Bài giảng Vật lý 2: Chương 8a - Lê Quang Nguyên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý 2: Chương 8 cung cấp cho người học những kiến thức về trường điện từ. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Tính chất cơ bản của hạt nhân, hiện tượng phóng xạ, phản ứng hạt nhân, năng lượng hạt nhân.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý 2: Chương 8a - Lê Quang Nguyên

Nội dung 1. Mở đầu 2. Tính chất cơ bản của hạt nhân 3. Hiện tượng phóng xạ Vật lý hạt nhân 4. Phản ứng hạt nhân 5. Năng lượng hạt nhân Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com 1. Mở đầu – 1 1. Mở đầu – 2 • 1896 – Becquerel khám phá hiện tượng phóng • 1932 – Chadwick phát hiện hạt neutron. xạ của các hợp chất Uranium. Ivanenko đưa ra mô hình hạt nhân gồm proton • Rutherford chứng tỏ tia phóng xạ gồm ba loại: và neutron. tia alpha, beta và gamma. • 1933 – Fredéric Joliot và Irène Curie khám phá • 1911 – Rutherford, Geiger and Marsden thực hiện tượng phóng xạ nhân tạo. hiện tán xạ hạt alpha trên nguyên tử, từ đó • 1935 – Yukawa: lực hạt nhân được thực hiện thiết lập mô hình nguyên tử gồm hạt nhân + thông qua trao đổi các hạt π-meson. electron. • 1938 – Hahn và Strassman khám phá sự phân • 1919 – Rutherford phát hiện phản ứng hạt hạch hạt nhân. nhân: hạt nhân oxygen + alpha hạt nhân • 1942 – Fermi thực hiện lò phản ứng hạt nhân nitrogen. có điều khiển đầu tiên.
1. Mở đầu – 3 2. Tính chất cơ bản của hạt nhân a. Cấu trúc b. Kích thước c. Momen spin và momen động d. Momen từ hạt nhân H. Becquerel E. Rutherford J. Chadwick Frederic & Irene e. Lực hạt nhân f. Năng lượng liên kết O. Hahn H. Yukawa D. Ivanenko E. Fermi 2a. Cấu trúc hạt nhân 2a. Cấu trúc hạt nhân (tt) • Hạt nhân cấu tạo từ các nucleon • Khối lượng nucleon: (proton, neutron). • Ký hiệu: Khối lượng Hạt X: ký hiệu hóa học kg u MeV/c2 A Z X Z: số proton (bậc số nguyên tử) Proton 1,6726 × 10-27 1,007825 938,79 A = Z + N: số khối Neutron 1,6750 × 10-27 1,008665 939,57 • Ví dụ: Electron 9,101 × 10-31 5,486 × 10-4 0,511 Al: nhôm 27 13 Al Z = 13 1u = 1,660559 × 10-27 kg = 931,5 MeV/c2 A = 27 Nguyên tử C12 có khối lượng bằng 12u
2b. Kích thước hạt nhân 2c. Momen spin và momen động • Năm 1911, Rutherford dùng • Giống như electron, các nucleon cũng có spin các hạt α bắn phá hạt nhân, bằng ½. qua đó ước lượng bán kính hạt • Momen động của một nucleon bằng tổng nhân: momen động quỹ đạo và momen động spin. R ≈ R0 A1 3 • Momen động của hạt nhân bằng tổng momen 10-10 m R0 ≈ 1,2 × 10−15 m = 1,2 fm động của các nucleon. Nó có độ lớn: • Vậy: J = ℏ j ( j + 1) – thể tích hạt nhân tỷ lệ với số khối A. • j = 1, 2, 3, ... nếu A chẵn, – mọi hạt nhân đều có khối 10-15 m • j = 1/2, 3/2, 5/2, ... nếu A lẻ. lượng riêng gần bằng nhau. 2d. Momen từ hạt nhân 2d. Momen từ hạt nhân (tt) • Momen từ hạt nhân bằng tổng các momen từ của các nucleon. • Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance – NMR): – Trong một từ trường các momen từ hạt nhân hướng cùng chiều hay ngược chiều với B. – Kích thích bằng một từ trường xoay chiều có tần số radio. Sơ đồ máy MRI Ảnh MRI của vùng – Khi cộng hưởng, các photon bị hấp thụ mạnh để thần kinh thị giác đảo chiều momen từ. – Ứng dụng: chụp ảnh bằng cộng hưởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging – MRI).
