Bài giảng Vật lý đại cương A2 - Chương VIII: Vật lý hạt nhân

Chia sẻ: Hứa Tung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:105

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý đại cương A2 - Chương VIII: Vật lý hạt nhân có nội dung trình bày về các tính chất cơ bản của hạt nhân, momen từ hạt nhân, lực hạt nhân, khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân, hiện tượng phóng xạ,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương A2 - Chương VIII: Vật lý hạt nhân

CHƯƠNG VIII VẬT LÝ HẠT NHÂN
I.Các tính chất cơ bản của hạt nhân 1.Cấu trúc hạt nhân:Hạt nhân được cấu tạo bởi các proton và nơtron, cả hai được gọi chung là nuclôn. Ký hiệu hạt nhân: A Z X X là tên nguyên tố tương ứng Z là số proton, A = Z + N : số khối, N = A – Z là số nơtron
a) Các hạt nhân đồng vị là các hạt có cùng Z. b) Các hạt nhân đồng khối là các hạt có cùng số khối A . c) Các hạt nhân đồng nơtron là các hạt có cùng số nơtron. d) Các hạt nhân gương là các hạt nhân mà số proton của hạt này bằng số nơtron của hạt kia. Các hạt nhân khối lượng nhỏ có xu hướng có số proton và nơtron gần như nhau và các hạt nhân khối lượng lớn có số nơtron lớn hơn số proton
2. Kích thước hạt nhân: Thực nghiệm chứng tỏ rằng đa số hạt nhân đều có dạng gần đúng gần hình cầu. Một số phương pháp thực nghiệm đã được dùng để xác định kích thước của các hạt nhân và chúng cho gần như cùng một kết quả. Một biểu thức gần đúng cho bán kính R của hạt nhân là: 1/3 R  Ro A Ro = (1,2 – 1,5).10-15m = (1,2- 1,5)fm
Thể tích gần đúng của hạt nhân: 4 3  4 3  V  R  Ro  A 3  3  Mật độ khối lượng của hạt nhân: M hn mp A   V 4 3 45  (1, 2) .10 . A 3 27 1, 67.10 17 3   10 kg / m 4 3 45  (1, 2) .10 3
3.Spin của hạt nhân Tương tự electron, nuclôn cũng có momen quỹ đạo và momen spin, nuclôn có spin bằng 1/2. Do đó momen động lượng của nuclôn thứ i là:    ji  li  si Momen động lượng toàn phần của hạt nhân là:   J   ji , J  J ( J  1)  i J gọi là số lượng tử momen toàn phần, nếu A lẽ thì J là một số bán nguyên 1/2, 3/2, 5/2,…nếu A chẵn thì J là một số nguyên.
4.Momen từ hạt nhân Nuclôn có momen spin, nên cũng có momen từ spin. Momen từ của hạt nhân bằng tổng momen từ spin của mọi nuclôn và tổng momen từ của mọi proton. Đơn vị của momen từ hạt nhân là manhêtôn hạt nhân và có trị số bằng: e 27 N   5, 050.10 J / T 2m p
Momen từ hạt nhân nhỏ hơn momen từ quỹ đạo của electron khoảng 103 lần, nên độ tách mức gây bởi momen từ hạt nhân nhỏ hơn khoảng 103 lần so với độ tách mức gây bởi tương tác spin – quỹ đạo ,điều này giải thích cấu trúc siêu tinh tế của phổ.
5)Lực hạt nhân: Sự tồn tại của các hạt nhân bền vững chứng tỏ cho sự tồn tại của các lực tương tác của các nuclon liên kết chúng trong hạt nhân. Các tương tác này không thể quy về bất cứ loại tương tác nào đã được biết trước đó (tương tác hấp dẫn, điện từ). Người ta phân lực hạt nhân thành hai loại: lực hạt nhân yếu liên quan đến sự phân rã bê ta , lực hạt nhân (hay tương tác mạnh) ta sẽ xét dưới đây.
Một số đặc tính của lực hạt nhân: a) Lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn: trong phạm vi 10-15m lực rất mạnh. Ngoài khoảng đó nó giảm nhanh xuống không. b)Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích. c)Lực hạt nhân phụ thuộc spin của các nuclôn. d) Lực hạt nhân không phải là lực xuyên tâm e) Lực hạt nhân có tính chất bão hòa f) Lực hạt nhân là lực trao đổi: Theo Yukawa các nucleon tương tác với nhau bằng cách trao đổi một loại hạt gọi là mêzon π.
