Sáng kiến kinh nghiệm Giải bài toán vật lí hạt nhân bằng phương pháp dùng định luật bảo toàn động lượng

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Giải bài toán vật lí hạt nhân bằng phương pháp dùng định luật bảo toàn động lượng

1. 1. MỞ ĐẦU 1.1. Lí do chọn đề tài Vật lí học là bộ môn khoa học cơ bản, làm cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng mới ngày nay. Sự phát triển của Vật lí học dẫn tới sự xuất hiện nhiều ngành kỹ thuật mới: Kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, tự động hoá và điều khiển học, công nghệ thông tin Do có tính thực tiễn, nên bộ môn Vật lí ở các trường phổ thông là môn học mang tính hấp dẫn. Tuy vậy, Vật lí là một môn học khó vì cơ sở của nó là toán học.Bài tập Vật lí rất đa dạng và phong phú. Trong phân phối chương trình số tiết bài tâp lại hơi ít so với nhu cầu cần củng cố kiến thức cho Học sinh. Chính vì thế, người giáo viên phải làm thế nào để tìm ra phương pháp tốt nhất nhằm tạo cho học sinh niềm say mê yêu thích môn học này.Giúp học sinh việc phân loại các dạng bài tập và hướng dẫn cách giải là rất cần thiết. Việc làm này rất có lợi cho Học sinh trong thời gian ngắn đã nắm được các dạng bài tập, nắm được phương pháp giải và từ đó có thể phát triển hướng tìm tòi lời giải mới cho các dạng bài tương tự. Trong yêu cầu về đổi mới giáo dục về việc đánh giá Học sinh bằng phương pháp trắc nghiệm khách quan thì khi Học sinh nắm được dạng bài và phương pháp giải sẽ giúp cho học sinh nhanh chóng tìm được đáp số. Vật Lí hạt nhân là một phần quan trọng trong chương trình Vật lí lớp 12 và thường có mặt trong đề thi của các kì thi Quốc gia hiện hành, và đây cũng là một phần có lượng kiến thức lớn và khó đối với nhiều học sinh THPT. Với lí do đó, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÍ HẠT NHÂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÙNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG”. 1.2. Mục đích nghiên cứu Đề tài nàynhằm trang bị cho các em học sinh lớp 12 những kiến thức cơ bản, giúp các em có thể nhanh chóng định hình những kiến thức cần áp dụng để giải các bài tập trắc nghiệm phần Vật Lí hạt nhânmột cách nhanh chóng và tránh được những nhầm lẫn. Trên cơ sở những kết quả đã nghiên cứu, các kiến thức được phân loại trong từng trường hợp vận dụng, học sinh sẽ ghi nhớ và áp dụng một cách nhanh chóng, giúp Học sinh có được kết quả cao trong kì thi Quốc gia THPT. 1.3. Đối tượng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu các dạng bài tập cơ bản và nâng cao thường gặp trong đề thi THPT Quốc gia và áp dụng rộng rãi cho học sinh có lực học trung bình, khá, giỏi. Với phạm vi một sáng kiến kinh nghiệm ở trường THPT, ở chuyên đề này, chúng tôi sẽ nghiên cứu đến một số vấn đề nhỏ của môn vật lý lớp 12: - Hệ thống cơ sở lí thuyết về Vật Lí hạt nhân; - Đưa ra phương pháp giải 4 dạng bài tập Vật Lí hạt nhân có sử dụng định luật bảo toàn động lượng và một số ví dụ cụ thể. -Bài tập tự luyện. 1
2. Đề tài được áp dụng cho 2 lớp 12C1 và 12C2 là 2 lớp có đa số Học sinh theo ban KHTN, chất lượng tương đương nhau. Lớp đối chứng 12C1 và lớp thực nghiệm 12C2 đều có 45 Học sinh. 1.4.Phương pháp nghiên cứu - Khái quát hóa, phân loại các trường hợp để có thể giải quyết các bài tập Vật Lí hạt nhân bằng phương pháp dùng định luật bảo toàn động lượng. - Xây dựng công thức tổng quát cho một số trường hợp. - Phương pháp thống kê, xử lý số liệu. 2
