Báo cáo tiểu luận: Phân rã hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT<br /> KHOA SAU ĐẠI HỌC<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> .<br /> <br /> <br /> <br /> BÁO CÁO TIỂU LUẬN<br /> <br /> PHÂN RÃ HẠT NHÂN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Môn Học: CẤU TRÚC HẠT NHÂN<br /> Giảng Viên: TS. PHÙ CHÍ HÒA<br /> Thực Hiện: PHẠM VĂN ĐẠO<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Lâm Đồng, tháng 6/2014<br />  MỤC LỤC<br /> <br /> CHƯƠNG I: PHÂN RÃ ALPHA ................................................................... 2<br /> I.1 Khái niệm về phân rã alpha ................................................................... 2<br /> I.2 Đặc trưng của phân rã alpha .................................................................. 2<br /> I.2.1 Thời gian bán rã của hạt nhân trước phản ứng .................................... 2<br /> I.2.2 Năng lượng trong phân rã alpha ......................................................... 3<br /> I.2.3 Quãng chạy của hạt alpha ................................................................... 4<br /> I.2.4 Phổ năng lượng .................................................................................. 4<br /> I.3 Cơ chế phân rã alpha ............................................................................. 6<br /> CHƯƠNG II: PHÂN RÃ BETA .................................................................... 8<br /> II.1 Khái niệm về phân rã beta .................................................................... 8<br /> II.2 Các loại phân rã beta ............................................................................ 8<br /> II.3 Đặc trưng trong phân rã beta .............................................................. 11<br /> II.3.1 Phổ năng lượng của beta ................................................................. 11<br /> II.3.2 Các quy tắt chọn lọc trong phân rã beta........................................... 12<br /> II.3 Các tính chất cơ bản của phân rã beta ................................................ 12<br /> CHƯƠNG III: PHÂN RÃ GAMMA ............................................................ 14<br /> III.1 Khái niệm về dịch chuyển gamma và bản chất bức xạ gamma .......... 14<br /> III.2 Đặc trưng của dịch chuyển gamma ................................................... 14<br /> III.2.1 Thời gian sống của hạt nhân phát gamma ...................................... 14<br /> III.2.2 Năng lượng và phổ của bức xạ gamma .......................................... 15<br /> III.2.3 Độ đa cực của lượng tử gamma ..................................................... 15<br /> III.2.3 Các trạng thái isomer ..................................................................... 16<br /> III.3 Quá trình biến hoán nội .................................................................... 16<br /> III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp ........................................................... 17<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 18<br />  MỞ ĐẦU<br /> <br /> Hiện tượng phóng xạ là quá trình hạt nhân tự động phát ra những hạt để<br /> trở thành hạt nhân khác hoặc thay đổi trạng thái của nó. Hạt nhân chịu sự phóng<br /> xạ gọi là hạt nhân phóng xạ, các tia phát ra gọi là các tia phóng xạ. Hiện tượng<br /> phóng xạ được quan sát đầu tiên bởi nhà khoa học Pháp, Henri Becquerel vào<br /> năm 1896.