2e. Lực hạt nhân – 1 2e. Lực hạt nhân – 2 • Hai người trượt tuyết • Các nucleon hút nhau bằng luôn “liên kết” với nhau lực hạt nhân để giữ cho hạt để có thể ném banh qua nhân bền vững. lại. • Lực hạt nhân có các tính chất • Các nucleon “liên kết” – phạm vi tác dụng ngắn ~ bằng cách trao đổi một 10−15 m, trong ba hạt π-meson: – phụ thuộc định hướng spin, π+ có điện tích +e, H. Yukawa π+ – không phải lực xuyên tâm, π− có điện tích –e, p – là lực trao đổi: các nucleon π0 trung hòa. n tương tác bằng cách trao p ↔ n+π + n ↔ p +π − n đổi các π-meson (Yukawa). p ↔ p +π 0 p n ↔ n+π 0 2e. Lực hạt nhân – 3 2f. Năng lượng liên kết – 1 • Trong thời gian ngắn Δt, nucleon có độ bất định ΔE ∆E .∆t >ɶ ℏ • Khối lượng một hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo nên nó. • đủ lớn để tạo ra một hạt π- meson có khối lượng cho bởi: ∆E = mπ c 2 • Độ chênh lệch khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân. • Trong thời gian Δt, hạt truyền qua tầm tác dụng của ∆M = Zmp + ( A − Z ) mn − M lực hạt nhân r: c∆t = r • Vậy π-meson có khối lượng: mπ >ɶ ℏ rc • Năng lượng cần để tạo nên hạt nhân là năng • Với r ~ 1,5 × 10-15m ta có: mπ >ɶ 2,33 × 10−28 kg lượng liên kết của hạt nhân. • Thực nghiệm xác nhận khối • Chính độ hụt khối tạo nên năng lượng liên kết lượng của π-meson. của hạt nhân: Wlk = ∆Mc 2
2f. Năng lượng liên kết – 2 2f. Năng lượng liên kết – 3 • Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính trên một nucleon. Wlk ε= A Các hạt nhân bền nhất có A ≈ 60 • Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân Hầu hết hạt nhân có ε ≈ 7 – 8,6 MeV càng bền. Câu hỏi áp dụng 2.1 Trả lời câu hỏi 2.1 93 Tìm năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 41 Nb, • Độ hụt khối của hạt nhân: biết khối lượng của nó là 92,9063768u. ∆M = 41mp + ( 93 − 41) mn − mNb ∆M = 41 (1,007825) + 52(1,008665) − 92,9063768 ∆M = 0,865028 u ∆M ⋅ c 2 • Năng lượng liên kết riêng: ε = A 0,865028 × 931,5( MeV ) ε= = 8,66 MeV 93 1u = 931,5 MeV/c2
3. Hiện tượng phóng xạ 3a. Hiện tượng a. Hiện tượng • Hiện tượng phóng xạ là b. Cơ chế phóng xạ sự phân rã tự nhiên của c. Định luật phóng xạ các hạt nhân không bền, phát ra: Chỉ có thể xuyên d. Các họ phóng xạ • Tia alpha: hạt nhân 42 He qua một tờ giấy e. Phóng xạ nhân tạo • Tia beta: electron hay Có thể xuyên qua positron (phản hạt của một lá nhôm dày vài electron). mm • Tia gamma: photon Có thể xuyên qua năng lượng cao. một bản chì dày vài cm 3a. Hiện tượng (tt) 3b. Cơ chế phóng xạ • Phóng xạ tuân theo các định luật bảo toàn: • Phóng xạ α: do các hạt α chui ngầm Pauli đã tiên năng lượng, động lượng, momen động lượng, ra khỏi rào thế hạt nhân. đoán sự tồn tại điện tích và số khối. • Phóng xạ β+ hay β–: do sự biến đổi của neutrino từ năm 1931 nhờ • Ví dụ: A giảm 4 qua lại giữa proton và neutron. định luật bảo Z giảm 2 neutrino: rất nhẹ, toàn năng 1 p → 01n + 10e +ν e – Phóng xạ α 238 92 U→ 234 90 Th + He 4 2 1 trung hòa, spin ½ lượng. Đến năm 1957 thì A không đổi phản neutrino các nhà khoa n → 11 p + −10e +ν e ( ) 1 – Phóng xạ β 234 90 Th → 234 91 Pa * + e Z tăng 1 0 −1 0 học quan sát được hạt này. • Phóng xạ γ: do hạt nhân chuyển từ – Phóng xạ γ ( 234 91 ) Pa * → 234 91 Pa + hf trạng thái năng lượng cao về trạng Trạng thái thái có năng lượng thấp hơn. kích thích