3. 2. NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1.Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 2.1.1. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân + Bảo toàn điện tích. + Bảo toàn số nuclôn (bảo toàn số khối A). + Bảo toàn năng lượng toàn phần. + Bảo toàn động lượng. 2.1.2. Năng lượng phản ứng hạt nhân Năng lượng của phản ứng hạt nhân có thể được tính theo một trong ba cách sau: Cách 1: Khi cho biết khối lượng của các hạt nhân trước và sau phản ứng: 22 E  mtruoc c m sau c Cách 2: Khi cho biết động năng của các hạt trước và sau phản ứng: EWW sau truoc Cách 3: Khi cho biết độ hụt khối của các hạt trước và sau phản ứng: 22 E  msau c m truoc c Cách 4: Khi cho biết năng lượng liên kêt hoặc năng lượng liên kêt riêng của các hạt nhân trước và sau phản ứng. EWW LKsau LKtruoc + Nếu ΔE > 0 thì toả nhiệt, ΔE < 0 thì thu nhiệt. 2.2. Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm Bài tập về Vật Lí hạt nhân sử dụng định luật bảo toàn động lượng trong chương trìnhVật lí lớp 12 thường gậy khó khăn cho Học sinh, số tiết bài tâp lại hơi ít so với nhu cầu cần nắm kiến thức cho học sinh. Qua những năm đứng lớp, tôi nhận thấy Học sinh thường rất lúng túng trong việc tìm cách giải dạng bài tập này. Hiện tại cũng có nhiều sách tham khảo cũng đã trình bày về các dạng Vật Lí hạt nhân ở các góc độ khác nhau. Ở chuyên đề này trình bày việc nhận diện và hướng dẫn cách giải có tính hệ thống với những chú ý giúp các em nắm sâu sắc các vấn đề liên quan. Việc làm này rất có lợi cho Học sinh trong thời gian ngắn đã nắm được các dạng bài tập, nắm được phương pháp giải và từ đó có thể phát triển hướng tìm tòi lời giải mới cho các bài tương tự. 2.3. Các sáng kiến kinh nghiệm (các giải pháp sử dụng để giải quyết vấn đề) 2.3.1. Dạng 1. Năng lượng phóng xạ Phương pháp: Hạt nhân mẹ A đứng yên phóng xạ thành hai hạt B (hạt nhân con) và C (hạt phóng xạ): A → B + C 3
4. Áp dụng định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn năng lượng toàn 0 mCB vCB m v m vCB m v CB 22 mACBCB c W W m m c WWECB mB WEC mBBCC W m W mmCB WWE m BC WE C B mmCB Nhận xét: Hai hạt sinh ra chuyển động theo hai hướng ngược nhau, có tốc độ và động năng tỉ lệ nghịch với khối lượng. Nếu bỏ qua bức xạ gama thì năng lượng tỏa ra chuyển hết thành động năng của các hạt tạo thành. Ví dụ 1: Hạt nhân A (có khối lượng nu) đứng yên phóng xạ thành hạt B (có khối lượng mB và C (có khối lượng mC) theo phương trình phóng xạ: A → B + C. Nếu phản ứng toả năng lượng ΔE thì động năng của B là A. ΔE.mc/(mB + mc). B. ΔE.mB/(mB + mc). C. ΔE.(mB + mc)/mc. D. ΔE.mB/mc. Hướng dẫn Ta có cách nhớ nhanh: Động năng các hạt sinh ra tỉ lệ nghịch với khối lượng và tổng động năng của chúng bằng AE nên: “toàn bộ có mB + mC phần trong đó WB mB chiếm mC phần và WC chiếm mB phần”: WEB Chọn A. mmBC Ví dụ 2: (ĐH−2008) Hạt nhân A đang đứng yên thì phân rã thành hạt nhân B có khối lượng mB và hạt α có khối lượng mα . Tỉ số giữa động năng của hạt nhân B và động nâng của hạt α ngay sau phân rã bằng 2 2 A. m / mB . B. mB / m . C. m / mB . D. mB / m . Hướng dẫn W m Cách 1: Động năng các hạt sinh ra tỉ lệ nghịch với khối lượng: B Chọn A. Wm B 22 WB m Cách 2: 0mvmv BBBBBB mv mv mWmV Wm B 210 Ví dụ 3: (ĐH−2010) Hạt nhân 84 Po đang đứng yên thì phóng xạ α , ngay sau phóng xạ đó, động năng của hạt α A. lớn hơn động năng của hạt nhân con. B. chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng động năng của hạt nhân con. C. bằng động năng của hạt nhân con. D. nhỏ hơn động năng của hạt nhân con. 4
