intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Bước đầu nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) trên máy gia tốc 5SDH-2 tại trường đại học Khoa học Tự nhiên

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST
Báo xấu
71
lượt xem 7
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn kết cấu gồm 3 chương: Chương 1 - Một số đặc trưng của phản ứng hạt nhân, Chương 2 - Thiết bị thực nghiệm, Chương 3 - Thí nghiệm và phân tích số liệu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Bước đầu nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) trên máy gia tốc 5SDH-2 tại trường đại học Khoa học Tự nhiên

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------- Trần Thế Anh BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 10B(p,α) TRÊN MÁY GIA TỐC 5SDH-2 TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2013
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------- Trần Thế Anh BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 10B(p,α) TRÊN MÁY GIA TỐC 5SDH-2 TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ HỒNG KHIÊM Hà Nội - 2013
  3. Lời cảm ơn Tôi xin cảm ơn chân thành đến PGS.TS Lê Hồng Khiêm đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện bản luận văn này. Xin cảm ơn GS. KUBONO – đại học tổng hợp Tokyo, đã mang đến ý tưởng về phản ứng hạt nhân khả dĩ có thể thực hiện được trên máy gia tốc 5SHD-2 tại trường đại học Khoa học Tự nhiên, cũng như mẫu Boron nitride mà ông đưa từ Nhật sang. Xin cám ơn đến các đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, đặc biệt là các đồng nghiệp trong nhóm máy gia tốc đã dành nhiều thời gian vận hành máy, trao đổi, giúp đỡ để ghi nhận được các số liệu tốt; đồng nghiệp Lê Tuấn Anh đã có những trao đổi, giúp đỡ trong quá trình xử lý số liệu thực nghiệm. Xin cám ơn đến các đồng nghiệp trong Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện vật lý đã có những ý kiến quý báu khi thực hiện thí nghiệm.
  4. Mục lục Danh mục các hình vẽ bảng biểu Mở đầu………………………………………………………………....................1 Chương 1. Một số đặc trưng của phản ứng hạt nhân…………………………5 1.1 Tóm lược về phản ứng hạt nhân………………………………………6 1.2 Phản ứng hạt nhân gây ra bởi các hạt tích điện nhẹ…………………15 1.3 Một vài điểm cơ bản về thiên văn học hạt nhân …………………….19 Chương 2. Thiết bị thực nghiệm……………………………………………….23 2.1. Giới thiệu về máy gia tốc thẳng 5SDH-2…………………………….23 2.2. Giới thiệu về buồng phân tích………………………………………..27 2.3. Các detector…………………………………………………………..29 Chương 3. Thí nghiệm và phân tích số liệu…………………………………...35 3.l. Thí nghiệm xác định suất lượng phản ứng hạt nhân……………….…35 3.2. Xác định suất lượng của phản ứng…………………………………....37 3.3. Ghi nhận và phân tích phổ của các mẫu sau khi chiếu…………… .41 3.4 Một số hiệu chỉnh để nâng cao độ chính xác…………………………50 Kết luận…………………………………………………………………………..53 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………….54