6.Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân. a) Khối lượng hạt nhân: Để đo khối lượng các hạt trong VLHN, người ta dùng đơn vị khối lượng nguyên tử (ký hiệu u). Theo định nghĩa 1u bằng 1/12 khối lượng nguyên tử đồng vị cacbon C12. 1u = 1,6605402.10-27 kg Theo hệ thức Einstein E = mc2 thì năng lượng tương ứng với khối lượng 1u là: E = 1uc2 = 931,5 MeV Hay 1u = 931,5 Mev/c2
b) Độ hụt khối và năng lượng liên kết: Khối lượng Mhn của hạt nhân bao giờ cũng giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclôn tạo thành hạt nhân đó một lượng gọi là độ hụt khối : M  Zm p  ( A  Z )mn  M hn Năng lượng tương ứng với độ hụt khối đó gọi là năng lượng liên kết Elk. Theo hệ thức Einstein: 2 2 Elk  M .c   Zm p  Nmn  M hn  .c
Vì trong các bảng thường ghi khối lượng nguyên tử nên chúng ta sẽ thay Mhn bằng M – Zme với M là khối lượng nguyên tử của hạt nhân có Z proton và N nơtron, còn me là khối lượng electron, mà mp = MH – me với MH là khối lượng nguyên tử của 11H 2 2 Elk  M .c   Zm p  Nmn  M hn  .c   Z ( M H  me )  Nmn  ( M  Zme .c 2   ZM H  Nmn  M .c 2
c) Năng lượng liên kết riêng: Là năng lượng liên kết ứng với một nuclôn Elk  A Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.
Mev 8 7 6 5 4 3 2 1 0 40 120 140 240 A Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng theo A
Đồ thị cho thấy: a) Năng lượng liên kết riêng tăng nhanh đối với các hạt nhân nhẹ từ 1,1MeV ( 11H )  2,8MeV ( 13 H ) và đạt giá trị 7 MeV ( 24 He) b) Đối với hạt nhân nặng có A từ 140 đến 240, năng lượng liên kết riêng giảm dần nhưng rất chậm. c) Đối với hạt nhân trung bình có A từ 40 đến 140, NLLKR có giá trị lớn nhất nằm trong khoảng từ 8  8,6MeV. Điều đó giải thích tại sao hạt nhân trung bình lại bền vững nhất.
II. Hiện tượng phóng xạ: 1. Là hiện tượng một hạt nhân tự động phát ra các hạt gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Trong quá trình phóng xạ, hạt nhân ở trạng thái không bền vững chuyển sang trạng thái bền vững hơn, nghĩa là trạng thái ứng với năng lượng thấp hơn. Vậy quá trình biến đổi phóng xạ chỉ có thể xảy ra nếu khối lượng tĩnh của hạt nhân xuất phát lớn hơn tổng khối lượng của các sản phẩm sinh ra do biến đổi phóng xạ.
Các công trình nghiên cứu đã xác nhận, tia phóng xạ gồm 3 thành phần: a) Tia  là chùm hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường. Về bản chất nó là chùm hạt nhân của nguyên tử He có điện tích 2e b) Tia  bị lệch trong điện trường và từ trường. Về bản chất nó là chùm electron . c) Tia  là bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn bước sóng tia X
Tia phóng xạ có các tính chất sau: chúng có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thâu qua vật chất. Tia  ion hóa chất khí mạnh nhất nhưng xuyên thâu kém; tia  ion hóa chất khí kém hơn nhưng xuyên thâu mạnh hơn; tia  có thể coi là không có khả năng ion hóa chất khí nhưng xuyên thâu mạnh nhất.
2.Định luật phân rã: Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã của chất PX là N. Sau thời gian dt số hạt nhân này bị giảm đi –dN . Độ giảm –dN rõ ràng tỉ lệ với N và dt: dN dN   Ndt    dt N N t dN  t     dt  N  N o e No N 0  là hệ số tỉ lệ gọi là hằng số phân rã