Đề ôn tập Vật lí số 25: Độ hụt khối và năng lượng liên kết

Đề tự biên soạn, không phải đề thi chính thức. Xét hạt nhân heli-4 có Z=2 proton, N=2 neutron và A=4 nucleon. Dùng khối lượng nguyên tử m(¹H)=1,007825 u, khối lượng neutron mₙ=1,008665 u, khối lượng nguyên tử heli-4 m(⁴He)=4,002603 u. Các electron hai vế triệt tiêu khi dùng khối lượng nguyên tử. Lấy 1 u·c²=931,5 MeV và 1 MeV=1,602×10⁻¹³ J.

Phần I. Trắc nghiệm nhiều lựa chọn

1. Câu 1. Số proton trong hạt nhân heli-4 là: A. 2; B. 4; C. 6; D. 1.
2. Câu 2. Hạt nhân ³He và ⁴He đều có Z=2. So với ⁴He, hạt nhân ³He có đặc điểm nào? A. Ít hơn 1 proton và có cùng số neutron; B. Cùng 2 proton nhưng ít hơn 1 neutron; C. Cùng số nucleon nhưng khác điện tích hạt nhân; D. Nhiều hơn 1 proton và ít hơn 1 neutron.
3. Câu 3. Số khối A của heli-4 bằng: A. số electron; B. số neutron; C. tổng số proton và neutron; D. điện tích của hạt nhân tính bằng coulomb.
4. Câu 4. Độ hụt khối của heli-4 theo dữ kiện là: A. 4,032980 u; B. 4,002603 u; C. 0,0030377 u; D. 0,030377 u.
5. Câu 5. Năng lượng liên kết toàn phần của heli-4 xấp xỉ: A. 28,30 MeV; B. 7,07 MeV; C. 931,5 MeV; D. 0,0304 MeV.
6. Câu 6. Lực nào giữ các nucleon trong hạt nhân, thắng lực đẩy điện giữa các proton ở cự li hạt nhân? A. Lực hấp dẫn.   B. Lực hạt nhân mạnh.   C. Lực hạt nhân yếu.   D. Lực đẩy điện giữa các proton.
7. Câu 7. Năng lượng liên kết của hạt nhân biểu thị năng lượng cần cung cấp để: A. tách electron khỏi nguyên tử; B. làm hạt nhân đứng yên; C. tách hạt nhân thành các proton và neutron riêng rẽ; D. đưa nguyên tử lên trạng thái kích thích điện tử.
8. Câu 8. Quan hệ giữa độ hụt khối và năng lượng liên kết là: A. BE=Δm/c²; B. BE=Δm/c; C. BE=c/Δm; D. BE=Δmc².
9. Câu 9. Trong cách tính bằng khối lượng nguyên tử trung hòa, electron triệt tiêu vì: A. mỗi nguyên tử heli và hai nguyên tử hiđro đều có hai electron; B. neutron mang điện âm; C. electron không có khối lượng; D. proton và neutron có điện tích bằng nhau.
10. Câu 10. Khi tạo thành một hạt nhân liên kết từ các nucleon tự do, hệ tỏa năng lượng bằng độ lớn năng lượng liên kết nếu quá trình xảy ra theo trạng thái cơ bản. A. Sai vì khối lượng tăng; B. Đúng; C. năng lượng luôn bằng không; D. chỉ có thể hấp thụ năng lượng.
11. Câu 11. Cho m(³He)=3,016029 u, m(¹H)=1,007825 u và mₙ=1,008665 u. Năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon của ³He xấp xỉ: A. 2,57 MeV/nucleon; B. 7,07 MeV/nucleon; C. 5,15 MeV/nucleon; D. 3,02 MeV/nucleon.
12. Câu 12. Đổi 28,30 MeV sang joule cho kết quả gần nhất là: A. 4,53×10⁻¹⁹ J; B. 1,77×10¹⁴ J; C. 28,30 J; D. 4,53×10⁻¹² J.
13. Câu 13. Khi so sánh độ bền liên kết của các hạt nhân khác số khối, đại lượng thường được xét là: A. năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon; B. tổng số electron; C. bán kính nguyên tử; D. điện tích neutron.
14. Câu 14. Hạt nhân có năng lượng liên kết lớn hơn trên mỗi nucleon thường được xem là: A. kém liên kết hơn; B. liên kết chặt hơn; C. không có tương tác hạt nhân; D. có khối lượng bằng tổng khối lượng nucleon.
15. Câu 15. Nếu 1 mol hạt nhân heli-4 đều có năng lượng liên kết 28,30 MeV mỗi hạt, tổng năng lượng tương ứng xấp xỉ: A. 28,30 J; B. 4,53×10⁻¹² J; C. 2,73×10¹² J; D. 6,02×10²³ J.
16. Câu 16. Phản ứng hạt nhân có thể giải phóng năng lượng khi: A. tổng khối lượng sản phẩm luôn lớn hơn ban đầu; B. không có biến đổi khối lượng; C. electron bị tách khỏi nguyên tử; D. sản phẩm có tổng năng lượng liên kết lớn hơn trạng thái đầu.
17. Câu 17. Nếu độ hụt khối tăng gấp đôi và các quy đổi không đổi thì năng lượng liên kết: A. tăng gấp đôi; B. giảm một nửa; C. không đổi; D. tăng gấp bốn.
18. Câu 18. Đơn vị thích hợp của năng lượng liên kết trên mỗi nucleon ở thang hạt nhân là: A. u/nucleon; B. MeV/nucleon; C. tesla; D. mol/s.

