Chương 6: VẬT LÝ HẠT NHÂN
Röntgen
Hahn
Becquerel
1895
1896
Pierre & Marie Curie 1898 Discovery of Ra, Po
Discovery of X-ray
Spontaneous radioactivity
1938 Discovery of fission
1
2
Discovery of Radiation
Mrs. Röntgen's hand (Dec. 22, 1895)
3
Phân hạch U-235
neutron
U-235
U-23６
U-23６ U-235
U-23６ U-235
Thanh điều khiển
4
LOẠI PX
a, b, g-ray
Chì
b-ray
(+)
g-ray
a-ray
(-)
Bản điện cực
Nguồn px
5
Loại PX
Loại PX Điện tích KL
Giải thích
(amu)
a-ray
+2
4
Quãng chạy ngắn Ion hóa cao
Quãng chạy ngắn
b-ray
-1
0.000
5
Xuyên sâu cao
g-ray
0
0
Xuyên sâu cao
neutron
0
1
6
Loại PX
Tia-X (X)
Bức xạ điện từ
Tia Gamma (g)
Hạt Alpha (a)
Bức xạ ion hóa
Hạt Beta (b-, b+)
Hạt
Electron, Proton, etc
Neutrons
Từ đồng vị px
7
Cấu trúc nguyên tử
electron
Hạt nhân
proton
neutron
8
Nguyên tử và đồng vị
A
Hoặc X-A
XN
Z
He-4
4 He 2
X: Kí hiệu hóa học
A: Số khối
Z: Số nguyên tử (điện tích)
A=Z+N 4 2 2
N: Số Neutron
9
Chuỗi 238U
Chuỗi 232Th
10
Đồng vị của một nguyên tố là những hạt nhân có cùng giá trị Z nhưng khác giá trị N và A.
Độ phổ cập tự nhiên của các đồng vị là hàm lượng mà đồng vị đó có trong nguyên tố tự nhiên.
11
Hạt nhân gồm proton và neutron bó chặt vào nhau dẫn đến các điện tích trong hạt nhân (proton) tương tác với nhau bởi lực đẩy tĩnh điện rất lớn đến nỗi mà chúng có thể bay ra khỏi hạt nhân.
12
Tuy nhiên hạt nhân vẫn bền vững là do sự hiện diện của lực hạt nhân.
Lực hạt nhân là lực hút có tầm tác dụng rất ngắn (khoảng 2fm) và tác dụng lên tất cả các nucleon trong hạt nhân
13
Khám phá đồng vị
t
o r p ố S
s n o
Bền
Không bền
Số neutrons
14
Kích thước và cấu trúc hạt nhân lần đầu tiên được khảo sát trong thí nghiệm tán xạ của Rutherford. Điện tích dương trong một nguyên tử tập trung trong một khối cầu nhỏ có bán kính gần bằng 10-14m. 1fm = 10-15m
15
16
Hạt nhân có dạng hình cầu và có bán kính trung bình A là số khối của hạt nhân và r0 là hằng số và r0 = (1,2-1,4).10-15m
- Đơn vị khối lượng nguyên tử, u, chẳng hạn như khối lượng của đồng vị 12C là 12u.
Trong đó 1u = 1,66x10-27kg.
Các nhà vật lý thường biểu diễn khối lượng theo đơn vị MeV/c2
17
Haït
Khoái löôïng kg
U
1,67.10-27 1,68.10-27 3,3325.10-27 6,6444.10-27
1,0073 1,0087 2,01355 4,00047
MeV 938,23 939,53 1875,5 3726,2
Proton Neutron Deteri Alpha
18
· Naêng löôïng lieân keát rieâng :
Ñeå so saùnh ñoä beàn vöõng cuûa caùc nhaân ta thöôøng duøng khaùi nieäm naêng löôïng lieân keát öùng vôùi moät nucleon , hay goïi laø naêng löôïng lieân keát rieâng. Ta kyù hieäu baèng chöõ
=
A : soá khoái
Giaù trò thay ñoåi tuøy theo loaïi haït nhaân .
Noäi dung noù naèm töø 7 ñeán 8 MeV.
19
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
Do khối lượng là một phép đo năng lượng nên năng lượng toàn phần của hệ nhỏ hơn năng lượng liên kết của các nucleon riêng lẻ.
là khối lượng của các nucleon trong nhân
20
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT RIÊNG
Năng lượng liên kết của mỗi nucleon trong hạt nhân ta gọi là năng lượng liên kết riêng, tức là khi cung cấp năng lượng thì ta tách được một nucleon ra khỏi hạt nhân
Hạt nhân có càng lớn thì càng bền vững. Hạt nhân bền vững nhất là những hạt nhân có số khối A từ 50 đến 80
21
Vuøng beàn vöõng
Toång hôïp
Söï phaân haïch
)
V e M
á
â
( t e k n e i l
ï
g n ô ö
l
ê
g n a N
Soá khoái A
22
Từ đồ thị ta thấy rằng năng lượng liên kết riêng lớn nhất đối với các hạt nhân có số khối trung bình (quanh giá trị A = 60).
