Vật lý hạt nhân
Lê Quang Nguyên
www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen
nguyenquangle59@yahoo.com
Nội dung
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
1. Mở đầu – 1
• 1896 – Becquerel khám phá hiện tượng phóng
xạ của các hợp chất Uranium.
• Rutherford chứng tỏ tia phóng xạ gồm ba loại:
tia alpha, beta và gamma.
• 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.
• 1919 – Rutherford phát hiện phản ứng hạt
nhân: hạt nhân oxygen + alpha hạt nhân
nitrogen.
1. Mở đầu – 2
• 1932 – Chadwick phát hiện hạt neutron.
Ivanenko đưa ra mô hình hạt nhân gồm proton
và neutron.
• 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.
• 1938 – Hahn và Strassman khám phá sự phân
hạch hạt nhân.
• 1942 – Fermi thực hiện lò phản ứng hạt nhân
có điều khiển đầu tiên.
1. Mở đầu – 3
H. Becquerel E. Rutherford J. Chadwick
O. Hahn E. Fermi H. Yukawa D. Ivanenko
Frederic & Irene
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
e. Lực hạt nhân
f. Năng lượng liên kết
2a. Cấu trúc hạt nhân
• Hạt nhân cấu tạo từ các nucleon
(proton, neutron).
• Ký hiệu:
• Ví dụ:
Z
A
X
X: ký hiệu hóa học
Z: số proton (bậc số nguyên tử)
A = Z + N: số khối
13
27
Al
Al: nhôm
Z = 13
A = 27
2a. Cấu trúc hạt nhân (tt)
• Khối lượng nucleon:
Hạt Khối lượng
kg u MeV/c2
Proton 1,6726 × 10-27 1,007825 938,79
Neutron 1,6750 × 10-27 1,008665 939,57
Electron 9,101 × 10-31 5,486 × 10-4 0,511
1u = 1,660559 × 10-27 kg = 931,5 MeV/c2
Nguyên tử C12 có khối lượng bằng 12u
2b. Kích thước hạt nhân
• Năm 1911, Rutherford dùng
các hạt α bắn phá hạt nhân,
qua đó ước lượng bán kính hạt
nhân:
• Vậy:
– thể tích hạt nhân tỷ lệ với số
khối A.
– mọi hạt nhân đều có khối
lượng riêng gần bằng nhau.
1 3
R R A
≈
15
0
1,2 10 1,2
R m fm
≈ × =
10-10 m
10-15 m
2c. Momen spin và momen động
• Giống như electron, các nucleon cũng có spin
bằng ½.
• Momen động của một nucleon bằng tổng
momen động quỹ đạo và momen động spin.
• Momen động của hạt nhân bằng tổng momen
động của các nucleon. Nó có độ lớn:
•j = 1, 2, 3, ... nếu A chẵn,
•j = 1/2, 3/2, 5/2, ... nếu A lẻ.
(
)
1
J j j
= +
ℏ
2d. Momen từ hạt nhân
• 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.
– 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).
2d. Momen từ hạt nhân (tt)
Sơ đồ máy MRI Ảnh MRI của vùng
thần kinh thị giác
2e. Lực hạt nhân – 1
• 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 ~
10−15 m,
– 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).
H. Yukawa
2e. Lực hạt nhân – 2
• Hai người trượt tuyết
luôn “liên kết” với nhau
để có thể ném banh qua
lại.
• 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.
p
n
n
p
π+
p n
π
+
↔ +
n p
π
−
↔ +
0
n n
π
↔ +
0
p p
π
↔ +
2e. Lực hạt nhân – 3
• 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:
• Trong thời gian Δt, hạt
truyền qua tầm tác dụng của
lực hạt nhân r:
• Vậy π-meson có khối lượng:
• Với r ~ 1,5 × 10-15m ta có:
• Thực nghiệm xác nhận khối
lượng của π-meson.
.
E t
∆ ∆ >
ɶ
ℏ
2
E m c
π
∆ =
c t r
∆ =
m rc
>
ɶ
ℏ
28
2,33 10
m kg
−
> ×
ɶ
2f. Năng lượng liên kết – 1
• 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
khối của hạt nhân.
• Năng lượng cần để tạo nên hạt nhân là năng
lượng liên kết của hạt nhân.
• Chính độ hụt khối tạo nên năng lượng liên kết
của hạt nhân:
(
)
p n
M Zm A Z m M
∆ = + − −
2
lk
W Mc
= ∆
2f. Năng lượng liên kết – 2
•Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết
tính trên một nucleon.
• Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân
càng bền.
lk
W
A
ε
=
2f. Năng lượng liên kết – 3
Các hạt nhân bền nhất có A ≈ 60
Hầu hết hạt nhân có ε ≈ 7 – 8,6 MeV
Câu hỏi áp dụng 2.1
Tìm năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ,
biết khối lượng của nó là 92,9063768u.
93
41
Nb
Trả lời câu hỏi 2.1
• Độ hụt khối của hạt nhân:
• Năng lượng liên kết riêng:
(
)
41 93 41
p n Nb
M m m m
∆ = + − −
(
)
(
)
41 1,007825 52 1,008665 92,9063768
M
∆ = + −
0,865028
M u
∆ =
2
M c
A
ε
∆ ⋅
=
(
)
0,865028 931,5
8,66
93
MeV
MeV
ε
×
= =
1u = 931,5 MeV/c2