Nội dung
Vật lý hạt nhân
Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com
1. Mở đầu – 1
1. Mở đầu – 2
1. Mở đầu 2. Tính chất cơ bản của hạt nhân 3. Hiện tượng phóng xạ 4. Phản ứng hạt nhân 5. Năng lượng hạt nhân
• 1896 – Becquerel khám phá hiện tượng phóng
xạ của các hợp chất Uranium.
• 1932 – Chadwick phát hiện hạt neutron. Ivanenko đưa ra mô hình hạt nhân gồm proton và neutron. • Rutherford chứng tỏ tia phóng xạ gồm ba loại:
tia alpha, beta và gamma. • 1933 – Fredéric Joliot và Irène Curie khám phá
hiện tượng phóng xạ nhân tạo.
• 1935 – Yukawa: lực hạt nhân được thực hiện
thông qua trao đổi các hạt π-meson.
• 1911 – Rutherford, Geiger and Marsden thực hiện tán xạ hạt alpha trên nguyên tử, từ đó thiết lập mô hình nguyên tử gồm hạt nhân + electron. • 1938 – Hahn và Strassman khám phá sự phân
hạch hạt nhân.
• 1942 – Fermi thực hiện lò phản ứng hạt nhân • 1919 – Rutherford phát hiện phản ứng hạt nhân: hạt nhân oxygen + alpha (cid:1) hạt nhân nitrogen. có điều khiển đầu tiên.
2. Tính chất cơ bản của hạt nhân
1. Mở đầu – 3
H. Becquerel E. Rutherford
J. Chadwick
Frederic & Irene
H. Yukawa
O. Hahn
D. Ivanenko
E. Fermi
2a. Cấu trúc hạt nhân (tt)
2a. Cấu trúc hạt nhân
a. Cấu trúc b. Kích thước c. Momen spin và momen động d. Momen từ hạt nhân e. Lực hạt nhân f. Năng lượng liên kết
• Khối lượng nucleon: • Hạt nhân cấu tạo từ các nucleon
Khối lượng
(proton, neutron).
Hạt
X: ký hiệu hóa học
• Ký hiệu:
kg
u
MeV/c2
Z: số proton (bậc số nguyên tử)
1,6726 × 10-27 1,007825
938,79
Proton
A X Z
A = Z + N: số khối
1,6750 × 10-27 1,008665
939,57
Neutron
9,101 × 10-31
Electron
5,486 × 10-4 0,511
Al: nhôm
Z = 13
27 Al 13
A = 27
1u = 1,660559 × 10-27 kg = 931,5 MeV/c2 Nguyên tử C12 có khối lượng bằng 12u
• Ví dụ:
2c. Momen spin và momen động
2b. Kích thước hạt nhân
• Giống như electron, các nucleon cũng có spin
1 3
bằng ½.
0
10-10 m
= 15 m
1,2
fm
» • Momen động của một nucleon bằng tổng momen động quỹ đạo và momen động spin. • Momen động của hạt nhân bằng tổng momen - » ·
=
+
ℏ
(
)1
J
j
j
– thể tích hạt nhân tỷ lệ với số
• Năm 1911, Rutherford dùng các hạt α bắn phá hạt nhân, qua đó ước lượng bán kính hạt nhân: R R A R 0 1,2 10 • Vậy:
khối A.
động của các nucleon. Nó có độ lớn:
10-15 m
– mọi hạt nhân đều có khối lượng riêng gần bằng nhau.
2d. Momen từ hạt nhân (tt)
2d. Momen từ hạt nhân • Momen từ hạt nhân bằng tổng các momen từ
• j = 1, 2, 3, ... nếu A chẵn, • j = 1/2, 3/2, 5/2, ... nếu A lẻ.
của các nucleon.
• Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic
hướng cùng chiều hay ngược chiều với B.
– Kích thích bằng một từ trường xoay chiều có tần
số radio.
Resonance – NMR): – Trong một từ trường các momen từ hạt nhân
– Khi cộng hưởng, các photon bị hấp thụ mạnh để
đảo chiều momen từ.
– Ứng dụng: chụp ảnh bằng cộng hưởng từ hạt
nhân (Magnetic Resonance Imaging – MRI).