<br /> Một hạt nhân phóng xạ được đặc trưng bởi: Loại phóng xạ, năng lượng,<br /> chu kỳ bán rã, spin. Một hạt nhân không phóng xạ gọi là hạt nhân bền. Các hạt<br /> nhân phóng xạ tồn tại cùng với hạt nhân bền trong vỏ quả đất, hoặc do con<br /> người tạo nên qua việc thực hiện các phản ứng hạt nhân, hoặc do các tia vũ trụ<br /> bắn phá vào các hạt nhân bền trong khí quyển, hoặc do các vụ nổ nguyên tử…<br /> Hiện tượng phóng xạ là một quá trình thống kê. Các hạt nhân như nhau<br /> nhưng chúng sẽ phóng xạ tại những thời điểm khác nhau. Hiện tượng phóng xạ<br /> xảy ra bên trong hạt nhân, không phụ thuộc vào tác nhân lý hóa bên ngoài.<br /> Chuyên đề này được viết trên cơ sở tổng hợp các kiến thức cơ bản về các tia bức<br /> xạ α, β, γ trong các sách và giáo trình vật lý hạt nhân liên quan.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br />  CHƯƠNG I: PHÂN RÃ ALPHA<br /> <br /> I.1 Khái niệm về phân rã alpha<br /> <br /> Là hiện tượng hạt nhân (ZXA) tự động phát ra alpha (2He4) và trở thành hạt<br /> nhân con (Z-2YA-4)<br /> A<br /> ZX → 2He4 + Z-2YA-4 (1.1)<br /> Điều kiện để X phân rã α<br /> - Khối lượng MX > mα + MY<br /> - Năng lượng liên kết Eb = [mα + MY – MX]c2 < 0<br /> Năng lượng phân rã Eα = |Eb| = Kα + KY<br /> <br /> I.2 Đặc trưng của phân rã alpha<br /> <br /> I.2.1 Thời gian bán rã của hạt nhân trước phản ứng<br /> <br /> Thời gian bán rã của các hạt nhân phân rã alpha thay đổi trong một dải rất<br /> rộng. Chẳng hạn 82Pb204 T1/2 = 1,4.107năm, 86Rn125 T1/2 = 10-6s. Thời gian bán rã<br /> T1/2 được xác định trực tiếp nhờ phép đo độ suy giảm hoạt độ theo thời gian hoặc<br /> được xác định theo số phân rã trong một đơn vị thời gian hay từ quy luật cân<br /> bằng thế kỉ.<br /> Tính chất quan trọng nhất của các hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc<br /> rất mạnh của thời gian bán rã vào năng lượng Eα bay ra. Sự phụ thuộc của T1/2<br /> vào E tuân theo định luật Geiger – Nuttall như sau:<br /> D<br /> T1/ 2  C  (1.2)<br /> E<br /> <br /> Trong đó C và D là các hằng số không phụ thuộc vào số khối A mà chỉ phụ<br /> thuộc vào điện tích Z.<br /> Định luật Geiger – Nuttall còn được biểu diễn mối liên hệ giữa quãng<br /> chạy R của hạt alpha và hằng số phân rã λ của hạt nhân phát alpha.<br /> lg R  A. lg   B (1.3)<br /> <br /> 2<br />  Định luật Geiger – Nuttall áp dụng rất tốt cho các hạt nhân chẵn – chẵn.<br /> <br /> I.2.2 Năng lượng trong phân rã alpha<br /> <br /> Khi so sánh năng lượng phân rã alpha Eα giữa các đồng vị trong cùng một<br /> nguyên tố thì thấy năng lượng Eα giảm khi A tăng. Hiện tượng này đúng khi A <<br /> 209 và A > 215. Với A ∊ (209, 215) thì ngược lại. Nhờ tính chất này ta có thể<br /> tiên đoán được năng lượng phân rã alpha đối với các đồng vị chưa biết của cùng<br /> một nguyên tố cho trước.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1.1: Năng lượng phân rã alpha phụ thuộc theo số khối A của các đồng vị<br /> Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa.<br /> Bộ phận chính của phổ kế từ là nam châm điện tập trung các hạt alpha năng<br /> lượng khác nhau ở các vị trí khác nhau. Một bản rất mỏng vật liệu hoạt tính<br /> alpha là nguồn phát alpha còn detector ghi hạt alpha là các tấm phim ảnh hoặc<br /> ống đếm alpha. Độ phân giải năng lượng của phổ kế từ rất cao, có thể đạt đến 5<br /> keV.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br /> Hình 1.2: Phổ kế từ đo alpha<br />  Buồng ion hóa làm việc theo nguyên tắc hạt ion hóa môi trường khí và<br /> sinh ra tín hiệu điện. Tín hiệu này được ghi nhận nhờ một máy phân tích biên độ<br /> nhiều kênh. Khả năng phân giải năng lượng của buồng ion hóa vào khoảng 25<br /> keV, kém hơn phổ kế từ.<br /> <br /> I.2.3 Quãng chạy của hạt alpha<br /> <br /> Quãng chạy của hạt alpha được xác định bằng buồng bọt Wilson hay nhũ<br /> tương ảnh.<br /> Nhờ phép đo năng lượng và quãng chạy, người ta xác định được hệ thức<br /> giữa năng lượng và quãng chạy. Công thức liên hệ quãng chạy của hạt alpha<br /> trong không khí (tính theo cm) và năng lượng của nó (MeV) trong miền năng<br /> lượng 4 – 9 MeV hay quãng chạy trong không khí 3 – 7 cm như sau:<br /> Rkk  0,318 E 3 / 2 (1.4)<br /> Biết quãng chạy của α trong không khí ta có thể suy ra được Rα trong các<br /> môi trường. Ví dụ:<br /> R  Al   kk  AAl<br />  .  6,2.10 4 (1.5)<br /> R kk    Al  Akk<br /> <br /> I.2.4 Phổ năng lượng<br /> <br />  Có hai loại phổ vạch:<br /> Loại 1: Các phổ gồm có vài vạch, năng lượng chênh lệch nhau cỡ 0,1<br /> MeV, cường độ vạch lớn hơn nhau một chút và cường độ giảm khi năng lượng<br /> Eα giảm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1.3: Minh họa phổ vạch của α (loại 1)<br /> 4<br />  Loại 2: loại phổ gồm một nhóm α cường độ rất mạnh gọi là vạch cơ bản<br /> và vài nhóm α cường độ rất yếu (nhỏ hơn vạch cơ bản nhiều bậc).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1.4: Minh họa phổ vạch của α (loại 2)<br /> <br />  Giải thích sự tồn tại của hai loại vạch phổ<br /> <br /> Đối với trường hợp loại 1, người ta xem hạt nhân mẹ ở trạng thái cơ bản,<br /> khi phân rã thì hạt nhân con ở trạng thái kích thích. Cường độ vạch phổ tuân<br /> 238<br /> theo quy tắc khoảng, ví dụ hạt nhân 92U : E2: E4: E6 = 43: 100: 164, do đó<br /> cường độ giảm khi Eα giảm.<br /> Chuyển dời chỉ có thể xảy ra giữa các trạng thái momen quỹ đạo giống<br /> nhau của nucleon lẻ trong hạt nhân mẹ và hạt nhân con:<br /> U233: 5/2+ → 5/2+: Th229<br /> Các trạng thái khác do có sự chênh lệch momen quỹ đạo càng lớn, dịch<br /> chuyển càng khó.<br /> Đối với phổ loại 2, người ta giả thiết hạt nhân mẹ ở trạng thái kích thích<br /> khi phân rã về hạt nhân con ở trạng thái cơ bản. Số hạt nhân phân rã alpha của<br /> nhóm cơ bản là do đa số hạt nhân phân rã gamma quyết định. Ở một mức kích<br /> thích của hạt nhân mẹ có hai quá trình phân rã alpha và gamma cạnh tranh nhau.<br /> Do hằng số phân rã của quá trình phân rã gamma lớn nên phân rã từ trạng thái<br /> kích thích về trạng thái cơ bản là lớn nhất.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 5<br /> I.3 Cơ chế phân rã alpha<br /> <br /> Trong cơ chế phân rã alpha cần tính đến ba yếu tố là trường thế coulomb<br /> quanh hạt nhân, lực ly tâm và cấu trúc hạt nhân.