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

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd gây bởi notron nhiệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST
Báo xấu
17
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bản luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục. Chương 1 trình bày tóm tắt về phản ứng hạt nhân, nhiệt hóa nơtron và tiết diện bắt nơtron nhiệt. Trong phản ứng hạt nhân đi sâu vào phản ứng bắt nơtron cùng với các quá trình vật lý đi kèm. Chương 2 trình bày thí nghiệm và phân tích số liệu nhằm xác định tiết diện bắt nơtron của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd. Chương 3 trình bày kết quả thực nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd cùng với các ý kiến đánh giá, bình luận về kết quả.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd gây bởi notron nhiệt

  1. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VĂN HẢI NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ)109Pd GÂY BỞI NƠTRON NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 1
  2. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VĂN HẢI NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ)109Pd GÂY BỞI NƠTRON NHIỆT Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS. NGUYỄN VĂN ĐỖ Hà Nội – 2015 2
  3. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập và làm việc để hoàn thành đƣợc bản luận văn thạc sĩ ngành Vật lý hạt nhân tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Văn Đỗ. Nhờ sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của Thầy mà em đã học hỏi đƣợc nhiều kiến thức về lý thuyết Vật lý hạt nhân cũng nhƣ Vật lý hạt nhân thực nghiệm. Em xin gửi lời cám ơn đến TS. Phạm Đức Khuê và các cán bộ của Trung tâm Vật lý hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cám ơn đề tài nghiên cứu cơ bản NAFOSTED, mã số 103.04- 2012.21 do GS.TS. Nguyễn Văn Đỗ làm chủ nghiệm đã cho phép sử dụng các số liệu thực nghiệm để thực hiện luận văn. Em xin cám ơn thầy cô thuộc bộ môn Vật lý hạt nhân cũng nhƣ khoa Vật lý - Trƣờng ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội, đã dạỵ bảo em trong quá trình học tập tại trƣờng. Cuối cùng. em xin đƣợc dành tất cả những thành quả trong học tập của mình dâng tặng những ngƣời thân yêu trong gia đình, những ngƣời luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ em vƣợt qua mọi khó khăn. Hà Nội, tháng........năm 2015 TÁC GIẢ LUẬN VĂN LÊ VĂN HẢI 3
  4. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải DANH MỤC BẢNG BIỂU STT TÊN BẢNG TRANG Bảng 1.1 Các thông số đối với một số chất làm chậm 16 Bảng 2.1 Đặc trƣng của các mẫu Pd, Au và In 29 Bảng 2.2 Chế độ kích hoạt mẫu 31 Bảng 2.3 Giá trị các hệ số làm khớp đối với Detector HPGe (ORTEC) 35 Giá trị thông lƣợng nơtron đƣợc nhiệt hóa tại các vị trí của mẫu In Bảng 2.4 43 trên hình 2.5 108 Các thông số của phản ứng Pd(n,γ)109Pd , 197 Au(n,γ)198Au, và Bảng 3.1 115 46 In(n,γ)116mIn Các hệ số hiệu chỉnh chính đƣợc sử dụng để xác định tiết diện bắt Bảng 3.2 47 nơtron nhiệt Hệ số tự chắn đối với nơ tron nhiệt và hệ số tự hấp thụ của các tia Bảng 3.3 47 gamma sử dụng để đo hoạt độ của các mẫu Pd và Au Bảng 3.4 Các nguồn sai số trong xác định tiết diện nơtron nhiệt 48 Bảng 3.5. Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,γ)109Pd 49 4
  5. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải DANH MỤC HÌNH VẼ STT TÊN HÌNH TRANG Hình 1.1 Định luật bảo toàn xung lƣợng trong phản ứng a + A → b +B 7 Hình 1.2 Các mức năng lƣợng kích thích của hạt nhân hợp phần 11 Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ Hình 1.3 13 phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b) Hình 1.4 Sơ đồ tính δ 15 Hình 1.5 Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron 19 Hình 1.6 Sự phụ thuộc của tiết diện bắt nơtron vào năng lƣợng 23 Hình 2.1 Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc 26 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV 26 Hình 2.3 Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron 27 Phân bố năng lƣợng nơtron đối với bia Ta có và không đƣợc làm Hình 2.4 mát bằng nƣớc, và so sánh với phân bố Maxwellian tại nhiệt độ 28 hạt nhân = 0.45 MeV Hình 2.5 Sơ đồ sắp xếp vị trí mẫu 30 Bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu trên bề mặt hệ làm chậm nơtron Hình 2.6 30 bằng nƣớc Hình 2.7 Sơ đồ hệ phổ kế gamma 31 Đƣờng cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán dẫn Hình 2.8 36 HPGe (ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), thời Hình 2.9 38 gian phân rã (td) và thời gian đo (tc) Phổ gamma đặc trƣng của mẫu Pd đƣợc kích hoạt bởi nơtron nhiệt Hình 3.1 với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 376 phút, thời gian 44 đo 30 phút Phổ gamma đặc trƣng của mẫu Au đƣợc kích hoạt bởi nơtron nhiệt Hình 3.2 với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 330 phút, thời gian 45 đo 10 phút Phổ gamma đặc trƣng của mẫu In đƣợc kích hoạt bởi nơtron nhiệt Hình 3.3 với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 344 phút, thời gian 45 đo 200 giây Hình 3.4 Sơ đồ phân rã đã đơn giản của 109Pd ( năng lƣợng: keV) 46 Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,γ)109Pd biểu diễn Hình 3.5 50 theo thang thời gian 5
  6. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 1 ...................................................................... Error! Bookmark not defined. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG (n,γ) VÀ NHIỆT HÓA NƠTRON ..... Error! Bookmark not defined. 1.1. Phản ứng hạt nhân .................................................... Error! Bookmark not defined. 1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân ........................ Error! Bookmark not defined. 1.1.2. Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản ..................... Error! Bookmark not defined. 1.1.3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng ............... Error! Bookmark not defined. 1.1.4. Năng lƣợng của phản ứng ................................... Error! Bookmark not defined. 1.1.5. Động học của phản ứng ...................................... Error! Bookmark not defined. 1.2. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích .................... Error! Bookmark not defined. 1.2.1. Phản ứng hạt nhân- Hạt nhân hợp phần .............. Error! Bookmark not defined. 1.2.2. Trạng thái kích thích ........................................... Error! Bookmark not defined. 1.3. Nhiệt hóa Nơtron ....................................................... Error! Bookmark not defined. 1.3.1. Nơtron ................................................................. Error! Bookmark not defined. 1.3.2. Đặc điểm của các nơtron nhiệt............................ Error! Bookmark not defined. 1.3.3. Cơ chế làm chậm nơtron ..................................... Error! Bookmark not defined. 1.3.4. Tƣơng tác của nơtron với vật chất ...................... Error! Bookmark not defined. 1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .......................................... Error! Bookmark not defined. 1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng .......................... Error! Bookmark not defined. 1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .................................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG 108Pd(n,)109Pd ............................................. Error! Bookmark not defined. 2.1. Nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính năng lƣợng 100 MeV Error! Bookmark not defined. 2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng 108Pd(n,)109Pd .......... Error! Bookmark not defined. 2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu ................................... Error! Bookmark not defined. 2.2.2. Kích hoạt mẫu ..................................................... Error! Bookmark not defined. 2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt ......... Error! Bookmark not defined. 2.2.4. Phân tích phổ gamma .......................................... Error! Bookmark not defined. 6