Sơ đồ máy MRI Ảnh MRI của vùng thần kinh thị giác
2e. Lực hạt nhân – 2
2e. Lực hạt nhân – 1
• Hai người trượt tuyết luôn “liên kết” với nhau để có thể ném banh qua lại. • Các nucleon hút nhau bằng lực hạt nhân để giữ cho hạt nhân bền vững.
• Lực hạt nhân có các tính chất – phạm vi tác dụng ngắn ~
H. Yukawa
π+
p
n
« +
n
p
n
0
0
10−15 m,
p
« +
« +
p p - p p
p
n
2e. Lực hạt nhân – 3
2f. Năng lượng liên kết – 1
– phụ thuộc định hướng spin, – không phải lực xuyên tâm, – là lực trao đổi: các nucleon tương tác bằng cách trao đổi các π-meson (Yukawa). • Các nucleon “liên kết” bằng cách trao đổi một trong ba hạt π-meson: π+ có điện tích +e, π− có điện tích –e, π0 trung hòa. n p + « + n p
D > ɶ ℏ .E t
2
D
D =
E m cp
• Khối lượng một hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo nên nó. • Độ chênh lệch khối lượng đó được gọi là độ hụt
D =
• Trong
(
) A Z m M
+ M Zm p
n
- - khối của hạt nhân. • Trong thời gian ngắn Δt, nucleon có độ bất định ΔE • đủ lớn để tạo ra một hạt π- meson có khối lượng cho bởi: thời gian Δt, hạt truyền qua tầm tác dụng của lực hạt nhân r:
28
kg
rc 2,33 10
D = r c t p >ɶ ℏ m ɶ > m p
• Năng lượng cần để tạo nên hạt nhân là năng - lượng liên kết của hạt nhân. ·
2
= D
Mc
lkW
• Chính độ hụt khối tạo nên năng lượng liên kết • Vậy π-meson có khối lượng: • Với r ~ 1,5 × 10-15m ta có: • Thực nghiệm xác nhận khối của hạt nhân: lượng của π-meson.
2f. Năng lượng liên kết – 2
2f. Năng lượng liên kết – 3
e =
Các hạt nhân bền nhất có A ≈ 60
lkW A
• Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết
Hầu hết hạt nhân có ε ≈ 7 – 8,6 MeV
tính trên một nucleon.
• Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân
Câu hỏi áp dụng 2.1
Trả lời câu hỏi 2.1
93
41Nb
càng bền.
)
41
Nb
- - • Độ hụt khối của hạt nhân: (
)
+ m p (
m m n (
52 1,008665
92,9063768
93 41 ) + 41 1,007825
0,865028
u
Tìm năng lượng liên kết riêng của hạt nhân , biết khối lượng của nó là 92,9063768u. -
e
=
2M c A
D = M MD = D = M D (cid:215) • Năng lượng liên kết riêng:
(
)
0,865028 931,5
MeV
e
=
=
8,66
MeV
93
1u = 931,5 MeV/c2
·
3. Hiện tượng phóng xạ
3a. Hiện tượng
4
2He
• Hiện tượng phóng xạ là sự phân rã tự nhiên của các hạt nhân không bền, phát ra:
a. Hiện tượng b. Cơ chế phóng xạ c. Định luật phóng xạ d. Các họ phóng xạ e. Phóng xạ nhân tạo
• Tia alpha: hạt nhân • Tia beta: electron hay positron (phản hạt của electron).
• Tia gamma: photon
3b. Cơ chế phóng xạ
3a. Hiện tượng (tt)
Chỉ có thể xuyên qua một tờ giấy Có thể xuyên qua một lá nhôm dày vài mm Có thể xuyên qua một bản chì dày vài cm năng lượng cao.
• Phóng xạ α: do các hạt α chui ngầm
ra khỏi rào thế hạt nhân.
• Phóng xạ tuân theo các định luật bảo toàn: năng lượng, động lượng, momen động lượng, điện tích và số khối.
A giảm 4 Z giảm 2
• Ví dụ:
e
+ e n 0 1
+ 1 n 0
1 1
neutrino: rất nhẹ, trung hòa, spin ½
– Phóng xạ α
238 9
2U
234 90
+ 4 Th He 2
phản neutrino
fi fi
e
+ e n 0 1
+ 1 p 1
1 0
A không đổi Z tăng 1
fi - fi
(
Th
) + P *a
– Phóng xạ β
234 90
234 91
0 e- 1
Pauli đã tiên đoán sự tồn tại của neutrino từ năm 1931 nhờ định luật bảo năng toàn Đến lượng. năm 1957 thì các nhà khoa học quan sát được hạt này.