<br /> - Trường thế Coulomb và hiệu ứng đường ngầm<br /> <br /> Để giải thích sự phụ thuộc rất mạnh của thời gian bán rã T1/2 của hạt nhân<br /> vào năng lượng hạt alpha, người ta xem xét cơ chế để hạt alpha thoát ra khỏi hạt<br /> nhân. Giả thiết gần đúng nhất là coi hạt alpha hình thành và tồn tại trong hạt<br /> nhân trước khi thoát ra khỏi hạt nhân. Hạt alpha mang điện tích dương +2e nên<br /> ngoài lưc tương tác hạt nhân, nó còn chịu tác dụng của lực Coulomb.<br /> Chiều cao bờ thế Coulomb tại r = R = 10-12 cm và với Z = 100 là:<br /> 2Ze 2<br /> U rao   30MeV (1.6)<br /> r<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1.5: Thế tương tác hạt nhân và thế Coulomb đối với hạt<br /> alpha (hình a) và bờ thế hình chữ nhật dùng để tính toán (hình b)<br /> Như đã trình bày ở trên, hạt alpha phân rã từ các hạt nhân nặng có năng<br /> lượng từ 4 – 9 MeV, tức nhỏ hơn chiều cao rào thế. Theo cơ học cổ điển thì hạt<br /> alpha không thể vượt qua rào thế để ra ngoài, tức là không thể xảy ra quá trình<br /> phân rã alpha. Tuy nhiên trong thế giới vi mô, theo cơ học lượng tử, hạt alpha có<br /> thể truyền qua rào thế Coulomb theo cơ chế đường ngầm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br />  - Vai trò của bờ thế ly tâm<br /> Nếu hạt alpha bay ra với momen quỹ đạo l  0 thì nó phải vượt qua bờ thế<br /> ly tâm bổ xung ngoài thế Coulomb:<br />  2l l  1<br /> U lt  (1.7)<br /> 2mr 2<br /> 1<br /> Bờ thế ly tâm này không lớn do nó giảm theo hàm trong lúc bờ thế Coulomb<br /> r2<br /> 1<br /> giảm chậm hơn theo hàm , nhưng do độ thay đổi này còn chia cho hằng số<br /> r<br /> Planck trong hàm số mũ nên nó làm tang đáng kể thời gian bán rã của hạt alpha.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7<br />  CHƯƠNG II: PHÂN RÃ BETA<br /> <br /> II.1 Khái niệm về phân rã beta<br /> <br /> Phân rã beta là hiện tượng biến đổi tự nhiên một hạt nhân này thành hạt<br /> nhân khác với cùng số khối lượng nhưng điện tích thay đổi một đơn vị kèm theo<br /> việc phát ra một electron, một positron hay chiếm một electron của võ nguyên<br /> tử. Có ba loại phân rã beta là phân rã β-, β+ và chiếm electron quỹ đạo.<br /> <br /> II.2 Các loại phân rã beta<br /> <br /> Gồm ba loại:<br />  Phân rã β-<br /> Là hạt electron (e) với khối lượng m = 9,1.10-31 kg, điện tích bằng điện<br /> 19<br /> tích electron e  1,6.10 .<br /> N<br /> Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron. Tức là tỉ số Z quá<br /> <br /> cao hơn đường cong bền của hạt nhân. Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu zXA<br /> chuyển thành hạt nhân z+1YA và phát ra hạt electron cùng phản hạt neutrino ν.<br /> <br /> <br /> z X A  z 1 Y<br /> A<br />  e  v (2.1)<br /> Với neutrino là hạt trung hòa về điện tích và khối lượng bé không đáng<br /> 1<br /> kể, spin bằng . Quá trình phân rã beta là quá trình phân rã neutron thừa trong<br /> 2<br /> hạt nhân để biến thành proton.