  5. Danh mục các hình vẽ, bảng biểu: Hình 1.1 Mối liên hệ giữa Tb và Ta trong phản ứng 3H(p,n)3He Hình 1.2 Thế năng tương tác Hình 1.3 Minh họa hố thế đối với hạt tới trong phản ứng hạt nhân xảy ra với sóng s Hình 1.4 Đỉnh Gamow Hình 2.1. Sơ đồ khối máy gia tốc 5SDH-2 Hình 2.2. Hình ảnh thực tế máy gia tốc 5SHD-2 Hình 2.3 Sơ đồ buồng phân tích trên hệ máy gia tốc 5SHD-2 Hình 2.4 Hình ảnh thực tế buồng phân tích trên hệ máy gia tốc 5SHD-2 Hình 2.5 Hình ảnh detector bán dẫn siêu tinh khiết model BEGe 5030 với buồng phông thấp và hệ điện tử tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường ĐH KHTN Hình 2.6. Đặc trưng đường chuẩn năng lượng và đường cong độ phân giải phụ thuộc vào năng lượng của hệ phổ kế gamma model BEGe 5030 Hình 2.7. Đường cong hiệu suất ghi của hệ phổ kế model BEGe 5030 với các khoảng cách khác nhau Hình 2.8. Đường chuẩn năng lượng của detector nhấp nháy NaI đặt tại buồng phân tích của hệ máy gia tốc 5SDH-2 Hình 2.9. Đường đặt trưng hiệu suất ghi detector nhấp nháy NaI đặt tại buồng phân tích của hệ máy gia tốc 5SHD-2 tại khoảng cách 5 cm từ nguồn Hình 3.1. Sơ đồ mức năng lượng của các hạt nhân trong phản ứng 10B(p,α)7Be Hình 3.2. Mô phỏng chùm tia đi xuyên vào trong mẫu để xác định độ xuyên sâu Hình 3.3. Sơ đồ mô tả quá trình phần rã của các hạt nhân phóng xạ trong mẫu Hình 3.4. Hình ảnh phổ ghi nhận từ detector bán dẫn model BEGe 5030 của mẫu sau khi chiếu trong buồng phông thấp Hình 3.5 Suất lượng tổng cộng tạo thành 7Be. Hình 3.6. Hình ảnh phổ gamma tức thời ghi nhận bằng detector NaI gắn trên buồng chiếu của máy gia tốc 5SHD-2
  6. Hình 3.7. Mô tả suất lượng tạo thành 7Be ở trạng thái kích thích của phản ứng 10 B(p,α)7Be Hình 3.8. Đồ thị mô tả đường làm khớp với số liệu thực nghiệm suất lượng tổng cộng Hình 3.9. Đồ thị mô tả đường làm khớp với số liệu tính toán năng suất hãm từ phần mềm SRIM Hình 3.10. Đồ thị mô tả tiết diện phản ứng B(p,α) theo năng lượng Hình 3.11. Sơ đồ phân rã đơn giản Bảng 1.1. Một số loại tiết diện phản ứng hạt nhân. Bảng 2.1. Thông số của các nguồn chuẩn được sử dụng để chuẩn hiệu suất Bảng 3.1. Thông số các lần chiếu mẫu Bảng 3.2. Bảng kết quả tính toán suất lượng tổng tạo ra 7Be Bảng 3.3. Kết quả tính toán suất lượng tạo ra 7Be ở trạng thái kích thích Bảng 3.4. Kết quả tính năng suất hãm dùng phần mềm SRIM
  7. Luận văn tốt nghiệp Mở đầu Một trong những thách thức đối với hiểu biết của con nguời là giải thích nguồn gốc của vũ trụ, sự hình thành, biến đổi của các ngôi sao trong đó có mặt trời là nguồn năng lượng chính của trái đất. Để vượt qua được những thách thức này, nghành thiên văn học cần có sự giúp đỡ của nhiều nghành khoa học khác trong đó vật lý hạt nhân đóng vai trò vô cùng quan trọng [18]. Mục tiêu chính của thiên văn học hạt nhân là tìm hiểu cơ chế tạo thành năng lượng và các nguyên tố trong các sao cũng như làm sáng tỏ quá trình biến đổi của các sao. Phản ứng hạt nhân đóng vai trò chính trong các quá trình này. Với các ngôi sao đang trong giai đoạn ổn định (mặt trời chẳng hạn) thì tốc độ xảy ra phản ứng hạt nhân chậm hơn nhiều so với tốc độ phân rã trung bình của các nhân phóng xạ tạo thành trong phản ứng hạt nhân. Do đó các nhân phóng xạ tạo thành có đủ thời gian để kịp phân rã tiếp trước khi chúng kịp tham gia vào phản ứng hạt nhân tiếp theo. Hệ quả là với những sao đang trong giai đoạn ổn định thì phản ứng hạt nhân xảy ra giữa các đồng vị bền đóng vai trò quan trọng. Kịch bản này sẽ khác đối với các ngôi sao đang ở trong giai đoạn biến động mạnh. Với những ngôi sao đang ở trong giai đoạn này, khoảng thời gian trung bình giữa các phản ứng hạt nhân ngắn hơn nhiều so với thời gian phân rã trung bình của các nhân phóng xạ được tạo thành trong phản ứng hạt nhân. Do vậy, những hạt nhân phóng xạ này không kịp phân rã trước khi chúng tham gia vào phản ứng hạt nhân mới. Hệ quả là phản ứng hạt nhân trên các