Câu hỏi áp dụng 3.1 Trả lời câu hỏi 3.1 Một hạt nhân Ra226 đang đứng yên thì phân rã α. • Theo định luật bảo toàn động lượng, hạt nhân Phát biểu nào sau đây là đúng? con và hạt α có động lượng bằng nhau và ngược chiều. (a) Hạt α có động năng lớn hơn hạt nhân con. • Động năng = ½ (động lượng)2/(khối lượng) (b) Hạt nhân con có động năng lớn hơn hạt α. • Hạt α nhẹ hơn nên có động năng lớn hơn. (c) Hạt nhân con có động năng bằng hạt α. • Câu trả lời đúng là (a). Câu hỏi áp dụng 3.2 Trả lời câu hỏi 3.2 Coi khối lượng của một hạt nhân có số khối A là A • Năng lượng toàn phần tỏa ra gồm động năng (u). của hạt α và của hạt nhân con: Hạt nhân Ra226 đứng yên phóng xạ ra hạt α với p2 p2 p2  mα  động năng 4,78 (MeV). Năng lượng toàn phần tỏa Q= + =  1 +  2mα 2mX 2mα  mX  ra từ phản ứng là:  m  Q = Kα  1 + α  (a) 0,487 (MeV) (b) 4,87 (MeV)  mX  (c) 48,7 (MeV) (d) 478 (MeV)  4  Q = Kα  1 + −  = 4,87 ( MeV )  A 4  4,78 MeV 226 Câu trả lời đúng là (b).
3c. Định luật phóng xạ – 1 3c. Định luật phóng xạ – 2 • Gọi N(t) là tổng số hạt nhân ở thời điểm t. • Tích phân hệ thức trên • Độ biến thiên số hạt nhân trong khoảng thời từ lúc đầu, khi tổng số gian (t, t + dt) là dN, dN < 0 vì N giảm dần. hạt nhân là N0, cho đến • Số hạt nhân phân rã trong khoảng thời gian (t, t lúc t, ta có: + dt) bằng – dN. N ( t ) = N0e − λt • Số hạt nhân phân rã trong thời gian (t, t + dt) thì tỷ lệ với tổng số hạt nhân lúc t và với dt: N ( t ) = N0e −t τ dN = −λ N ( t ) dt • với τ = 1/λ là thời gian • λ là hằng số phân rã của chất phóng xạ. sống trung bình của hạt nhân phóng xạ. 3c. Định luật phóng xạ – 3 Câu hỏi áp dụng 3.3 • Chu kỳ bán rã T1/2 là thời gian để số hạt nhân Sau hai chu kỳ bán rã của một chất phóng xạ có phóng xạ giảm đi một nửa. mấy phần của chất đó đã phân rã ? ln2 0,693 T1 2 = = Minh họa λ λ (a) ½ (b) ¼ • Độ phóng xạ H là số hạt nhân phân rã trong (c) ¾ (d) Không đủ dữ liệu để trả lời. một đơn vị thời gian: dN H =− = λ N (t ) dt • Đơn vị của H là Bq (Becquerel), hay Ci (Curie). 1 Bq = 1 phân rã /s, 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq.
Trả lời câu hỏi 3.3 Câu hỏi áp dụng 3.4 • Sau một chu kỳ bán rã thì ½ lượng chất đồng vị Cho chu kỳ bán rã của 6C14 là 5600 năm. Xét một đã phân rã. tượng cổ bằng gỗ, người ta thấy độ phóng xạ β– • Sau một chu kỳ bán rã nữa thì ½ của một nửa của nó chỉ bằng 0,77 lần độ phóng xạ của một còn lại tiếp tục phân rã. khúc gỗ có cùng khối lượng vừa mới chặt. Tuổi • Vậy phần vật chất đã phân rã là: của tượng gỗ là: 1 1 1  3 + = 2 2  2  4 (a) 2101 năm (b) 3101 năm • Câu trả lời đúng là (c). (c) 4101 năm (d) 5101 năm • Minh họa 14 C → 147 N + −10 e +ν e 6 Trả lời câu hỏi 3.4 – 1 Trả lời câu hỏi 3.4 – 2 • Độ phóng xạ của mẫu ở thời điểm t , lúc chúng • hay nếu viết qua chu kỳ bán rã: T1/2 = ln2 λ ta đo độ phóng xạ, là: T H (t ) t = − 1/2 ln H ( t ) = λ N ( t ) = λ N0e − λt ln2 H0 • Thay bằng số ta có: H ( t ) = H0e − λt ln0,77 t = −5600 n = 2112n • với H0 là độ phóng xạ của mẫu lúc t = 0, là gốc ln2 tính thời gian. • Câu trả lời gần đúng nhất là (a): 2101 năm. • Suy ra: • Trong đó ta đã giả định là lúc t = 0 tượng gỗ có 1 H (t ) độ phóng xạ bằng độ phóng xạ của một khúc gỗ t = − ln λ H0 vừa mới chặt. Điều này có hợp lý không?