<br /> <br /> <br /> n  p   e  v (2.2)<br /> Phân rã β- thỏa mãn quan hệ khối lượng như sau:<br /> M ( Z , A)  M ( Z  1, A)  me (2.3)<br /> Trong đó M(Z,A), M(Z+1,A) và me là khối lượng hạt nhân zXA, z+1Y<br /> A<br /> và<br /> khối lượng electron. Tuy nhiên trong thực tế người ta không đo khối lượng hạt<br /> <br /> 8<br /> nhân mà đo khối lượng nguyên tử, do đó thay khối lượng các hạt nhân trên<br /> thành khối lượng nguyên tử trước phân rã Mi và sau phân rã Mf như sau:<br /> M i  M ( Z , A)  Zme và M f  M ( Z  1, A)  ( Z  1) me (2.4)<br /> Khi đó điều kiện phân rã β- thành: Mi > Mf<br /> <br />  Phân rã β+<br /> <br /> Là hạt positron có khối lượng bằng khối lượng electron song có điện tích<br /> N<br /> dương  1e . Phân rã positron xảy ra khi hạt nhân có tỉ số quá thấp và phân rã<br /> Z<br /> alpha không xảy ra do không thỏa mãn điều kiện về năng lượng theo công thức<br /> M m  M c  m  2 me  Q (2.5)<br /> Khi phân rã positron, hạt nhân ban đầu X chuyển thành hạt nhân Y, phát<br /> ra hạt positron và hạt neutrino:<br /> <br /> <br /> z X<br /> A<br />  z 1 Y<br /> A<br />  e  v (2.6)<br /> Quá trình phân rã là kết quả của phân rã proton thừa trong hạt nhân để<br /> biến thành neutron theo sơ đồ sau:<br /> <br /> <br /> p  n  e  v (2.7)<br /> Khác với electron, hạt positron không tồn tại lâu trong tự nhiên. Positron<br /> gặp electron trong nguyên tử và hai hạt hủy nhau cho ra hai tia gamma có năng<br /> lượng bằng nhau là 0,511 Mev .<br /> Đối với phân rã β+ thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là:<br /> M ( Z , A)  M ( Z  1, A)  me (2.8)<br /> Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mi > Mf + 2me<br /> M i  M ( Z , A)  Zme và M f  M ( Z  1, A)  ( Z  1)me (2.9)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 9<br />   Chiếm electron quỹ đạo<br /> <br /> Một nguyên tử thiếu neutron muốn chuyển về trạng thái bền bằng cách phát<br /> hạt positron thì khối lượng của nó phải lớn hơn khối lượng hạt nhân con ít nhất<br /> là hai lần khối lượng electron. Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì sự thiếu<br /> hụt electron phải khắc phục bằng quá trình chiếm electron quỹ đạo, hay còn gọi<br /> là chiếm K.<br /> c .e<br /> e   z X A  z 1 Y<br /> A<br /> v (2.10)<br /> Trong quá trình này một trong các electron ngoài hạt nhân bị hạt nhân<br /> chiếm và kết hợp với proton bên trong để tạo nên neutron theo phản ứng sau:<br /> c .e<br /> e   p   nv (2.11)<br /> Ký hiệu “c.e” trên mũi tên trong các quá trình (2.10) và (2.11) là ký hiệu<br /> quá trình chiếm electron. Do electron lớp K trong nguyên tử có quỹ đạo thấp<br /> nhất nên xác suất để hạt nhân bắt nó là cao nhất so với các electron ở lớp khác.<br /> Vì vậy quá trình chiếm electron thường xảy ra đối với electron ở lớp K và còn<br /> được gọi là quá trình chiếm K. Quá trình chiếm electron giống quá trình phân rã<br /> positron ở chỗ số nguyên tử hạt nhân con thấp hơn 1 đơn vị so với hạt nhân mẹ,<br /> trong khi số khối của hai hạt đó giống nhau.<br /> Đối với quá trình chiếm electron thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là:<br /> M ( Z , A)  me  M ( Z  1, A) (2.12)<br /> Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mi > Mf<br /> M i  M ( Z , A)  Zme và M f  M ( Z  1, A)  ( Z  1)me (2.13)<br /> <br /> Để nhận biết các nguyên tố phát β- hoặc β+ hay đó là những nguyên tố<br /> bền. Ta có thể dựa vào tỉ số giữa điện tích Z và số neutron N<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10<br />  Hình 2.1: Biểu đồ phân bố hạt nhân theo số proton và neutron<br /> <br /> Dựa vào hình trên ta có thể giải thích là:<br /> N<br /> Nếu Z = 1 đó là các hạt nhân bền;<br /> N +<br /> Z > 1 đó là các hạt nhân phân rã β ;<br /> N<br /> < 1 đó là các hạt nhân phân rã β- .