(Trang 13)
MỤC TIÊU
- Nêu được sơ lược về sự phóng xạ tự nhiên; lấy ví dụ về sự phóng xạ tự nhiên.
- Vận dụng được các định luật bảo toàn số khối và điện tích cho phản ứng hạt nhân.
- Nêu được sơ lược về sự phóng xạ nhân tạo, phản ứng hạt nhân.
- Nêu được ứng dụng của phản ứng hạt nhân phục vụ nghiên cứu khoa học, đời sống và sản xuất.
- Nêu được ứng dụng điển hình của phản ứng hạt nhân: xác định niên đại cổ vật, các ứng dụng trong lĩnh vực y tế, năng lượng.
| ? Loại phản ứng nào liên quan đến phóng xạ được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh trong y học, sản xuất điện năng và xác định niên đại trong khảo cổ,...? |
I. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1. Khái niệm
| Phản ứng hạt nhân là sự biến đổi hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố hoá học này thành hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố hoá học khác. Trong các phản ứng hoá học, chỉ có lớp vỏ electron trong nguyên tử bị thay đổi (thêm vào, hoặc bớt đi, hoặc dùng chung electron với nguyên tử khác,...), còn hạt nhân nguyên tử không thay đổi. Trong các phản ứng hạt nhân, thành phần của hạt nhân nguyên tử bị thay đổi, nguyên tố này có thể biến thành nguyên tố khác. Sự khác biệt quan trọng giữa phản ứng hoá học và phản ứng hạt nhân là sự biến đổi năng lượng trong các phản ứng hạt nhân lớn hơn nhiều so với các phản ứng hoá học. |
Hình 2.1. Mô hình mô tả một phản ứng hạt nhân |
Deuterium
Helium
Năng lượng
Tritiumn
Hạt nhân ban đầu
Hạt nhân trung gian
Ne utron
Hạt nhân sản phầm
2. Định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích
Trong phản ứng hạt nhân, cả số khối và điện tích đều được bảo toàn.
- Sau khi tách ra một hạt α (hạt nhân nguyên tử heli, kí hiệu là
), hạt nhân nguyên từ ban đầu bị giảm đi 2 đơn vị điện tích hạt nhân và 4 đơn vị của số khối. Ví dụ:
(Trang 14)
(Phương trình biểu diễn này được gọi là phương trình hạt nhân)
Sau khi tách ra một hạt β 
, hạt nhân nguyên tử ban đầu tăng thêm 1 đơn vị điện tích hạt nhân, số khối không thay đổi. Ví dụ:
II. PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN
1. Tính phóng xạ tự nhiên
Tính phóng xạ tự nhiên là khả năng tự phân rã của hạt nhân nguyên tử, tạo thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác, đồng thời phát ra bức xạ không nhìn thấy.
2. Thành phần của tia phóng xạ
- Phóng xạ kiểu α (alpha) là sự phân rã hạt nhân phóng ra hạt α.
Ví dụ: Hạt nhân 
phân rã, tạo ra hạt nhân 
và phóng ra hạt α.
- Phóng xạ kiểu β (beta) là sự phân rã hạt nhân phóng ra hạt β.
Ví dụ: Hạt nhân 
phân rã, tạo ra hạt nhân 
và phóng ra hạt β.
• Phóng xạ kiểu γ (gamma): Sự phân rã hạt nhân theo kiểu phóng xạ α, β thường kèm theo các hạt γ. Hạt γ không mang điện, chính là photon có bản chất của bức xạ điện từ, cùng bản chất với ánh sáng.
Các tia α, β, γ có khả năng đâm xuyên và khả năng gây ion hoá khác nhau. Tia γ có khả năng đâm xuyên lớn nhất, tia α có khả năng đâm xuyên kém nhất, nhưng khả năng ion hoá của tia α mạnh nhất, còn khả năng gây ion hoá của tia γ kém nhất.
Hình 2.2. Mô tả khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ qua giấy, aluminium và lead
3. Độ bền của đồng vị phóng xạ và chu kì bán rã
Tốc độ phân rã của một đồng vị phóng xạ thường được biểu diễn bằng chu kì bán rã.
Chu kì bán rã của một đồng vị phóng xạ là thời gian để phân rã một nửa số nguyên tử ban đầu (hay một nửa lượng chất ban đầu).
Ví dụ: Chu kì bán rã của đồng vị phóng xạ 
là 28 năm, nghĩa là nếu ban đầu có 1,0 g thì sau 28 năm lượng chỉ còn lại 0,5 g; sau 28 năm tiếp theo chỉ còn 0,25 g.