Năng lượng sẽ được giải phóng khi hạt nhân nặng có số khối A 200 tách hoặc phân hạch thành các hạt nhân nhẹ hơn có số khối gần A = 60
Năng lượng có thể giải phóng khi hai hạt nhân nhẹ có A 20 kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn
23
Thí nghiệm nổi tiếng của Rutherford về tán xạ hạt alpha lên hạt nhân, đã đề nghị rằng phóng xạ là kết quả của quá trình phân rã của hạt nhân không bền
24
Bảo toàn năng lượng
Bảo toàn động lượng
Bảo toàn mômen động lượng
Bảo toàn điện tích (số Z)
Bảo toàn số nucleon (số A)
25
Chu kì bán rã của đồng vị
l: hằng số phóng xạ
A = A0e-lt
Chu kì bán rã,Ｔ1/2 = ln2 / l
26
Chu kỳ bán rã của các ĐVPX
Hạt nhân 24Na 222Rn 131I 60Co 90Sr 137Cs 226Ra 239Pu 238U
Chu kì bán rã 15.0 h 3.8 d 8.0 d 5.3 y 28.8 y 30 y 1600 y 24000 y 4.5x109 y
27
SỰ CÂN BẰNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
Tốc độ phân rã của hạt nhân cha
Tốc độ phân rã của hạt nhân con (= tốc độ tạo thành – tốc độ phân rã)
Nhân cha lp = 0,693/T1/2p
Nhân con ld = 0,693/T1/2d
28
Hệ phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất và chúng có nghiệm
Phương trình Bateman
Sự phân rã của nhân cha
Nhân con lớn dần và phân rã
% hoạt độ
tmax 29 Thời gian (s)
Thời điểm mà hoạt độ của nhân con đạt giá trị cực đại
30
1. Hạt nhân con là bền
2. Chu kỳ bán rã của nhân cha ngắn hơn chu kỳ bán rã của nhân con, T1/2p < T1/2d (lp > ld). Điều kiện này được gọi là không cân bằng trong phân rã phóng xạ
3. Chu kỳ bán rã của nhân cha dài hơn chu kỳ bán rã của nhân con, T1/2p > T1/2d (lp < ld)
31
4. Chu kỳ bán rã của nhân cha dài hơn nhiều chu kỳ bán rã
của nhân con, T1/2p >> T1/2d (lp < Hoạt độ nhân cha % hoạt
độ Hoạt độ nhân con 32 Thời gian (s) a-decay proton a neutron nucleus U-238 Th-234 Proton : 92
Neutron: 146 Proton : 90
Neutron: 144 33 Nếu ta gọi MX là khối lượng của nhân cha, MY là khối
lượng của nhân con và Ma là khối lượng của hạt alpha
thì năng lượng phân rã được xác định bởi 34 b-decay và g-ray b g
Bức xạ điện từ electron Co-60 Ni-60* Ni-60 Proton : 27
Neutron: 33 Proton : 28
Neutron: 32 Proton : 28
Neutron: 32 35 Năm 1930, Pauli đề nghị rằng một
hạt thứ ba phải hiện diện để lấy đi
phần năng lượng và động lượng bị
mất đó. Sau đó Fermi đã đặt tên
cho hạt này là neutrino vì nó trung
hòa điện tích và có khối lượng nghỉ
rất nhỏ Kmax N
Số hạt
beta Trong quá trình phân rã beta của các hạt nhân phóng xạ
chúng ta phải viết đúng là Động năng K 36 Quá trình mà cạnh tranh với phân rã e+ được gọi là quá trình bắt electron Q trong quá trình phân rã beta như sau Giá trị Q trong phân rã e- và bắt electron là Giá trị Q trong phân rã e+ là 37 38 sơ đồ phân rã của 12B phân
rã beta với chu kỳ bán rã
20,4ms đến một trong hai
mức 12C. Nó có thể hoặc là
(1) phân rã trực tiếp đến
trạng thái cơ bản của 12C
bằng cách phát ra e- năng
lượng 13,4 MeV hoặc là (2)
chịu sự phân ra e- năng
lượng 9,0 MeV đến trạng thái
kích thích (12C)*, sau đó
phát gamma năng lượng 4,4
MeV để về trạng thái cơ bản 39 Uranium
Actinium
Thorium
Neptunium U238
U235
Th232
Np237 4,47.109
7,04.108
1,41.1010
2,14.106 Pb206
Pb207
Pb208
Bi209 40 Tương tác
của neutron Tán xạ Hấp thụ Phân hạch Tán xạ
đàn hồi Tán xạ
không
đàn hồi Bắt
neutron
(n, g) Sinh nhiều
neutron
(n, 2n);
(n, 3n)… Sinh hạt
mang điện
(n,p),
(n, a)
41 a b g and X neutron 42 Đơn vị đo bức xạ ion hóa Hoạt độ PX Đơn vị SI Hoạt độ Bq phân rã s-1 Liều lượng Liều hấp thụ Gy J kg-1 An toàn Liều tương đương Sv J kg-1 43 44 L i ề u b ứ c x ạ t r o n g đ ờ i s ố n g mSv/y CT scan (1 lần) Brasil Trung bình Legal limit X-ray (bao tử) (Ngực) Chuyến bay Near LWR
(< 0.001) 45 46 An toàn phóng xạ Che chắn Thời gian Khoảng cách 47 48 49 50 51 52 53 Tại Mỹ 54 Tại Thailand 55 Co-60
88.8 TBq 88.8TBq
88.8TBq
88.8TBq
88.8TBq 56Bộ phân tích
đa kênh
(MCA)
Chuỗi
Đồng vị bắt
đầu
Chu kỳ bán rã
(năm)
Đồng vị bền
kết thúc
Chương 6: 1, 3, 4, 5, 6, 13, 14, 15, 18, 19, 25, 26, 27
Giấy Nhựa Chì Bê tông
Da Nhôm Sắt Nước
Bức xạ tự nhiên
Tổng 2.4 mSv / year
Bức xạ vũ trụ, 0.4 mSv
Bức xạ trong đất,
0.5 mSv
Hít thở
1.2 mSv
Ăn uống, 0.3 mSv
Nhân tạo
Tự
nhiên
Gamma knife
100 m