5. Hướng dẫn 210 206 84P 82 Pb Cách 1: Trong phóng xạ, động năng các hạt sinh ra tỉ lệ nghịch với khối lượng: WmPb WW Pb Chọn A. Wm Pb Cách 2: 22 0mvmv PbPb mv Pb Pb mv mWmV Pb Pb WmPb 1 W WPb Chọn A. Wm Pb Ví dụ 4: (ĐH−2012) Một hạt nhân X, ban đầu đứng yên, phóng xạ α và biến thành hạt nhân Y. Biết hạt nhân X có số khối là A, hạt α phát ra tốc độ v. Lấy khối lượng của hạt nhân bằng số khối của nó tính theo đơn vị u. Tốc độ của hạt nhân Y bằng 4v 2v 4v 2v A. . B. . C. . D. . A4 A4 A4 A4 Hướng dẫn A 4 A 4 ZXY 2 Z 2 mv 4v 0 mYYY vYY m v m v m v v Chọn C. mY A 4 Các ví dụ tự luyện: Ví dụ 5: (ĐH − 2011) Một hạt nhân X đứng yên, phóng xạ α và biến thành hạt nhân Y. Gọi m1 và m2, v1 và v2, K1 và K2 tương ứng là khối lượng, tốc độ, động năng của hạt α và hạt nhân Y. Hệ thức nào sau đây là đúng? vmK v m K v m K v m K A. 1 1 1 . B. 2 2 2 . C. 1 2 1 . D. 1 2 2 . v2 m 2 K 2 vmK1 1 1 v2 m 1 K 2 v2 m 1 K 1 Ví dụ 6: Ban đầu hạt nhân P0210 đứng yên phóng xạ ơ theo phản ứng: Po210 X . 2 Cho khối lượng của các hạt: mα = 4,0015u; mP0 = 209,9828u; mx = 205,9744u; 1uc = 931 (MeV); 1 MeV = 1,6.10−13 J. Biết năng lượng toả ra trong phản ứng chuyến hết thành động năng của các hạt tạo thành. Động năng của hạt X là: A. 1.94.10−14 J. B. 1,95. 10−14 J. C. 1,96.1010−14 J. D. 1,97. 10−14 J. Ví dụ 7: Hạt nhân Ra226 đứng yên phóng xạ ra hạt α theo phương tình sau: Ra226 Rn222 . Cho biết tỉ lệ khối lượng của hạt nhân Rn và hạt α là 55,47. Biết năng lượng toả ra trong phản ứng chuyển hết thành động năng của các hạt tạo thành. Hỏi bao nhiêu % năng lượng toả ra chuyển thành động năng của hạt α . A. 98,22%. B. 98,23%. C. 98,24%. D. 98,25%. 5
6. Ví dụ 8: Hạt nhân U234 đứng yên phóng xạ ra hạt a theo phương trình: U234 Th230 . Biết năng lượng toả ra trong phản ứng là 2,2.10−12 J và chuyển hết thành động năng của các hạt tạo thành. Cho khối lượng các hạt: mα = 4,0015u, mTh = 229,9737u, 2u = 1,6605.10−27 kg. Tốc độ của hạt anpha là: A. 0,256.108m/s. B. 0,255.108 m/s. C. 0,084 m/s. D. 0,257.108 m/s. Ví dụ 9: Hạt nhân U234 đứng yên phóng xạ ra hạt α theo phương trình sau: U234 Th230 . Cho biết tỉ lệ khối lượng của hạt nhân Th và hạt α là 57,47. Biết năng lượng toả ra trong phản ứng chuyển hết thành động năng của các hạt tạo thành. Động năng của hạt α là 4 MeV. Tính năng lượng phản ứng tỏa ra. A. 4,06 MeV. B. 4,07 MeV. C. 4,04MeV. D. 4,08 MeV. Ví dụ 10: (THPTQ – 2017)Hạt nhna Ra226 đứng yên phóng ra một hạt α và biến đổi thành hạt nhân X. Động năng của hạt α phóng ra bằng 4,8 MeV. Coi tỉ lệ khối lượng xấp xỉ bằng tỉ số của số khối. Năng lượng một phân rã tỏa ra là: A. 4,89 MeV. B. 4,72 MeV. C. 271MeV D. 269 MeV. 2.3.2. Các hạt tham gia có động năng ban đầu không đáng kể Áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho phản ứng: ABCD  (nếu bỏ mCD vCD m v qua bức xạ gama): mACD vACD m v m v mCCDD W m W Chứng tỏ hai hạt sinh ra chuyển động theo hai hướng ngược nhau, có tốc độ và động năng tỉ lệ nghịch với khối lượng. mD WEWCA mmCD WWEW Mặt khác: CDA nên m WEW C DA mmCD 2 34 1 Ví dụ 11: Phản ứng hạt nhân: 1H 1 H  2 He 0 n toả ra năng lượng 17,6 MeV. Giả sử ban đầu động năng các hạt không đáng kể. Coi khối lượng xấp xỉ số khối. 1 Động năng của 0 n là A. 10,56 MeV. B. 7,04 MeV. C. 14,08 MeV. D. 3,52 MeV. Hướng dẫn 22 0 m v mn vnn m v m n v m W m n W n W n 0,25W n E W Wnn W 14,08 MeV Chọn C. 2.3.3. Các hạt chuyển động theo hai phương vuông góc với nhau 1 W mv2 2mW m 2 v 2 mv 2mW 2 6