Trả lời câu hỏi 3.4 – 3 3d. Các họ phóng xạ • Các nghiên cứu cho thấy lượng đồng vị 6C14 • Một họ phóng xạ là một chuỗi các hạt nhân trong động vật, thực vật sống là gần như không phóng xạ liên tiếp nhau cho đến khi đạt tới một đổi. đồng vị bền. • Chỉ khi chúng chết đi, lượng này mới giảm đi Họ phóng theo quy luật phóng xạ. Bắt đầu Kết thúc xạ • Do đó độ phóng xạ của một khúc cây mới cắt từ 232 208 Thorium Th 90 82 Pb thời cổ đại và ngày nay là gần bằng nhau! 238 206 Uranium 92 U 82 Pb 235 207 Actinium 89 Ac 82 Pb 3d. Các họ phóng xạ – Họ Thorium Câu hỏi áp dụng 3.5 Sau vài lần phân rã, một hạt nhân phóng xạ phát ra một hạt α và hai hạt β– để tạo nên hạt nhân 212. 84Po Hạt nhân ban đầu là hạt nhân nào sau đây? 216 (a) 86Rn220 (b) 84Po216 (c) 82Pb212 (d) 84Po218 Minh họa
Trả lời câu hỏi 3.5 3e. Phóng xạ nhân tạo • Quá trình phân rã: • Năm 1933, F. Joliot và Frederic & Irene α 2β − Irène Curie khám phá A Z X → A-4 Z-2Y  → A-4Z Z = 212 84 Po các đồng vị phóng xạ không có trong tự • Vậy A = 216, Z = 84. nhiên, • Hạt nhân ban đầu là 84Po216. • và theo dõi sự phân rã • Câu trả lời đúng là (b). của chúng cho đến khi đạt tới các đồng vị bền. • Họ nhận giải Nobel Hóa Học năm 1935. 4. Phản ứng hạt nhân 4a. Hiện tượng a. Hiện tượng • Các quá trình biến đổi của hạt nhân được gọi là phản ứng hạt nhân. b. Các loại phản ứng • Thường xảy ra do bắn phá một hạt nhân đứng yên bằng các hạt năng lượng cao. • Ví dụ: Hạt α năng Hạt nhân bia lượng cao 4 2 He + 73 Li → 10 n + 105 B 7 3 Li (α ,n ) 105 B
4a. Hiện tượng (tt) Câu hỏi áp dụng 4.1 • Trong một phản ứng hạt nhân các đại lượng Quá trình nào sau đây có thể là phản ứng hạt sau đây phải bảo toàn: nhân? – Số khối, – Điện tích, – Năng lượng, – Động lượng, – Momen động lượng. Trả lời câu hỏi 4.1 4b. Các loại phản ứng • (a) và (b) có thể là phản ứng hạt nhân vì số • Phản ứng tỏa nhiệt: khối lượng sau phản ứng khối và điện tích bảo toàn. giảm. • (c) không thể là phản ứng hạt nhân vì số khối • Phản ứng thu nhiệt: khối lượng sau phản ứng bằng 240 trước phản ứng, và 223 sau phản tăng. ứng. • Năng lượng trao đổi Q bằng năng lượng ứng với sự thay đổi khối lượng:   Q > 0: tỏa nhiệt Q =  ∑ mi ,truoc − ∑ m j ,sau  c 2  i j  Q < 0: thu nhiệt • ∑mi: tổng khối lượng nghỉ các hạt.