Chu kì bán rã càng ngắn, đồng vị bị phân rã càng nhanh, đồng vị càng kém bền. Chu kì bán rã càng dài, đồng vị bị phân rã càng chậm, đồng vị càng bền. Như vậy, chu kì bán rã của một đồng vị phóng xạ là thước đo độ bền tương đối của đồng vị đó.
(Trang 15)
| ? 1. Hoàn thành các phương trình hạt nhân sau đây:
2. Viết phương trình biểu diễn sự phóng xạ của các đồng vị:
3. Hạt nhân |
bức xạ liên tiếp hai electron, tạo ra một đồng vị uranium. Viết phương trình biều diễn quá trình đó.III. PHÓNG XẠ NHÂN TẠO
1. Tính phóng xạ nhân tạo
Hiện tượng phóng xạ nhân tạo được Irène Joliot-Curie (Irèn Quyri – con gái của Marie Curie) cùng chồng tìm ra năm 1934, khi bắn phá hạt nhân nguyên tử boron, aluminium, magnesium bằng tia α phát ra từ hạt nhân nguyên tử radium hoặc polonium.
Ví dụ: 
Đồng vị 
điều chế nhân tạo bằng cách trên không bền, tự phân rã phóng xạ theo phương trình:
Ở trường hợp này thoát ra hạt positron 
, có khối lượng bằng khối lượng electron và có điện tích bằng +1.
Hiện nay, bằng cách này các nhà khoa học đã điều chế nhân tạo được rất nhiều đồng vị phóng xạ của hầu hết các nguyên tố, bổ sung thêm những ô còn trống trong bảng tuần hoàn.
2. Sự phân chia hạt nhân và sự tổng hợp hạt nhân
- Sự phân chia hạt nhân (phân hạch hạt nhân) là phản ứng phân chia hạt nhân nặng thành hai hay nhiều mảnh có khối lượng nhẹ hơn.
Ví dụ: Khi bắn phá bằng neutron chậm thì hạt nhân 
bị phân chia thành hai mảnh:
Khi một mol uranium phản ứng giải phóng một năng lượng khổng lồ là 2.1010 kJ, có sức công phá tương đương với 20 000 tấn thuốc nổ TNT (trinitrotoluene), gấp rất nhiều lần so với năng lượng toả ra từ một phản ứng hoá học.
(Trang 16)
Trung bình khi dùng 1 hạt neutron để bắn phá hạt nhân thì có 3 neutron mới phát ra. Các neutron này có thể bắn phá tiếp để phân chia hạt nhân khác. Như thế, trong những điều kiện xác định, phản ứng phân chia có thể tự duy trì và gọi là phản ứng dây chuyền. Nếu lượng đủ lớn và xày ra phản ứng dây chuyền thì sẽ có một vụ nổ hạt nhân, làm nhiệt độ tăng lên hàng triệu °C.
Trong các đồng vị uranium chỉ là có khả năng phản ứng phân chia hạt nhân (nỗ hạt nhân), nhưng chỉ chiếm khoảng 0,7% lượng uranium tự nhiên, còn lại là 
. Đồng vị không có khả năng phân chia hạt nhân, nhưng có khả năng hấp thụ neutron tạo ra 2U. Sau thời gian ngắn,
tự phân rã thành đồng vị plutonium 
. Đồng vị phóng xạ 
cũng có khả năng phân chia hạt nhân như :
- Sự tổng hợp hạt nhân là phần ứng giữa các hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau, tạo thành hạt nhân nặng hơn. Các hạt nhân tham gia phản ứng phải được nung nóng nên phản ứng này còn gọi là phản ứng nhiệt hạch.
Ví dụ: phản ứng tạo nguồn năng lượng của Mặt Trời:
Phản ứng tạo thành 1 mol helium giải phóng ra năng lượng là 2,5·109 kJ. Nhiệt độ cần thiết cho phản ứng xảy ra là 1 triệu đến 10 triệu °C (nhiệt độ của Mặt Trời).
Trên Trái Đất, các nhà khoa học cố gắng thực hiện phản ứng:
Đây là phản ứng làm cơ sở cho bom khinh khí (bom hydrogen). Một vụ nổ bom hydrogen có nhiệt độ đến hàng chục triệu °C.
| ? 4. Ở tầng cao khí quyển, do tác dụng của neutron có trong tia vũ trụ, 5. Hoàn thành các phản ứng hạt nhân sau:
6. Xét phản ứng phân hạch đơn giản sau: X là hạt nhân nào sau đây?
|
phân rã thành 
và proton. Viết phương trình của phản ứng hạt nhân đó.
(Trang 17)
IV. ỨNG DỤNG CỦA ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1. Trong y học
Xạ trị là phương pháp sử dụng các tia bức xạ ion hoá như: tia X, tia γ có năng lượng cao, đó là các sóng điện từ hoặc các hạt như: electron, neutron, proton,... để điều trị bệnh ung thư.
Cấu trúc của DNA bên trong gene của các động, thực vật có thể thay đổi khi bị chiếu xạ.
Đồng vị phóng xạ 
là nguồn phát xạ γ thông dụng nhất. Các tia γ phát ra từ Co có khả năng xuyên sâu nên bức xạ γ được dùng đề chụp ảnh, điều trị các khối u ở sâu trong cơ thể,...
, sau đó 
; E≈1,25 MeV
Các bệnh ung thư bên ngoài như ung thư da có thể điều trị bằng các tia phóng xạ phát ra từ đồng vị 
hay 
bằng cách áp các túi nhựa đựng đồng vị phóng xạ vào vùng bị tổn thương.
Dùng đồng vị phóng xạ 
đề chần đoán và chữa bệnh bướu cổ.
2. Trong nông nghiệp
Sự chiếu xạ có thể làm thay đổi gene của thực vật tạo nên những đột biến và có thể tạo ra các giống mới. Sự chiếu xạ lương thực, thực phẩm bằng tia γ phát ra từ đồng vị 
có tác dụng diệt khuần, bảo quản lương thực, thực phầm lâu dài hơn.
3. Xác định niên đại cổ vật bằng hàm lượng đồng vị phóng xạ
a) Xác định niên đại (tuổi) của các di vật khảo cổ bằng đồng vị 
Cơ sở để xác định niên đại bằng là quá trình tạo thành xảy ra đồng thời với quá trình phân rã nó:
và 
Do sự tạo thành và phân rã xảy ra đồng thời nên khí quyền luôn chứa một lượng với nồng độ không đổi dưới dạng 14CO2. Lượng 14CO2 này xâm nhập vào cây cối thông qua sự quang hợp và từ cây cối chuyền sang động vật. Khi đó, mỗi loại sinh vật sống đều có một hàm lượng không đổi.
Khi động, thực vật chết đi, sự hấp thụ ngừng lại, nhưng sự phân rã vẫn tiếp tục, làm cho lượng giảm theo thời gian. So sánh hàm lượng chứa trong một mẫu vật khảo cổ với hàm lượng trong mẫu vật tương tự ở thời hiện tại là có thể xác định được tuổi của mẫu vật nghiên cứu.
b) Xác định niên đại (tuổi) của đá trong địa chất bằng đồng vị 
Đồng vị là đồng vị phóng xạ tự nhiên, sự phân rã đồng vị này cuối cùng tạo ra đồng vị bền là 
. Mẫu đá sơ khai chứa , còn mẫu đá nghiên cứu chứa hỗn hợp và . Dựa vào tỉ lệ của / của mẫu đá nghiên cứu (xác định bằng phỗ khối) có thề tính được thời gian tồn tại của mẫu đá nghiên cứu.
(Trang 18)
4. Sử dụng năng lượng nguyên tử phục vụ cho lợi ích nhân loại
Dùng các đồng vị Uvà 2Pu làm nhiên liệu trong các lò phản ứng hạt nhân đề sản 
và 
xuất ra điện (nhà máy điện nguyền tử) và chạy các tàu phá băng,...
| ? 7. Hãy nêu những ứng dụng quan trọng của các đồng vị sau: 8. Đồng vị phóng xạ plutonium Hãy viết phương trình cho mỗi trường hợp đó. |
có khả năng phân hạch hạt nhân đề giải phóng ra một năng lượng cực lớn và được sử dụng trong nhà máy điện nguyên tử đề sản xuất ra điện. Đồng vị 
có thể phân rã theo ba cách: (1) Nhận 1 electron; (2) bức xạ 1 positron; (3) bức xạ 1 hạt α..| EM ĐÃ HỌC
|
| EM CÓ THỂ Vận dụng kiến thức về phóng xạ tự nhiên và phản ứng hạt nhân để hiểu ứng dụng của các hiện tượng đó trong một số lĩnh vực y tế (chẩn đoán và điều trị ung thư, xạ trị,...), nông nghiệp (tạo giống mới, bảo quản hoa quả,...), năng lượng (điện nguyên tử,...) và khảo cổ (xác định niên đại cổ vật,...). |