sao đang trong thời kỳ biến động mạnh sẽ chủ yếu là phản ứng giữa các hạt nhân phóng xạ hoặc ít nhất một trong số hai hạt nhân tham gia vào phản ứng là hạt nhân phóng xạ. Hạt nhân thứ hai thường là các hạt nhẹ như proton hoặc alpha. Khi đó cơ chế của phản ứng xảy ra giữa các hạt nhân phóng xạ đóng vai trò vô cùng quan trọng. Để hiểu được cơ chế tạo năng lượng và các nguyên tố trên các ngôi sao, cần hiểu được cơ chế phản ứng hạt nhân xảy ra giữa các nhân phóng xạ và đo được tiết diện của các phản ứng hạt nhân này. Nghiên cứu phản ứng hạt nhân cần cho thiên văn học là lĩnh vực rất khó về phương Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 1
  8. Luận văn tốt nghiệp diện công nghệ và đòi hỏi một lượng đầu tư lớn. Do tiết diện của các phản ứng loại này rất nhỏ nên cần phải tạo được các chùm hạt nhân phóng xạ có cường độ đủ mạnh và với độ tinh khiết cao. Một khó khăn nữa là các phản ứng hạt nhân cần cho thiên văn học lại chỉ xảy ra ở vùng năng lượng rất thấp nên việc tạo ra các chùm hạt nhân phóng xạ có cường độ mạnh với năng lượng thấp là bài toán rất khó [6]. Có hai phương pháp đo tiết diện của các phản ứng hạt nhân trong đó một trong hai hạt tham gia vào phản ứng là phóng xạ còn hạt kia là bền [2]. Phương pháp thứ nhất dùng bia được chế tạo từ các hạt nhân phóng xạ. Khi đó người ta cấy các đồng vị phóng xạ cần nghiên cứu lên một giá và dùng chùm hạt nhân bền để bắn phá bia này. Phương pháp bia phóng xạ này thích hợp với các nhân phóng xạ có thời gian sống tương đối dài. Phương pháp thứ hai thường được gọi là phương pháp chùm hạt nhân phóng xạ. Trong phương pháp này, người ta tạo ra chùm hạt nhân phóng xạ cần nghiên cứu bằng một phản ứng hạt nhân sơ cấp. Các sản phẩm của phản ứng sơ cấp trong đó có các hạt nhân phóng xạ cần nghiên cứu sẽ được lọc bằng phổ kế từ để loại các hạt nhân không quan tâm. Sau đó chùm hạt này sẽ bắn vào bia bền chứa hạt nhân thứ hai tham gia vào phản ứng cần đo. Phương pháp này thích hợp với các hạt nhân có thời gian sống ngắn. Đa số các đồng vị phóng xạ tham gia vào phản ứng hạt nhân trên các sao có thời gian sống ngắn nên việc tạo ra các chùm hạt nhân phóng xạ là điều kiện tiên quyết để có thể nghiên cứu phản ứng hạt nhân xảy ra trên các sao [9]. Do vai trò quan trọng của vật lý hạt nhân trong thiên văn học, ở các nước phát triển có trình độ khoa học cao như Mỹ, Canada, Châu Âu, Nhật Bản và Trung Quốc, người ta đã và đang đầu tư một lượng tài chính đáng kể để xây dựng những trung tâm gia tốc mạnh kèm theo những phổ kế từ hiện đại để có thể tạo ra được các chùm hạt nhân phóng xạ cần cho việc nghiên cứu thiên văn học hạt nhân [10]. Các nguyên tố Li, Be và B là những nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực thiên văn học. Chúng đóng vai trò trong quá trình tổng hợp các nguyên tố nặng trong các ngôi sao, cho phép hiểu được cơ chế tạo thành và biến đổi của các Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 2