Phần II. Đúng/Sai

Câu 1. Cấu tạo hạt nhân heli-4

1. Điện tích hạt nhân heli-4 là +2e.
2. Nguyên tử heli-4 trung hòa có hai electron.
3. Hạt nhân heli-4 cũng được gọi là hạt alpha.
4. Hạt nhân heli-4 có ba neutron.

Câu 2. Độ hụt khối

1. Với khối lượng nguyên tử, có thể dùng Δm=2m(¹H)+2mₙ−m(⁴He).
2. Độ hụt khối theo số liệu là 0,030377 u.
3. Khối lượng hạt nhân liên kết bằng tổng khối lượng các nucleon tự do cấu thành nó.
4. Độ hụt khối dương trong ví dụ này phản ánh khối lượng trạng thái liên kết thấp hơn tổng khối lượng thành phần tự do.

Câu 3. Năng lượng liên kết

1. 1 u·c² tương đương 931,5 MeV theo dữ kiện.
2. Dựa trên kết quả câu 11, năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon của ⁴He lớn hơn của ³He.
3. Năng lượng liên kết trên nucleon bằng tổng năng lượng liên kết nhân với A.
4. Khi tách hạt nhân thành các nucleon tự do, cần cung cấp năng lượng liên kết.

Câu 4. Quy đổi và phản ứng

1. 1 MeV tương đương 1,602×10⁻¹³ J.
2. 28,30 MeV xấp xỉ 4,53×10⁻¹² J.
3. Độ hụt khối được đổi ra năng lượng bằng E=Δm/c².
4. Phản ứng giải phóng năng lượng có thể làm tổng khối lượng nghỉ của sản phẩm nhỏ hơn khối lượng nghỉ ban đầu.

Phần III. Trả lời ngắn

1. Câu 1: Một phản ứng có độ hụt khối 0,0120 u. Tính năng lượng tương ứng (MeV), làm tròn 3 chữ số có nghĩa.
2. Câu 2: Một hạt nhân có số khối A=6 và năng lượng liên kết toàn phần 18,0 MeV. Đổi năng lượng 15,0 MeV sang joule, ghi 3 chữ số có nghĩa.
3. Câu 3: Tính năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon (MeV/nucleon).
4. Câu 4: Với heli-4 trong dữ kiện đầu đề, độ hụt khối chiếm bao nhiêu phần trăm tổng khối lượng các nucleon tự do (4,032980 u)? Làm tròn 3 chữ số có nghĩa.
5. Câu 5: Nếu mỗi hạt nhân có năng lượng liên kết 15,0 MeV, tính tổng năng lượng liên kết của 1 mol hạt nhân (J), với Nₐ=6,022×10²³ mol⁻¹.
6. Câu 6: Xét một photon tia gamma có năng lượng 28,30 MeV. Cho hc=1,240×10⁻⁶ eV·m; tính bước sóng của photon (fm), làm tròn 3 chữ số có nghĩa.