• Phóng xạ β+ hay β–: do sự biến đổi qua lại giữa proton và neutron. p n
– Phóng xạ γ
fi
(
)
*
Pa
+ P a hf
234 91
234 1 9
Trạng thái kích thích
• Phóng xạ γ: do hạt nhân chuyển từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái có năng lượng thấp hơn.
Câu hỏi áp dụng 3.1
Trả lời câu hỏi 3.1
• Theo định luật bảo toàn động lượng, hạt nhân con và hạt α có động lượng bằng nhau và ngược chiều.
Câu hỏi áp dụng 3.2
Trả lời câu hỏi 3.2
• Động năng = ½ (động lượng)2/(khối lượng) • Hạt α nhẹ hơn nên có động năng lớn hơn. • Câu trả lời đúng là (a). Một hạt nhân Ra226 đang đứng yên thì phân rã α. Phát biểu nào sau đây là đúng? (a) Hạt α có động năng lớn hơn hạt nhân con. (b) Hạt nhân con có động năng lớn hơn hạt α. (c) Hạt nhân con có động năng bằng hạt α.
• Năng lượng toàn phần tỏa ra gồm động năng
2
2
2
=
+
=
Q
p 2 m a
p 2 m a
+ 1
p 2 m X
m a m X
= Q K
a
+ 1
m a m X
của hạt α và của hạt nhân con:
4
+
=
(
)
= Q K
1
4,87
MeV
a
Coi khối lượng của một hạt nhân có số khối A là A (u). Hạt nhân Ra226 đứng yên phóng xạ ra hạt α với động năng 4,78 (MeV). Năng lượng toàn phần tỏa ra từ phản ứng là: (a) 0,487 (MeV) (c) 48,7 (MeV) (b) 4,87 (MeV) (d) 478 (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. • Độ biến thiên số hạt nhân trong khoảng thời
dN < 0 vì N giảm dần. gian (t, t + dt) là dN,
t
• Số hạt nhân phân rã trong khoảng thời gian (t, t
=
N e l-
0
+ dt) bằng – dN.
t
=
( ) N t
N e t
0
l= -
( ) N t dt
dN
• Tích phân hệ thức trên từ lúc đầu, khi tổng số hạt nhân là N0, cho đến lúc t, ta có: ( ) N t -
• Số hạt nhân phân rã trong thời gian (t, t + dt) thì tỷ lệ với tổng số hạt nhân lúc t và với dt:
3c. Định luật phóng xạ – 3
Câu hỏi áp dụng 3.3
• λ là hằng số phân rã của chất phóng xạ. • với τ = 1/λ là thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ.
=
=
T 1 2
ln2 0,693 l
l
• Chu kỳ bán rã T1/2 là thời gian để số hạt nhân
phóng xạ giảm đi một nửa. Minh họa
= -
l
H
( ) N t
dN = dt
• Độ phóng xạ H là số hạt nhân phân rã trong Sau hai chu kỳ bán rã của một chất phóng xạ có mấy phần của chất đó đã phân rã ? (a) ½ (c) ¾ (b) ¼ (d) Không đủ dữ liệu để trả lời.
một đơn vị thời gian:
• 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
đã phân rã.
• Sau một chu kỳ bán rã nữa thì ½ của một nửa
còn lại tiếp tục phân rã.
+
=
3 4
• Vậy phần vật chất đã phân rã là:
1 1 1 2 2 2 Cho chu kỳ bán rã của 6C14 là 5600 năm. Xét một tượng cổ bằng gỗ, người ta thấy độ phóng xạ β– của nó chỉ bằng 0,77 lần độ phóng xạ của một khúc gỗ có cùng khối lượng vừa mới chặt. Tuổi của tượng gỗ là: (a) 2101 năm (c) 4101 năm (b) 3101 năm (d) 5101 năm
n
C
14 6
+ 14 N 7
+ 0 e 1
e
Trả lời câu hỏi 3.4 – 1
Trả lời câu hỏi 3.4 – 2
=
l
• Câu trả lời đúng là (c). • Minh họa fi -
ln2
T 1/2
= -
ln
• Độ phóng xạ của mẫu ở thời điểm t , lúc chúng
t
l
=
= l
T 1/2 ln2
0
0
- t • hay nếu viết qua chu kỳ bán rã: ( ) H t H
t
=
H e l-
0
• Thay bằng số ta có:
ta đo độ phóng xạ, là: ( ) ( ) N e l N t H t ( ) H t = - 5600 n 2112 n • với H0 là độ phóng xạ của mẫu lúc t = 0, là gốc t ln0,77 = ln2 tính thời gian.