  9. Luận văn tốt nghiệp ngôi sao. Gần đây, người ta đang đẩy mạnh nghiên cứu độ phổ biến của các nguyên tố này trong các ngôi sao. Các phản ứng hạt nhân (α,p) xảy ra tại năng lượng nằm trong cửa sổ Gamow là các phản ứng chính làm giảm độ phổ biến của các đồng vị này trong các sao. Vì vậy để hiểu được sự hình thành và biến đổi của các sao, cần phải đo được tiết diện của các phản ứng này. Trong số các phản ứng hạt nhân gây ra biến đổi độ phổ biến của các đồng vị trên thì phản ứng hạt nhân 7Be(α,p)10B được xem là một trong những phản ứng quan trọng trong chu trình pp và một số chu trình tiếp theo. Phản ứng này xảy ra trong các ngôi sao có nhiệt độ đủ cao. Chỉ có một số rất ít mức cộng hưởng trong hạt nhân hợp phần 11C nằm trong cửa sổ Gamow mới có thể tham gia vào phản ứng hạt nhân 7Be(α,p)10B. Việc nghiên cứu đặc trưng của các mức cộng hưởng này sẽ cho phép tính được tốc độ của phản ứng này trong các ngôi sao. 11 Hiện nay, thông tin về các mức kích thích của hạt nhân C còn đang rất thiếu. Các mức cộng hưởng nằm trên năng lượng kích thích Eex=9 MeV đã được 10 nghiên cứu thông qua các phản ứng B(p,α) và một số phản ứng hạt nhân khác, chẳng hạn như 12C(p,d)11C. Thông thường các cộng hưởng này có độ rộng cỡ 100 keV. Tuy nhiên người ta chưa biết chính xác độ rộng của kênh rã alpha Гα bằng bao nhiêu. Thậm chí cả các đặc trưng lượng tử của một số cộng hưởng nằm trong vùng này như spin và chẵn lẻ J cũng chưa xác định. Các mức cộng hưởng nằm thấp hơn trong khoảng Eex = 8- 9 MeV thì độ rộng nhỏ hơn và người ta chỉ mới xác định được độ rộng của hai cộng hưởng nằm tại Eex=8.11 MeV và Eex=8.42 MeV. Tham số của 2 cộng hưởng này đã được xác định trực tiếp bằng phản ứng 7Be(α,γ)11C . Tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân thuộc trường Đại học Tổng hợp Tokyo, người ta đã tiến hành thí nghiệm đo phản ứng tán xạ đàn hồi 7Li+α để nghiên cứu 11 tham số của các mức cộng hưởng trong hạt nhân B và đã xác định được các độ rộng Гα. Gần đây nhất, một thí nghiệm khác nghiên cứu tán xạ đàn hồi 7Be+α và phản ứng 7Be(α ,p)10B cũng đã được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân của Đại học Tổng hợp Tokyo nhằm nghiên cứu cấu trúc của hạt nhân 11C [19]. Các Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 3
  10. Luận văn tốt nghiệp phản ứng này được đo bằng động học ngược dùng chùm hạt nhân phóng xạ 7Be tạo ra từ máy gia tốc cyclotron của Viện Vật lý và Hóa học RIKEN kết hợp với phổ kế từ CRIB của Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân của Đại học Tổng hợp Tokyo. Người ta đã đo được các đường cong kích thích 7Be(α,α0)7Be, 7Be(α,α1)7Be*, 7Be(α,p0)10B và 7Be(α,p0)10B*. Việc phân tích các đường cong kích thích đo từ thực nghiệm bằng lý thuyết R-matrix đã cho phép thu được tham số cộng hưởng của các mức đóng vai trò quan trọng đến phản ứng. Tại Khoa Vật Lý của Đại học KHTN Hà Nội mới đây đã lắp đặt máy gia tốc Pelletron có thể gia tốc được các chùm hạt tích điện ở vùng năng lượng thấp trong 7 đó có chùm proton [12]. Như đã nói ở phần trên, phản ứng hạt nhân Be(α,p)10B đóng vai trò quan trọng trong thiên văn học nên chúng tôi mong muốn có thể nghiên cứu phản ứng này trên máy Pelletron. Có thể nghiên cứu phản ứng này bằng cách 10 nghiên cứu phản ứng ngược B(p, α)7Be kết hợp với nguyên lý cân bằng chi tiết trong phản ứng hạt nhân. Nguyên lý này cho phép tính tiết diện của quá trình nào đó nếu biết được tiết diện quá trình ngược lại ở cùng một năng lượng toàn phần trong hệ quy chiếu khối tâm. Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 4