4b. Các loại phản ứng (tt) Câu hỏi áp dụng 4.2 • Trong phản ứng thu nhiệt, cần phải cung cấp Cho phản ứng thu nhiệt: năng lượng dưới dạng động năng của hạt đến bắn phá hạt nhân. 27 13 Al + 42 He → X + 10 n • Năng lượng tối thiểu cần phải cung cấp (năng (a) Hãy xác định hạt nhân kết quả. lượng ngưỡng của hạt bắn phá) là: (b) Tìm năng lượng ngưỡng của phản ứng, biết  m mAl = 26,974u, mα = 4,0015u. K min = Q  1 +   M • m là khối lượng của hạt đến bắn phá, • M là khối lượng hạt nhân bị bắn phá (hạt nhân bia). Trả lời câu hỏi 4.2 Câu hỏi áp dụng 4.3 • Số khối được bảo toàn: Tìm năng lượng tỏa ra từ phản ứng nhiệt hạch: 27 + 4 = A + 1 ⇒ A = 30 2 1 D + 31T → 42 He + 10 n • Điện tích được bảo toàn: 13 + 2 = Z + 0 ⇒ Z = 15 biết rằng độ hụt khối khi tạo thành hạt nhân D, T • Hạt nhân kết quả là: 30 và He lần lượt là 15 P • Nhiệt trao đổi: 29,970u ΔmD = 0,0024u, ΔmT = 0,0087u và ΔmHe = Q = c 2 ( mAl + mHe − mP − mn ) = −2,98MeV 0,0305u. • Năng lượng tối thiểu cần cung cấp:  m  K min = Q  1 + He  = 3,4MeV  mAl 
Trả lời câu hỏi 4.3 – 1 Trả lời câu hỏi 4.3 – 2 • Năng lượng tỏa ra được xác định từ: • Vậy Q còn có thể viết qua độ hụt khối của các hạt nhân tham gia phản ứng như sau: Q = mD + mT − ( mHe + mn )  c 2 Q =  ∆mHe − ( ∆mD + ∆mT )  c 2 [ ] = ( mD + mT − 2mp − 3mn ) + (2mp + 3mn − mHe − mn ) Q = 0,0305 − ( 0,0024 + 0,0087 )  × 931,5( MeV ) mD + mT − 2mp − 3mn = ( mD − mp − mn ) + ( mT − mp − 2mn ) Q = 18,07 ( MeV ) = − ( ∆mD + ∆mT ) 2mp + 3mn − mHe − mn = 2mp + 2mn − mHe = ∆mHe Trả lời câu hỏi 4.3 – 3 5. Năng lượng hạt nhân • Năng lượng trao đổi trong một phản ứng còn a. Mở đầu có thể tính qua độ hụt khối như sau: b. Phản ứng phân hạch   c. Phản ứng nhiệt hạch Q =  ∑ ∆mi ,sau − ∑ ∆m j ,truoc  c 2  i j  d. Năng lượng hạt nhân và nhu cầu năng lượng • hay qua năng lượng liên kết: hiện đại Q = ∑ E ilk,sau − ∑ E lkj ,truoc i j • Nếu các hạt nhân kết quả có độ hụt khối (hay năng lượng liên kết) lớn hơn các hạt nhân ban đầu thì phản ứng tỏa năng lượng.
5a. Mở đầu 5b. Phản ứng phân hạch – 1 • Là phản ứng tách hạt nhân nặng thành hai hạt nhân có có năng lượng liên kết riêng lớn hơn. Vùng cho năng • Ví dụ: 0 n + 92 U → 92 U → X + Y + neutrons 1 235 236 * lượng phân hạch – neutron đến là neutron chậm (neutron Vùng cho • Để phản ứng tỏa năng lượng: nhiệt). năng lượng – 236U* là trạng thái trung gian, không bền. • Phân chia các hạt nhân lớn – nhiệt hạch phản ứng phân hạch – X, Y là các hạt nhân kết quả. • Kết hợp các hạt nhân nhỏ – phản ứng nhiệt hạch – có thể có nhiều tổ hợp X, Y thỏa định luật bảo toàn năng lượng, số khối và điện tích. 5b. Phản ứng phân hạch – 2 5b. Phản ứng phân hạch – 3 1n • Qua minh họa vừa rồi ta thấy có mấy trường hợp: 235U • Phản ứng dây chuyền: số neutron tạo ra lớn 236U* Y hơn số neutron hấp thụ. (Bom nguyên tử) • Phản ứng kiểm soát được: số neutron tạo ra bằng số neutron hấp thụ. (Lò phản ứng) • Phản ứng tắt: số neutron tạo ra nhỏ hơn số X neutron hấp thụ. • Ngoài ra, để có phản ứng thì phải có đủ 235U. (Khối lượng > khối lượng tới hạn) Minh họa
5c. Phản ứng nhiệt hạch • Là phản ứng kết hợp các hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân có năng lượng liên kết riêng lớn hơn. • Ví dụ: 2 1 D + 13 D → 42 He + 01 n • Để thực hiện phản ứng cần có nhiệt độ rất cao để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân nhẹ. • Phản ứng chưa điều khiển được. Bom nhiệt hạch • Là nguồn năng lượng của các vì sao.