= -
ln
t
1 l
• Suy ra:
( ) H t H
0
• Câu trả lời gần đúng nhất là (a): 2101 năm. • Trong đó ta đã giả định là lúc t = 0 tượng gỗ có độ phóng xạ bằng độ phóng xạ của một khúc gỗ 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 trong động vật, thực vật sống là gần như không đổi. • Một họ phóng xạ là một chuỗi các hạt nhân phóng xạ liên tiếp nhau cho đến khi đạt tới một đồng vị bền.
Kết thúc
Bắt đầu
• Chỉ khi chúng chết đi, lượng này mới giảm đi
Họ phóng xạ
theo quy luật phóng xạ.
232
208
Thorium
90Th
82Pb
• Do đó độ phóng xạ của một khúc cây mới cắt từ
238
206
Uranium
92U
82Pb
235
207
Actinium
89 Ac
82Pb
Câu hỏi áp dụng 3.5
3d. Các họ phóng xạ – Họ Thorium
216
thời cổ đại và ngày nay là gần bằng nhau!
(b) 84Po216
Sau vài lần phân rã, một hạt nhân phóng xạ phát ra một hạt α và hai hạt β– để tạo nên hạt nhân 84Po212. Hạt nhân ban đầu là hạt nhân nào sau đây? (a) 86Rn220 (c) 82Pb212 (d) 84Po218
Minh họa
Trả lời câu hỏi 3.5
3e. Phóng xạ nhân tạo
Frederic & Irene
• Quá trình phân rã:
a
b 2
X
Y
Z
Po
A Z
= A-4 Z-2
A-4 Z
212 84
- (cid:190) (cid:190) fi (cid:190) (cid:190) fi
trong
• Năm 1933, F. Joliot và Irène Curie khám phá các đồng vị phóng xạ không có tự nhiên,
• Vậy A = 216, Z = 84. • Hạt nhân ban đầu là 84Po216. • Câu trả lời đúng là (b).
• và theo dõi sự phân rã của chúng cho đến khi đạt tới các đồng vị bền. • Họ nhận giải Nobel Hóa
4a. Hiện tượng
4. Phản ứng hạt nhân
Học năm 1935.
• Các quá trình biến đổi của hạt nhân được gọi là
phản ứng hạt nhân. a. Hiện tượng b. Các loại phản ứng • Thường xảy ra do bắn phá một hạt nhân đứng
yên bằng các hạt năng lượng cao.
Hạt nhân bia
Hạt α năng lượng cao
+
• Ví dụ:
He
Li
B
4 2
7 3
+ 1 n 0
10 5
a
(
)
,n
Li
B
7 3
10 5
fi
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
nhân?
Trả lời câu hỏi 4.1
4b. Các loại phản ứng
sau đây phải bảo toàn: – Số khối, – Điện tích, – Năng lượng, – Động lượng, – Momen động lượng.
• (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.
• Phản ứng thu nhiệt: khối lượng sau phản ứng
tăng.
2
=
• (c) không thể là phản ứng hạt nhân vì số khối bằng 240 trước phản ứng, và 223 sau phản ứng. • Năng lượng trao đổi Q bằng năng lượng ứng
m
m
Q
c
-
∑
∑
i truoc ,
j sau ,
Q > 0: tỏa nhiệt Q < 0: thu nhiệt
i
j
với sự thay đổi khối lượng:
• ∑mi: tổng khối lượng nghỉ các hạt.
4b. Các loại phản ứng (tt)
Câu hỏi áp dụng 4.2
n
1 0
fi + X + 4 Al He 2 • Trong phản ứng thu nhiệt, cần phải cung cấp năng lượng dưới dạng động năng của hạt đến bắn phá hạt nhân.