<br /> Z<br /> <br /> II.3 Đặc trưng trong phân rã beta<br /> <br /> II.3.1 Phổ năng lượng của beta<br /> <br /> Khác với phân rã alpha, trong phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và<br /> phản neutrino. Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không phải chỉ<br /> quan tâm đến năng lượng tổng cộng mà cả phân bố năng lượng giữa hai hạt bay<br /> ra. Ở đây bỏ qua năng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con. Do tính chất thống<br /> kê của quá trình phân rã nên sự phân chia năng lượng electron và phản neutrino<br /> trong một phân rã là ngẫu nhiên, và năng lượng electron có thể có giá trị bất kỳ<br /> từ 0 đến năng lượng cực đại khả dĩ Emax. Tuy nhiên với một số lớn phân rã beta<br /> <br /> 11<br /> thì phân bố năng lượng của electron không phải là ngẫu nhiên mà có dạng xác<br /> định. Phân bố năng lượng này gọi là phổ electron của phân rã beta.<br /> Khác với phổ alpha là phổ vạch, tất cả các hạt alpha trong cùng mỗi nhóm<br /> có năng lượng như nhau. Trong khi phổ beta là liên tục có dạng như hình vẽ:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2.2: Phổ năng lượng electron trong phân<br /> rã beta của đồng vị phóng xạ P32<br /> <br /> II.3.2 Các quy tắt chọn lọc trong phân rã beta<br /> <br /> Sự dịch chuyển giữa các trạng thái hạt nhân kèm theo phân rã beta tuân<br /> theo một số quy tắc lựa chọn. Dịch chuyển beta được cho phép hay bị cấm là do<br /> spin và độ chẵn lẻ của các hạt nhân mẹ và con.<br /> Ta gọi spin và độ chẵn lẻ của các hạt nhân mẹ và con là Ji, πi và Jf, πf thì<br /> điều kiện để dịch chuyển cho phép là:<br />  J  J f  J i  0,  1;     f   i  0<br /> Điều kiện để dịch chuyển bị cấm bội 1 là:<br /> J  J f  J i  0,  1,  2 ;    f   i  0<br /> <br /> II.3 Các tính chất cơ bản của phân rã beta<br /> <br /> - Lực tương tác: Đặc điểm chính của các phân rã beta là chúng không được<br /> gây ra bởi lực hạt nhân và lực điện từ mà bởi lực tương tác yếu với cường<br /> độ nhỏ hơn lực hạt nhân 14 bậc.<br /> <br /> 12<br /> - Bản chất của quá trình phân rã: Khác với quá trình phân rã alpha, quá<br /> trình phân rã beta xảy ra bên trong hạt nucleon, như neutron thành proton<br /> hay proton thành neutron.<br /> <br /> - Nguồn gốc của các hạt bay ra từ phân rã beta: Câu hỏi đặt ra là electron,<br /> neutron, và các hạt khác bay ra trong phân rã beta có tồn tại trong hạt<br /> nhân trước khi phân rã beta không? Theo quan điểm của lý thuyết hạt<br /> nhân hiện nay, các hạt này sinh ra trong quá trình phân rã do sự tương tác<br /> của các hạt cơ bản.<br /> <br /> - Dải các nguyên tố phân rã beta: Dải các nguyên tố phân rã beta là rất<br /> rộng từ hạt neutron tự do đến nguyên tố nặng.<br /> <br /> - Năng lượng giải phóng khi phân rã beta: Năng lượng khi giải phóng khi<br /> phân rã beta biến thiên từ 0,02 Mev đến 13,4 Mev.