  11. Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 1. MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.1. Tóm lược về phản ứng hạt nhân 1.1.1. Phân loại phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần cỡ 1013cm và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ. Có nhiều cách phân loại phản ứng hạt nhân, có thể phân loại theo hạt tới, hạt sản phẩm hay theo cơ chế phản ứng... Nếu xét theo các sản phẩm tạo thành ta có thể phân phản ứng hạt nhân thành các loại sau: Tán xạ đàn hồi X(a,a)X: hạt tới chỉ thay đổi hướng chuyển động (có thể cả hướng spin), sau phản ứng hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản. Tán xạ không đàn hồi X(a,a’)X*: hạt tới truyền một phần động năng cho hạt nhân bia, sau phản ứng hạt nhân bia ở trạng thái kích thích, độ lớn moment của các hạt thay đổi. Tán xạ giả đàn hồi X(a,ap)Y, hoặc X(a,ad)Y...: khi năng lượng truyền trong phản ứng lớn hơn năng lượng tách các mảnh hạt nhân (như nuclôn, đơtơri...), hạt nhân sẽ phát ra một hạt. Hạt tới bị mất năng lượng ở trạng thái cuối. Phản ứng biến đổi X(a,b)Y: là phản ứng mà hạt đạn và hạt nhân dư khác nhau số khối A. Trong phản ứng này cần kể đến phản ứng tước hạt (stripping reaction), một nucleon của hạt tới bị hấp thụ bởi hạt nhân bia, phần hạt còn lại tiếp tục chuyển động qua bia; phản ứng đoạt hạt (pickup reaction), hạt tới đoạt một nucleon của hạt nhân bia; ngoài ra còn có các phản ứng trao đổi điện tích (charge exchange) và phản ứng knock-out. Dựa trên cơ chế phản ứng ta có thể phân chia phản ứng hạt nhân thành các loại sau: Phản ứng hạt nhân hợp phần: có hai quá trình liên tiếp xảy ra. Hạt nhân bia bắt hạt đạn, hình thành nên hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích cao, năng Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 5
  12. Luận văn tốt nghiệp lượng kích thích được phân bố lại cho các nuclôn. Sau đó một hoặc một nhóm nuclôn có thể nhận được đủ năng lượng bay ra khỏi hạt nhân hợp phần. Phản ứng hạt nhân trực tiếp: là phản ứng mà giữa kênh vào và kênh ra không tồn tại trạng thái trung gian. Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng là phản ứng nằm giữa phản ứng trực tiếp và phản ứng hợp phần. Năng lượng của hạt đến được truyền cho một nhóm các nuclôn trong hạt nhân bia. Các nuclôn này khởi xướng cho một loạt các phản ứng nối tầng, tại một tầng nào đó một hạt sẽ được phát ra (trước khi hạt nhân hợp phần đạt trạng thái cân bằng thống kê). Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc vào hạt tới. Phản ứng hạt nhân là tương tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions.... Phản ứng hạt nhân có thể là tương tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron, ions... Còn khi hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu. Đối với bia và hạt tới nhất định, phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới mà phản ứng xảy ra theo cơ chế nào đó. Bên cạnh đó, xác suất tồn tại trạng thái kích thích cao cũng phụ thuộc vào năng lượng. Sự tập trung lực kích thích trong một vùng năng lượng nào đó gọi là cộng hưởng khổng lồ. Sau phản ứng hạt nhân thường có hai hoặc ba hạt tạo thành. Nếu rất nhiều hạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation). Khi hạt nhân bia bắt nơtron, hạt nhân hợp phần tách ra thành các hạt có số khối tương đương nhau, ta có phản ứng phân hạch. Xác suất xảy ra phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z2/A. Phản ứng phân hạch cùng với phản ứng nhiệt hạch là những phản ứng tỏa ra năng lượng lớn. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ. Thang thời gian của phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trực tiếp có bậc độ lớn là 10-22 (s), còn thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10- 16 -10-15 s với chùm năng lượng thấp và khoảng 10-21-10-20 s với chùm năng lượng cao. Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 6