• Năng lượng tối thiểu cần phải cung cấp (năng
Q
K
min
m M
+ 1
Cho phản ứng thu nhiệt: 27 13 (a) Hãy xác định hạt nhân kết quả. (b) Tìm năng lượng ngưỡng của phản ứng, biết mAl = 26,974u, mα = 4,0015u. =
lượng ngưỡng của hạt bắn phá) là:
• m là khối lượng của hạt đến bắn phá, • M là khối lượng hạt nhân bị bắn phá (hạt nhân
Trả lời câu hỏi 4.2
Câu hỏi áp dụng 4.3
=
+ = +
⇒
A
bia).
30
n
+ He
1 0
4 2
+ 3 D T 1
+ = +
⇒
1 • Điện tích được bảo toàn: = 0
27 4 • Số khối được bảo toàn: A fi
15
Z 30 15P
29,970u
13 2
=
Z • Hạt nhân kết quả là: • Nhiệt trao đổi: ( 2
2,98
MeV
) = - + Q c m m m m n
He
Al
P
Tìm năng lượng tỏa ra từ phản ứng nhiệt hạch: 2 1 biết rằng độ hụt khối khi tạo thành hạt nhân D, T và He lần lượt là ΔmD = 0,0024u, ΔmT = 0,0087u và ΔmHe = 0,0305u. - -
He
=
+
=
K
Q
1
3,4
MeV
min
m m Al
• Năng lượng tối thiểu cần cung cấp:
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
2
=
+
(
)
m m c
Q m m T
D
+ He
n
2
hạt nhân tham gia phản ứng như sau: -
(
Q
m
He
+ D m D
) m c T
= D
+
=
+
+
- D
[ ]
)
- - - -
(
(
)
3
m D
m T
m 2 p
m 3 n
m 2 p
m n
m m e H n
=
+
(
)
(
)
Q
0,0024 0,0087
931,5
MeV
0,0305
+
- ·
- - - - - -
(
)
(
)
2
+ m m D T
m 2 p
= m 3 n
m m m n
D
p
m m p
T
m n
=
(
)
Q
18,07
MeV
= -
)
(
+ D m D
m T
+
D
2
3
2
2
m
m p
= m m m He n
n
+ m p
= D m m n
He
He
Trả lời câu hỏi 4.3 – 3
5. Năng lượng hạt nhân
- - -
2
=
• Năng lượng trao đổi trong một phản ứng còn
m
m
c
D - D
∑
∑
, j truoc
, i sau
i
j
có thể tính qua độ hụt khối như sau: Q a. Mở đầu b. Phản ứng phân hạch c. Phản ứng nhiệt hạch d. Năng lượng hạt nhân và nhu cầu năng lượng
=
E
hiện đại
-∑ E
lk j truoc ,
lk i sau ,
i
j
• hay qua năng lượng liên kết: ∑ Q
• 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.
5b. Phản ứng phân hạch – 1
5a. Mở đầu
+
• Là phản ứng tách hạt nhân nặng thành hai hạt nhân có có năng lượng liên kết riêng lớn hơn.
Vùng cho năng lượng phân hạch
fi + + * U
U
X Y neutrons
236 92
fi
• Ví dụ: 235 1 n 92 0 – neutron đến là neutron chậm (neutron
• Để phản ứng tỏa năng lượng: • Phân chia các hạt nhân lớn –
Vùng cho năng lượng nhiệt hạch
phản ứng phân hạch
• Kết hợp các hạt nhân nhỏ –
nhiệt).
phản ứng nhiệt hạch
– 236U* là trạng thái trung gian, không bền. – X, Y là các hạt nhân kết quả. – có thể có nhiều tổ hợp X, Y thỏa định luật bảo
5b. Phản ứng phân hạch – 3
5b. Phản ứng phân hạch – 2
toàn năng lượng, số khối và điện tích.
1n
• Qua minh họa vừa rồi ta thấy có mấy trường
235U
hợp:
• Phản ứng dây chuyền: số neutron tạo ra lớn
Y
236U*
(Bom nguyên tử) hơn số neutron hấp thụ.
• 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.
Minh họa
(Khối lượng > khối lượng tới hạn)
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:
+ He
n
+ 3 D D 1
4 2
1 0
fi 2 1
• Để thực hiện phản ứng cần có nhiệt độ rất cao để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân nhẹ.
Bom nhiệt hạch
• Phản ứng chưa điều khiển được. • Là nguồn năng lượng của các vì sao.