Đáp án và lời giải

Phần I

1. Câu 1. A. Số hiệu nguyên tử heli là Z=2, nên hạt nhân heli có hai proton.
2. Câu 2. B. Hai đồng vị cùng nguyên tố có cùng Z=2 proton. Với ³He, N=A−Z=3−2=1; với ⁴He, N=4−2=2. Vì vậy ³He ít hơn ⁴He một neutron, nhưng giữ nguyên hai proton. Định nghĩa đồng vị và bảng khối lượng He-3/He-4 được đối chiếu với OpenStax Chemistry 2e, Ch. 2 Summary và OpenStax College Physics, Appendix A.
3. Câu 3. C. Số khối là tổng số nucleon: A=Z+N=2+2=4.
4. Câu 4. D. Δm=2(1,007825)+2(1,008665)−4,002603=0,030377 u.
5. Câu 5. A. BE=Δmc²=0,030377×931,5=28,296 MeV, làm tròn 28,30 MeV.
6. Câu 6. B. Ở khoảng cách rất nhỏ trong hạt nhân, lực hạt nhân mạnh hút các nucleon và thắng lực đẩy Coulomb giữa các proton. OpenStax College Physics 2e, §31.3.
7. Câu 7. C. Năng lượng liên kết là năng lượng cần để tách hạt nhân thành proton và neutron riêng biệt.
8. Câu 8. D. Công thức tương đương BE=Δmc²; khi Δm tính bằng u thì nhân với 931,5 MeV.
9. Câu 9. A. Hai nguyên tử hiđro có tổng hai electron như một nguyên tử heli, nên khối lượng electron triệt tiêu hai vế.
10. Câu 10. B. Khi hệ chuyển sang trạng thái liên kết bền hơn, phần năng lượng liên kết được giải phóng ra ngoài.
11. Câu 11. A. Δm₍³He₎=2m(¹H)+mₙ−m(³He)=0,008286 u. BE=0,008286×931,5≈7,718 MeV; chia A=3 được khoảng 2,57 MeV/nucleon.
12. Câu 12. D. 28,30×1,602×10⁻¹³=4,534×10⁻¹² J, làm tròn 4,53×10⁻¹² J.
13. Câu 13. A. Chia BE cho số nucleon A cho biết mức liên kết trung bình của mỗi nucleon.
14. Câu 14. B. Năng lượng liên kết trung bình lớn hơn nghĩa là cần nhiều năng lượng hơn để tách mỗi nucleon.
15. Câu 15. C. Mỗi hạt nhân gắn với 4,534×10⁻¹² J; nhân 6,022×10²³ được khoảng 2,73×10¹² J.
16. Câu 16. D. Sản phẩm liên kết chặt hơn có tổng năng lượng liên kết lớn hơn; chênh lệch có thể phát ra thành năng lượng.
17. Câu 17. A. BE=Δmc² nên khi Δm tăng hai lần, năng lượng liên kết cũng tăng hai lần.
18. Câu 18. B. MeV/nucleon biểu diễn năng lượng liên kết trung bình cho từng proton hoặc neutron trong hạt nhân.

Phần II

1. Câu 1: a) Đúng; b) Đúng; c) Đúng; d) Sai. Hạt nhân helium có Z=2 nên điện tích +2e; nguyên tử trung hòa có hai electron; hạt nhân ⁴He là hạt alpha; số neutron là 4−2=2, không phải 3. Các tính chất này phù hợp định nghĩa hạt alpha trong OpenStax Chemistry 2e, §21.2.
2. Câu 2: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng. Khối lượng trạng thái liên kết nhỏ hơn tổng khối lượng nucleon tự do một lượng Δm.
3. Câu 3: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng. Dữ kiện cho BE/A của ⁴He≈7,07 MeV/nucleon, lớn hơn giá trị ³He≈2,57 MeV/nucleon tính ở câu 11. BE/A được lấy bằng BE chia cho A, không phải nhân với A; muốn tách hạt nhân thành nucleon tự do phải cung cấp năng lượng liên kết.
4. Câu 4: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng. Phải nhân độ hụt khối với c²; nếu sản phẩm tỏa năng lượng thì khối lượng nghỉ sau phản ứng có thể giảm.

Phần III

1. Câu 1: E=Δmc²=0,0120×931,5=11,178≈11,2 MeV.
2. Câu 2: E=15,0×1,602×10⁻¹³=2,403×10⁻¹²≈2,40×10⁻¹² J.
3. Câu 3: BE/A=18,0/6=3,00 MeV/nucleon.
4. Câu 4: Tỉ lệ độ hụt khối so với tổng khối lượng nucleon tự do =0,030377/4,032980×100%=0,753%. Đây là tỉ lệ khối lượng tương ứng với năng lượng liên kết theo dữ kiện đề.
5. Câu 5: E_mol=15,0×1,602×10⁻¹³×6,022×10²³≈1,45×10¹² J.
6. Câu 6: E=28,30 MeV=28,30×10⁶ eV. λ=hc/E=(1,240×10⁻⁶)/(28,30×10⁶)=4,38×10⁻¹⁴ m=43,8 fm (3 chữ số có nghĩa). Đây là tính chất của một photon có năng lượng đã cho, không giả định photon đó được phát ra đơn độc trong quá trình tạo hạt nhân. Công thức E=hc/λ theo OpenStax College Physics 2e, §29.3.

Tài liệu tham chiếu và phạm vi kiểm chứng

• OpenStax College Physics 31.6: Binding Energy — độ hụt khối, năng lượng liên kết và cách dùng khối lượng nguyên tử.
• OpenStax College Physics 31.3: Substructure of the Nucleus — quy đổi 1 u sang năng lượng; OpenStax College Physics 2e 29.3: Photon Energies and the Electromagnetic Spectrum — E=hc/λ.
• OpenStax Chemistry 2e 21.2: Nuclear Equations — hạt alpha là hạt nhân helium-4 mang điện tích +2.
• Cục Quản lý chất lượng, Bộ GDĐT: cấu trúc đề thi tốt nghiệp THPT từ năm 2025 — dạng thức trắc nghiệm.

Khối lượng nguyên tử và quy đổi năng lượng được dùng nhất quán; phép tính Δm, BE, BE/A và J được tính lại. Đề còn chờ giáo viên Vật lí thẩm định độc lập.