  13. Luận văn tốt nghiệp Có rất nhiều mẫu hạt nhân đã được đưa ra để giải thích cơ chế của các phản ứng hạt nhân. Mỗi mẫu chỉ có thể áp dụng cho một hoặc một vài loại phản ứng hạt nhân. 1.1.2. Các định luật bảo toàn Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, dù là trực tiếp hay hợp phần cũng đều bị tri phối bởi các định luật bảo toàn: Định luật bảo toàn điện tích và số baryon: trong phản ứng hạt nhân, tổng điện tích của hạt tới tham gia phản ứng bằng với tổng điện tích của các hạt sản phẩm. Và trong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, tổng số barion phải là một hằng số. Định luật bảo toàn số barion cho phép giải thích tính bền vững của proton [4]. Định luật bảo toàn năng lượng: phát biểu là năng lượng toàn phần trước phản ứng và sau phản ứng bằng nhau. Đối với quá trình (1.1) định luật bảo toàn năng lượng được viết: E01  T1  E02  T2 (1.1) trong đó E01, E02 lần lượt là tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng. Còn T1, T2 lần lượt là tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng. Định luật bảo toàn moment động lượng: trong phản ứng A(a,b)B, gọi ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toàn moment động lượng được viết: pa  pA  pB  pb (1.2) Định luật bảo toàn moment góc: tổng moment góc của các hạt tham gia phản ứng là bảo toàn cũng như thành phần hình chiếu lên phương được chọn. Áp dụng cho phản ứng A(a,b)B ta có: ia  I A  l Aa  I B  ib  lBb (1.3) Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 7
  14. Luận văn tốt nghiệp với ⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗ là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng. Các spin này có thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán (dùng mẫu vỏ). Proton có spin là ½, các hạt nhân chẵn-chẵn có spin bằng không.... Spin của hạt nhân là moment góc riêng của hạt nhân ở trạng thái cơ bản. Các đại lượng ⃗⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗⃗ là moment góc quỹ đạo của các cặp hạt tương ứng, đặc trưng cho chuyển động tương đối giữa các hạt. Momen quỹ đạo góc nhận các giá trị nguyên (0,1,2....) và giá trị cụ thể được xác định thông qua bản chất chuyển động của các hạt [4]. Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ và tương tác mạnh, tính chẵn lẻ được bảo toàn. Phản ứng hạt nhân cũng thuộc vào các loại tương tác này, nên định luật bảo toàn chẵn lẻ cũng có giá trị. Xét phản ứng A(a,b)B, định luật bảo toàn chẵn lẻ được viết: Pa PA (1)lAa  PB Pb (1)lBb (1.4) Pa, PA, PB, Pb là tính chẵn lẻ riêng tương ứng với từng hạt tham gia phản ứng. Cũng như các định luật bảo toàn khác, định luật bảo toàn chẵn lẽ dẫn đến quy tắc chọn lọc làm giới hạn các phản ứng có thể xảy ra. Định luật bảo toàn spin đồng vị: Xét phản ứng A(a,b)B thuộc loại tương tác mạnh, nên cũng tuân theo định luật bảo toàn spin đồng vị ⃗ . Theo định luật này thì spin toàn phần của các hạt trước và sau phản ứng bằng nhau: Ta  TA  TB  Tb (1.5) Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, có nghĩa là các hạt nhân ở các trạng thái năng lượng khác nhau thì có spin đồng vị khác nhau, thay đổi từ Tmin=(N-Z)/2 đến Tmax=A/2. Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng vị thấp nhất . Các định luật bảo toàn đưa ra giới hạn nhất định đối với phản ứng hạt nhân, và do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra và có được các thông tin quan trọng về các đặc tính của các hạt tham gia phản ứng Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 8
