuyết Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Bài 16. Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

1. Phản ứng hạt nhân

Khái niệm và phân loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân được phân thành hai loại:

- Phản ứng hạt nhân tự phát: hạt nhân kém bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác bền vững hơn.

- Phản ứng hạt nhân kích thích: trong đó các hạt nhân tương tác với nhau chủ yếu thông qua quá trình va chạm và biến đổi tạo thành các hạt nhân mới.

Các phản ứng hạt nhân phổ biến có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình sau:

\(_{{Z_1}}^{{A_1}}X + \,_{{Z_2}}^{{A_2}}Y \to \,_{{Z_3}}^{{A_3}}C + \,_{{Z_4}}^{{A_4}}D\)

trong đó X và Y là các hạt nhân tương tác, C và D là các hạt sản phẩm. Một số phản ứng hạt nhân có thể tạo ra nhiều hơn hai hạt sản phẩm.

Định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lí, trong phản ứng hạt nhân, điện tích và số khối được bảo toàn:

1. Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm.

A₁ + A₂ = A₃ + A₄

2. Định luật bảo toàn số nucleon: Tổng số nucleon (số khối) của các hạt tương tác bằng tổng số nucleon (số khối) của các hạt sản phẩm.

Z₁ + Z₂ = Z₃ + Z₄

2. Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng phân hạch của hạt nhân có thể được tạo ra bằng cách bắn phá các hạt nhân nặng bằng neutron (Hình 16.1).

Phương trình phản ứng: \(_0^1n + \,_{92}^{235}U \to \,_{92}^{236}{U^*} \to \,_{39}^{95}Y + \,_{53}^{138}I + 3_0^1n\)

k là số neutron trung bình còn lại sau mỗi phản ứng phân hạch

- Nếu k < 1: phản ứng dây chuyền không xảy ra.

- Nếu k = 1: phản ứng dây chuyền tới hạn, mật độ neutron không đổi. Đây là phản ứng dây chuyền được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân để tạo ra năng lượng.

- Nếu k > 1: phản ứng dây chuyền vượt hạn, mật độ neutron tăng liên tục theo thời gian. Phản ứng dây chuyền không điều khiển được và xảy ra trong các vụ nổ hạt nhân.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch)

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực cao.

Ví dụ một phương trình phản ứng tổng hợp hạt nhân:

\(_1^2H + \,_1^2H \to \,_2^3He + \,_0^1n\)

Phản ứng này toả năng lượng khoảng 4 MeV

Điều kiện để xảy ra phản ứng là ở nhiệt độ rất cao cỡ 10⁷ đến 10⁸ K, mật độ đủ lớn, thời gian phản ứng đủ dài.

3. Một số ngành công nghiệp hạt nhân trong đời sống

Phản ứng phân hạch có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp năng lượng, đó là các nhà máy phát điện sử dụng năng lượng hạt nhân.

Công nghệ hạt nhân còn có một số ứng dụng thực tiễn khác như:

- Trong y học: những kiến thức về vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Ví dụ: hiệu ứng huỷ cặp electron - positron (phản hạt của electron) được ứng dụng trong máy “chụp cắt lớp phát xạ positron"

- Trong nông nghiệp: cải tạo giống cây trồng có các đặc tính mới như: năng suất cao, chất lượng dinh dưỡng tốt, hình dáng đẹp (như cúc Chrysanthemum đột biến trong Hình 16.6), ...

- Trong công nghiệp: kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo mật độ vật liệu mà không phá huỷ mẫu vật, kiểm tra chất lượng mối hàn, ...

- Trong khảo cổ: xác định tuổi và thành phần cấu tạo chất của các mẫu vật.

- Trong thực phẩm: diệt vi sinh vật để khử trùng thực phẩm; làm chậm quá trình chín giúp trái cây được bảo quản lâu hơn ở điều kiện bình thường.

Sơ đồ tư duy về “Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng”