Chuyên đề Hóa 10 Bài 2 (Cánh diều): Phản ứng hạt nhân

Giải bài tập Chuyên đề Hóa 10 Bài 2: Phản ứng hạt nhân

Giải bài tập trang 15 Chuyên đề Hóa 10 Bài 2

Mở đầu trang 15 Chuyên đề Hóa 10: Sự phát triển của hóa học thời cổ và trung đại có sự đóng góp quan trọng của các nhà gia kim thuật, những người có ước mơ biến thủy ngân (Hg, Z = 80) thành vàng (Au, Z = 79). Tất nhiên họ không thể thành công. Tuy nhiên ngày nay điều này đã trở thành sự thật nhờ sự biến đổi hạt nhân nguyên tử. Sự biến đổi hạt nhân nào sau đây mô tả quá trình này?

A. Loại đi một proton từ hạt nhân Hg.

B. Thêm một proton vào hạt nhân Hg.

Trả lời:

Một nguyên tử nguyên tố thủy ngân (Hg, Z = 80) có 80 proton trong hạt nhân.

Một nguyên tử nguyên tố vàng (Au, Z = 79) có 79 proton trong hạt nhân.

Sự biến đổi hạt nhân bằng cách loại đi một proton từ hạt nhân Hg đã biến được thủy ngân thành vàng.

I. Phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo

1. Phóng xạ tự nhiên

Giải bài tập trang 16 Chuyên đề Hóa 10 Bài 2

Câu hỏi 1 trang 16 Chuyên đề Hóa 10: Qua thí nghiệm nghiên cứu thành phần tia bức xạ từ phóng xạ tự nhiên (Hình 2.1), hãy cho biết các dòng hạt α, β, γ mang điện tích dương, âm hay không mang điện.

Trả lời:

Dòng hạt α (hạt nhân $H_2^{4}e$) mang điện tích dương

Dòng hạt β ($e_{-1}^0$) mang điện tích âm

Dòng hạt γ không mang điện

Luyện tập trang 16 Chuyên đề Hóa 10: Vì sao hạt α có giá trị điện tích lớn gấp đôi hạt β nhưng lại bị lệch ít hơn trong cùng một trường điện?

Trả lời:

Gia tốc hạt được tính bằng biểu thức: $a=\frac{F}{m}=\frac{\left|q\right|.E}{m}$

Gia tốc hạt tỉ lệ thuận với giá trị điện tích, tỉ lệ nghịch với khối lượng hạt.

Tia α bản chất là các hạt nhân của nguyên tử $H_2^{4}e$ có khối lượng lớn hơn nhiều so với tia β có bản chất là các electron nên dù điện tích có lớn hơn thì gia tốc hạt của tia β cũng lớn hơn so với tia α nên trong điện trường nó bị lệch nhiều hơn.

Câu hỏi 2 trang 16 Chuyên đề Hóa 10: Vì sao tia γ không bị lệch trong trường điện?

Trả lời:

Tia γ không bị lệch trong trường điện vì tia γ là dòng các hạt không mang điện tích.

Câu hỏi 3 trang 16 Chuyên đề Hóa 10: Nhận xét về tổng số khối và tổng điện tích trước và sau phản ứng.

Trả lời:

Tổng số khối và tổng điện tích trước và sau phản ứng không thay đổi.

Ví dụ minh họa:

$C_{27}^{60}O$→ $N_{28}^{60}i$+ β + γ

Tổng số khối trước = tổng số khối sau = 60.

Tổng điện tích trước (= 27) = tổng điện tích sau (28 – 1 = 27)

2. Sự phóng xạ nhân tạo

Giải bài tập trang 17 Chuyên đề Hóa 10 Bài 2

Câu hỏi 4 trang 17 Chuyên đề Hóa 10: Nêu sự giống và khác nhau giữa phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo.

Trả lời:

- Giống nhau: Đều là quá trình biến đổi hạt nhân nguyên tử đồng thời phát ra các tia bức xạ.

- Khác nhau:

+ Phóng xạ tự nhiên: Là quá trình biến đổi hạt nhân tự phát, không phụ thuộc vào tác động bên ngoài.

Sơ đồ tổng quát:

Hạt nhân mẹ → Hạt nhân con + Tia bức xạ

+ Phóng xạ nhân tạo: Là quá trình biến đổi hạt nhân không tự phát, gây ra bởi tác động bên ngoài lên hạt nhân.

Sơ đồ tổng quát:

Tia bức xạ 1 + Hạt nhân 1 → [Hạt nhân trung gian] → Hạt nhân 2 + Tia bức xạ 2

II. Phản ứng hạt nhân và các định luật bảo toàn số khối và điện tích

1. Phản ứng hạt nhân

Câu hỏi 5 trang 17 Chuyên đề Hóa 10:

Cho phản ứng hóa học C + O₂ → CO₂

Phản ứng hóa học trên khác các phản ứng phóng xạ tự nhiên và nhân tạo ở điểm nào?

Trả lời:

- Phản ứng hóa học trên chỉ có sự biến đổi electron lớp vỏ của các nguyên tử nguyên tố.

Cụ thể: $\stackrel{0}{C}+{\stackrel{0}{O}}_2\to \stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2$

Nguyên tử C nhường 4 electron, mỗi nguyên tử O nhận 2 electron.

- Các phản ứng phóng xạ tự nhiên và nhân tạo là sự biến đổi các proton trong hạt nhân nguyên tử

2. Định luật bảo toàn số khối và điện tích

Giải bài tập trang 18 Chuyên đề Hóa 10 Bài 2

Câu hỏi 6 trang 18 Chuyên đề Hóa 10: Cho phản ứng hạt nhân sau:

$O_8^{16}\to N_7^{16}+X_Z^A$

Xác định số khối, điện tích và tên gọi của hạt nhân $X_Z^A$

Trả lời:

Theo định luật bảo toàn số khối:

16 = 16 + A ⇒A = 0

Theo định luật bảo toàn điện tích:

8 = 7 + Z ⇒ Z = 1

Vậy hạt nhân cần tìm có tên gọi làH (hydrogen) số khối A = 0, điện tích hạt nhân Z = 1

III. Ứng dụng của phản ứng hạt nhân

Giải bài tập trang 19 Chuyên đề Hóa 10 Bài 2

Vận dụng trang 19 Chuyên đề Hóa 10: $C_{27}^{60}O$được dùng trong phương pháp xạ trị dựa theo phản ứng sau đây:

$C_{27}^{60}O$→ $N_{28}^{60}i$+ β + γ

Do nguồn bức xạ đặt ngoài cơ thể bệnh nhân nên tia xạ trị cần phải có khả năng đâm xuyên (khả năng đi xuyên qua lớp vật chất) lớn. Dựa vào bản chất của tia γ và β, em hãy dự đoán tia γ hay tia β có tác dụng xạ trị chính khi đặt $C_{27}^{60}O$ ngoài cơ thể bệnh nhân.

Trả lời:

Tia γ có khả năng đâm xuyên lớn hơn tia β

⇒ Tia γ có tác dụng xạ trị chính khi đặt $C_{27}^{60}O$ ngoài cơ thể bệnh nhân.

Khả năng đâm xuyên qua một số vật chất của tia phóng xạ

Bài tập:

Giải bài tập trang 21 Chuyên đề Hóa 10 Bài 2

Bài tập 1 trang 21 Chuyên đề Hóa 10: Xác định số khối và điện tích của hạt nhân X trong các quá trình sau:

($e_{+1}^0$là hạt positron, còn được kí hiệu là β⁺)

Trả lời:

a) $N_{11}^{22}a\to X_{?}^{?}+e_{+1}^0$

Theo định luật bảo toàn số khối:

22 = A_X + 0 ⇒ A_X = 22

Theo định luật bảo toàn điện tích:

11 = Z_X + (+1) ⇒ Z_X = 10

Vậy hạt nhân X có số khối A = 22, điện tích hạt nhân Z = 10

b) $X_{?}^{?}\to C_{17}^{35}l+e_{-1}^0$

Theo định luật bảo toàn số khối:

A_X = 35 + 0 ⇒ A_X = 35

Theo định luật bảo toàn điện tích:

Z_X = 17 + (-1) ⇒ Z_X = 16

Vậy hạt nhân X có số khối A = 35, điện tích hạt nhân Z = 16

c) $N_{28}^{63}i\to X_{?}^{?}+e_{-1}^0$

Theo định luật bảo toàn số khối:

63 = A_X + 0 ⇒ A_X = 63

Theo định luật bảo toàn điện tích:

28 = Z_X + (-1) ⇒ Z_X = 29

Vậy hạt nhân X có số khối A = 63, điện tích hạt nhân Z = 29

d) $X_{?}^{?}\to B_4^{9}e+e_{+1}^0$

Theo định luật bảo toàn số khối:

A_X = 9 + 0 ⇒ A_X = 9

Theo định luật bảo toàn điện tích:

Z_X = 4 + (+1) ⇒ Z_X = 5

Vậy hạt nhân X có số khối A = 9, điện tích hạt nhân Z = 5

Bài tập 2 trang 21 Chuyên đề Hóa 10: Phân rã tự nhiên $T_{90}^{232}h$tạo ra đồng vị bền $P_{82}^{208}b$, đồng thời giải phóng một số hạt α và β. Xác định số hạt α và β cho quá trình phân rã một hạt nhân $T_{90}^{232}h$.

Trả lời:

Theo định luật bảo toàn số khối: 232 = 208 + 4x + 0y (1)

Theo định luật bảo toàn điện tích: 90 = 82 + 2x + (-1)y (2)

Từ (1) và (2) ta có: x = 6, y = 4.

Vậy quá trình phân rã một hạt nhân $T_{90}^{232}h$ giải phóng ra 6 hạt α và 4 hạt β.

Bài tập 3 trang 21 Chuyên đề Hóa 10: Cần đốt cháy bao nhiêu kg than đá chứa 80% C để tạo ra lượng nhiệt bằng năng lượng giải phóng ra khi 1 gam $U_{92}^{235}$phân hạch. Biết khi phân hạch 1 mol $U_{92}^{235}$tỏa ra năng lượng là 1,8.10¹⁰ kJ, đốt cháy hoàn toàn 1 mol C tỏa ra năng lượng 393,5 kJ.

Trả lời:

1 mol $U_{92}^{235}$tương ứng với 1.235 = 235 gam

Khi phân hạch 235 gam $U_{92}^{235}$tỏa ra năng lượng là 1,8.10¹⁰ kJ

Khi phân hạch 1 gam $U_{92}^{235}$tỏa ra năng lượng là $\frac{1,{8.10}^{10}}{235}$kJ

Đốt cháy hoàn toàn 1 mol C tỏa ra năng lượng 393,5 kJ.

⇒ Đốt cháy hoàn toàn x mol C tỏa ra được năng lượng $\frac{1,{8.10}^{10}}{235}$kJ

⇒ x = $\frac{1,{8.10}^{10}}{235.393,5}$mol

⇒ Khối lượng C cần dùng là $\frac{1,{8.10}^{10}}{235.393,5}$.12 (gam)

⇒ Khối lượng than đá cần dùng là:

$\frac{1,{8.10}^{10}}{235.393,5}$.12$\frac{100}{80}$≈ 2,92.10⁶ gam ≈ 2920 kg

Bài tập 4* trang 21 Chuyên đề Hóa 10: Một mảnh giấy lấy được từ một trong các “Cuộn sách Biển Chết” (gồm 981 bản ghi khác nhau được phát hiện tại 12 hang động ở phía đông hoang mạc Judaea), được xác định có 10,8 nguyên tử $C_6^{14}$bị phân rã trong 1 phút ứng với 1 gam carbon trong mảnh giấy (Hình 2.3).

Hãy tính tuổi của mảnh giấy (t) dựa theo phương trình:

$t=\frac{1}{k}.\ln \frac{A_0}{A_t}$

Trong đó:

A₀ được coi bằng số nguyên tử $C_6^{14}$ bị phân rã trong 1 phút với 1 gam carbon trong sinh vật sống, A₀ = 13,6

A_t được coi bằng số nguyên tử $C_6^{14}$ bị phân rã trong 1 phút với 1 gam carbon trong mẫu vật nghiên cứu.

Hằng số k = 1,21 × 10^-4 năm^-1

Trả lời:

Tuổi của mảnh giấy $t=\frac{1}{k}.\ln \frac{A_0}{A_t}$= $\frac{1}{1,{21.10}^{-4}}\ln \frac{13,6}{10,8}$≈ 1905 năm