  15. Luận văn tốt nghiệp và các hạt sản phẩm. Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân chính là việc đo đạc tiết diện phản ứng vi phân như là hàm của năng lượng, cũng như các thông số khác của hạt bay ra, và xác định phân bố góc và năng lượng của các hạt sản phẩm cũng như các trạng thái lượng tử của chúng. 1.1.3. Động học phản ứng hạt nhân Xét phản ứng A(a,b)B, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: (ma  mA )c2  Ta  TA  (mb  mB )c 2  Tb  TB (1.6) trong đó T là động năng của các hạt, m là khối lượng nghỉ. Giá trị Q của phản ứng được định nghĩa là tổng năng lượng nghỉ trước phản ứng trừ đi tổng năng lượng nghỉ sau phản ứng: Q  (minitial  m final )c 2  Tinitial  Tfinal  Tb  TB  Ta  TA (1.7) Giá trị Q có thể là âm, dương hoặc bằng không. Nếu Q>0 ( ) phản ứng được gọi là tỏa nhiệt, khi đó năng lượng liên kết giải phóng dưới dạng động năng của các hạt sản phẩm. Nếu Q
  16. Luận văn tốt nghiệp TB), vì vậy không có lời giải duy nhất. Rút ξ và TB từ các phương trình trên ta được mối liên hệ giữa Ta và Tb: ma mbTa cos   ma mbTa cos 2   (mB  mb )  mBQ  (mB  ma )Ta  Tb  (1.10) mB  mb Hình 1.1: Mối liên hệ giữa Tb và Ta trong phản ứng 3H(p,n)3He Hình 1.1 minh họa mối liên hệ giữa động năng Ta và Tb đối với phản ứng 3 H(p,n)3He (Q = -763.75 keV). Từ hình vẽ ta thấy có hai vùng: thứ nhất là từ 1.019 đến 1.147 keV, trong vùng này với giá trị θ chọn để quan sát thì ứng với một giá trị của Ta có hai giá trị Tb thỏa mãn (vùng giá trị kép). Vùng thứ hai từ 1.147 keV trở đi, trong vùng này Tb liên hệ đơn trị với Ta. Từ phương trình 1.10 có thể rút ra được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân: - Nếu Q
  17. Luận văn tốt nghiệp Điều kiện ngưỡng luôn xảy ra với θ=0. Nếu Q>0, phản ứng xảy ra ngay cả với năng lượng hạt tới nhỏ, nhưng khi đó cần xét tới ảnh hưởng của hàng rào thế Coublom. - Giá trị kép xảy ra khi hạt tới có năng lượng nằm trong khoảng T th tới giới hạn trên: mB Ta'  (Q) (1.12) mB  ma Trường hợp này cũng chỉ xảy ra với phản ứng có Q
  18. Luận văn tốt nghiệp Qex  (mA  ma  mB*  mb )c 2  Q0  Eex (1.16) trong đó Q0 là giá trị Q ứng với trạng thái cơ bản của B, còn =mYc2+Eex là khối lượng nghỉ của hạt nhân B ở trạng thái kích thích (E ex là năng lượng kích thích). Giá trị cực đại quan sát được của Tb với trạng thái cơ bản của B, do đó từ (1.15) có thể xác định được Q0. Còn các giá trị khác của Tb ứng với các mức kích thích cao hơn, thông qua đo Tb xác định được Qex và từ đó rút ra Eex. 1.1.4. Suất lượng và tiết diện của phản ứng hạt nhân 1.1.4.1. Suất lượng phản ứng hạt nhân Suất lượng của phản ứng là số phản ứng xảy ra trên bia trong một đơn vị thời gian. Suất lượng của phản ứng hạt nhân ký hiệu là Y, trong trường hợp chùm hạt đơn năng, suất lượng Y được xác định theo công thức: Y =.N0.. (1.17) trong đó  là hệ số hình học, N0 là số hạt nhân trên bia;  là thông lượng chùm hạt tới;  là tiết diện phản ứng hạt nhân. Trường hợp chùm hạt tới có phổ năng lượng liên tục, gọi (E) là thông lượng chùm bức xạ trong vùng năng lượng E, còn (E) là tiết diện phản ứng trong vùng năng lượng E. Hàm (E).(E) được gọi là hàm hưởng ứng hay hàm kích thích trong vùng năng lượng E. Tốc độ phản ứng, đối với hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE là dR được xác định theo công thức: dR = (E).(E)dE (1.18) Tốc độ phản ứng dR thực chất là số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân trong một đơn vị thời gian do các hạt tới có năng lượng từ E đến E+dE gây ra. Tích phân hai vế của phương trình (1.18), ta có:  R    ( E ). ( E )dE (1.19) 0 Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 12