<br /> <br /> 3  3 <br /> Ví dụ: 1 H 1 H  e  v  0,02 MeV<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3B<br /> 12<br />  6C<br /> 12<br />  e   v  13,4 MeV<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 13<br />  CHƯƠNG III: PHÂN RÃ GAMMA<br /> <br /> III.1 Khái niệm về dịch chuyển gamma và bản chất bức xạ gamma<br /> <br /> Cả hai phân rã alpha và beta thường kèm theo dịch chuyển gamma, vì sau<br /> khi phân rã alpha và beta hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con thường<br /> nằm ở trạng thái kích thích. Vậy dịch chuyển gamma là hiện tượng hạt nhân con<br /> chuyển từ trạng thái kích thích có năng lượng cao xuống trạng thái kích thích có<br /> năng lượng thấp hoặc trạng thái cơ bản bằng cách phát ra bức xạ điện từ gọi là<br /> bức xạ gamma.<br /> Bức xạ tia X đặc trưng là do sự dịch chuyển giữa các lớp electron bên<br /> trong nguyên tử, còn bức xạ gamma có nguồn gốc hạt nhân sinh ra do bức xạ<br /> gamma dịch chuyển giữa các mức năng lượng. Bức xạ gamma là do tương tác<br /> của các nucleon riêng biệt bên trong hạt nhân với trường điện từ. Một nucleon tự<br /> do cô lập không thể bức xạ hay hấp thụ bức xạ gamma. Bên trong hạt nhân<br /> nucleon có thể bức xạ gamma hoặc hấp thụ gamma do nó truyền động lượng cho<br /> một nucleon khác bên trong hạt nhân. Cạnh tranh với quá trình bức xạ gamma là<br /> quá trình biến hoán nội và biến hoán tạo cặp.<br /> <br /> III.2 Đặc trưng của dịch chuyển gamma<br /> <br /> III.2.1 Thời gian sống của hạt nhân phát gamma<br /> <br /> Thời gian sống trung bình của các hạt nhân phát gamma nhỏ hơn nhiều so<br /> với thời gian sống của các hạt nhân phân rã beta và alpha do cường độ tương tác<br /> điện từ 3 bậc yếu hơn cường độ tương tác hạt nhân. Cũng như các loại phân rã<br /> khác, thời gian sống của các hạt nhân phát gamma phụ thuộc vào độ chênh lệch<br /> về spin và tính chẵn lẽ của các trạng thái đầu và cuối.<br /> Từ lý thuyết bức xạ điện từ, thời gian bán rã của hạt nhân bức xạ gamma<br /> phục thuộc vào độ đa cực L và độ dài bước sóng  như sau:<br /> Đối với dịch chuyển đa cực điện:<br /> 14<br />  2L<br /> 1 1R<br /> ~   (3.1)<br /> T1/2    <br /> Đối với dịch chuyển đa cực từ:<br /> 2  L 1<br /> 1 1R<br /> ~   (3.2)<br /> T1/2    <br /> Thời gian bán rã T1/2 càng lớn khi độ đa cực L càng cao, tức là các dịch<br /> chuyển với độ đa cực cao bị cấm mạnh hơn các dịch chuyển với độ đa cực thấp.<br /> Dịch chuyển lưỡng cực điện được cho phép nhiều nhất. Sau đó là dịch chuyển tứ<br /> cực điện và dịch chuyển lưỡng cực từ.<br /> <br /> III.2.2 Năng lượng và phổ của bức xạ gamma<br /> <br /> Năng lượng của bức xạ gamma bằng hiệu số các mức năng lượng đầu và<br /> cuối của mỗi dịch chuyển gamma. Như vậy phổ năng lượng của bức xạ gamma<br /> là phổ gián đoạn. Năng lượng ΔE, động lượng p, tần số f và bước sóng  của nó<br /> được xác định như đối với các bức xạ điện từ khác, tức là:<br /> h c<br /> ΔE  h.f; p  ;f  (3.3)<br />  <br /> III.2.3 Độ đa cực của lượng tử gamma<br /> <br /> Do photon không có khối lượng nên ta không sử dụng khái niệm momen<br /> quỹ đạo mà dung khái niệm đa cực đối với nó. Độ đa cực L của photon được xác<br /> định theo spin trạng thái đầu Ji và spin trạng thái cuối Jf của hạt nhân như sau:<br /> <br /> Ji  Jf  L  Ji  Jf (3.4)<br /> L=1 gọi là bức xạ lưỡng cực<br /> L=2 gọi là bức xạ tứ cực<br /> Bức xạ gamma được chia thành hai loại là bức xạ điện (E) và bức xạ từ (M). Số<br /> chẵn lẻ đối với hai loại bức xạ này được xác định như sau:<br /> <br /> Bức xạ điện:  E   1L (3.5)<br /> <br /> <br /> 15<br />  Bức xạ từ:  M   1L 1 (3.6)<br /> Định luật bảo toàn chẵn lẻ đối với bức xạ điện từ là:<br /> i L<br />   1 (3.7)<br /> f<br /> Định luật bảo toàn chẵn lẻ đối với bức xạ từ là:<br /> i L 1<br />   1 (3.8)<br /> f<br /> III.2.3 Các trạng thái isomer<br /> <br /> Có một số dịch chuyển từ các mức năng lượng thấp nhưng mức độ cấm<br /> rất lớn nên các hạt nhân có thời gian bán rã khá lớn. Các trạng thái sống lâu như<br /> vậy gọi là isomer.<br /> Từ (3.1) và (3.2) ta thấy mức isomer phải thỏa mãn hai điều kiện là spin<br /> khác rõ rệt với spin của mức dưới nó và có mức năng lượng kích thích thấp. Như<br /> thế các trạng thái isomer sẽ tồn tại ở hạt nhân có các mức vỏ rất gần nhau về<br /> năng lượng nhưng rất xa nhau về spin. Ví dụ đồng vị 49In115 thiếu một proton để<br /> làm đầy vỏ với Z=50, nghĩa là có một “lỗ trống” proton. Ở trạng thái cơ bản, lỗ<br /> trống này nằm ở trạng thái 1g9/2 còn mức kích thích ở trạng thái 2p1/2.<br /> Từ đó thấy rằng các hạt nhân đảo isomer nằm ngay trước các số magic 50,<br /> 82, 126 theo cả Z và N. Đối với các hạt nhân này, trạng thái isomer đều là mức<br /> kích thích đầu tiên của hạt nhân.<br /> <br /> III.3 Quá trình biến hoán nội<br /> <br /> Hạt nhân ở trạng thái kích thích có thể chuyển về trạng thái cơ bản không<br /> chỉ bằng cách phóng ra lượng tử gamma mà còn bằng cách truyền năng lượng<br /> cho một electron của vỏ nguyên tử. Nếu năng lượng truyền này lớn hơn năng<br /> lượng liên kết εlk của electron trong nguyên tử thì electron bị đánh bật ra khỏi<br /> nguyên tử. Quá trình này được gọi là biến hoán nội.<br /> <br /> <br /> 16<br />  Như vậy quá trình biến hoán nội là quá trình tương tác trực tiếp của hạt<br /> nhân với electron trong vỏ nguyên tử, chủ yếu là các lớp vỏ K và L.<br /> <br /> III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp<br /> <br /> Trong trạng thái dịch chuyển 0 – 0 giữa trạng thái kích thích thứ nhất có<br /> năng lượng lớn hơn nhiều so với 1.022 MeV (2m0c2) dịch chuyển gamma bị<br /> cấm. Khi đó trạng thái kích thích được giải phóng bằng cách biến hoán tạo cặp.<br /> <br /> Ví dụ:<br /> 19<br /> 9 F  11H 10<br /> 20<br /> Ne 24 He  168O<br /> 16<br /> Hạt nhân 8 O tạo thành ở trạng thái kích thích cao. Khi hạt nhân<br /> 16<br /> 8 O được tạo thành ở trạng thái kích thích thứ nhất có năng lượng cao 6MeV,<br /> spin và chẵn lẽ là 0+. Dịch chuyển từ trạng thái thứ nhất 0+ về trạng thái cơ bản<br /> có 0+ bị cấm. Khi đó năng lượng kích thích được giải phóng bằng cách phát ra<br /> electron và position (1,022 MeV).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 17<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1] Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân<br /> [2] Phù Chí Hòa, Giáo trình cấu trúc hạt nhân<br /> [3] Đào Tiến Khoa, Vật lý hạt nhân hiện đại, Hà Nội, 2010<br /> [4] http://360.thuvienvatly.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 18<br />