  19. Luận văn tốt nghiệp trong đó R chính là tốc độ phản ứng hay số phản ứng xảy ra trên một hạt nhân bia trong một đơn vị thời gian. Xét trường hợp phản ứng có ngưỡng là Eth, chùm bức xạ tới có năng lượng cực đại là Emax. Do tiết diện phản ứng bằng không khi năng lượng chùm hạt tới nhỏ hơn ngưỡng của phản ứng. Khi đó biểu thức (1.19) được viết lại như sau: Emax R   ( E ). ( E )dE Eth (1.20) Khi đó suất lượng phản ứng hạt nhân Y, được xác định theo công thức: Emax Y  N 0   ( E ). ( E )dE Eth (1.21) 1.1.4.2. Tiết diện phản ứng hạt nhân Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất tương đối để phản ứng hạt nhân xảy ra. Nếu đặt một detector để ghi hạt b bay ra theo phương (θ,Φ) so với phương chùm hạt tới, detector chiếm giữ một góc khối nhỏ dΩ. Gọi Ia là cường độ dòng tới (số hạt trên một đơn vị thời gian), n là số hạt nhân bia trên một đơn vị diện tích, Rb là số hạt b bay ra trong một đơn vị thời gian, khi đó ta có: Rb   (1.22) Ia N Detector chỉ chắn một góc khối nhỏ dΩ nên không ghi nhận hết được hạt bay ra. Thực tế chỉ ghi nhận được dRb, do đó chỉ rút ra được một phần tiết diện phản ứng dσ. Hơn nữa, các hạt bay ra nói chung không đẳng hướng, chúng sẽ tuân theo một phân bố góc r(θ,Φ) nào đó phụ thuộc vào θ hoặc có thể cả góc Φ. Khi đó ta có dRb=r(θ,Φ)dΩ/4π và tiết diện vi phân góc được định nghĩa: d r ( , )  (1.23) d  4 I a n Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 13
  20. Luận văn tốt nghiệp Tiết diện vi phân cho thông tin quan trọng về phân bố góc của sản phẩm phản ứng. Tích phân 1.23 theo toàn bộ góc khối sẽ thu được tiết diện phản ứng. Với dΩ=sinθdθdΦ ta có:  2 d d   d    sin  d  d  (1.24) d 0 0 d Trong nhiều ứng dụng hạt nhân, không chỉ quan tâm đến xác suất tìm thấy hạt b tại một góc nào đấy mà còn quan tâm đến năng lượng của hạt b. Từ đó người ta đưa ra khái niệm tiết diện vi phân kép d2σ/dEbdΩ. Đối với các trạng thái gián đoạn, khi đó chỉ có một mức năng lượng nằm trong dải dEb, nên việc phân chia tiết diện vi phân kép và tiết diện vi phân góc là không cần thiết. Nếu không quan tâm tới góc bay ra của hạt b, mà chỉ quan tâm tới năng lượng của hạt b, thì ta có tiết diện vi phân theo năng lương dσ/dE, khi đó E có thể là năng lượng kích thích của hạt nhân Y. Bảng 1.1: Một số loại tiết diện phản ứng hạt nhân [8]. Tiết diện Ký hiệu Kỹ thuật đo Ứng dụng có thể Tiết diện tổng σt Suy giảm chùm tia Che chắn cộng Tiết diện phản Σ Lấy tổng theo tất cả các góc Tạo ra đồng vị Y ứng hạt nhân và năng lượng của hạt b thông qua phản ứng hạt nhân Tiết diện vi dσ/dΩ Đo b tại góc (θ,Φ) lấy tổng Sự hình thành hạt b phân góc theo tất cả năng lượng theo hương nào đó Tiết diện vi dσ/dE Đo trạng thái kích thích của Nghiên cứu sự phân phân theo năng Y thông qua γ phát ra rã trạng thái kích lượng thích hạt nhân Y Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 14
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2