  7. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải 2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của detector .................... Error! Bookmark not defined. 2.3. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ............................ Error! Bookmark not defined. 2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân .................... Error! Bookmark not defined. 2.3.2. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ..................... Error! Bookmark not defined. 2.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả ............. Error! Bookmark not defined. 2.4.1. Xác định hệ số suy giảm tia gamma, Fg ............. Error! Bookmark not defined. 2.4.2. Hiệu chỉnh hiệu ứng tự che chắn đối với nơtron nhiệt ...... Error! Bookmark not defined. 2.4.3. Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh ........................... Error! Bookmark not defined. 2.4.4. Hiệu chỉnh thông lƣợng nơtron nhiệt ..................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................... Error! Bookmark not defined. 3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trƣng của phản ứng hạt nhân. ............. Error! Bookmark not defined. 3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh ......................................... Error! Bookmark not defined. 3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,)109Pd ......... Error! Bookmark not defined. KẾT LUẬN ...................................................................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................ Error! Bookmark not defined. 7
  8. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải MỞ ĐẦU Phản ứng hạt nhân làm biến đổi sâu sắc hạt nhân nguyên tử và phát ra các loại hạt/bức xạ khác nhau, mang theo những thông tin liên quan tới các đặc trƣng của hạt nhân cũng nhƣ quá trình tƣơng tác của nó với các hạt/bức xạ tới. Phân tích các thông tin thu đƣợc từ phản ứng hạt nhân có thể nhận biết về cấu trúc và các tính chất của hạt nhân, về nguồn gốc của năng lƣợng hạt nhân và các đồng vị phóng xạ cũng nhƣ khả năng ứng dụng của chúng. Chính vì vậy mà từ lâu phản ứng hạt nhân đã trở thành một trong những hƣớng nghiên cứu quan trọng đƣợc sử dụng để khám phá hạt nhân nguyên tử. Phản ứng hạt nhân xảy ra do tƣơng tác của các loại hạt, bức xạ khác nhau nhƣ alpha (), proton (p), nơtron (n), photon ()...với hạt nhân nguyên tử. Trong thực tế 8
  9. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải nghiên cứu và ứng dụng đến nay cho thấy phản ứng hạt nhân với nơtron là phổ biến nhất mà một trong những lý do quan trọng đó là nơtron trung hòa về điện tích nên có thể tƣơng tác với các loại hạt nhân nguyên tử có số khối từ nhỏ tới lớn mà không chịu tác dụng của lực đẩy culong. Ngoài ra, nguồn phát nơtron cũng phổ biến hơn nhiều so với những nguồn phát ra các loại hạt, bức xạ khác. Ngày nay nơtron không những chỉ đƣợc tạo ra từ các nguồn nơtron đồng vị, từ lò phản ứng hạt nhân mà còn từ nhiều loại máy gia tốc hạt khác nhau, có khả năng tạo ra nơtron trong giải năng lƣợng rộng, thông lƣợng lớn, cho phép tiến hành nghiên cứu nhiều phản ứng hạt nhân với nơtron. Trong luận văn này tác giả đã chọn phản ứng bắt nơtron (n,) để nghiên cứu. Cho tới nay phản ứng hạt nhân (n,) đã đƣợc nghiên cứu trên nhiều hạt nhân/đồng vị khác nhau. Các kết quả nghiên cứu đã giúp mở rộng sự hiểu biết về những bí mật của hạt nhân nguyên tử cũng nhƣ về cơ chế của phản ứng, đồng thời đã cung cấp nhiều số liệu hạt nhân có giá trị phục vụ nghiên cứu cơ bản và các lĩnh vực ứng dụng có ý nghĩa khoa học và kinh tế nhƣ tính toán thiết kế lò phản ứng hạt nhân, che chắn an toàn phóng xạ, chế tạo đồng vị phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ, phân tích kích hoạt xác định hàm lƣợng các nguyên tố,…Tuy nhiên, đối tƣợng nghiên cứu và nhu cầu hiểu biết về hạt nhân nguyên tử, về cơ chế phản ứng cùng khả năng ứng dụng của phản ứng hạt nhân nói chung và phản ứng bắt nơtron nói riêng là không có giới hạn, độ chính xác của các số liệu hạt nhân đòi hỏi ngày càng cao. Ngoài ra, phản ứng bắt nơtron còn là một kênh quan trọng tổng hợp các hạt nhân từ sau các nguyên tố sắt (Fe) và niken (Ni). Chính vì vậy mà phản ứng bắt nơtron vẫn luôn thu hút sự quan tâm nghiên cứu cả ở trong và ngoài nƣớc. 108 Bản luận văn “Nghiên cứu phản ứng hạt nhân Pd(n,)109Pd gây bởi nơtron nhiệt” sẽ tập trung xác định bằng thực nghiệm tiết diện của phản ứng. Trong tự nhiên Palladium (Pd) là một kim loại hiếm có màu trắng bạc, bóng, mềm và dễ uốn, có khả năng hấp thụ Hydro tới 900 lần thể tích ở nhiệt độ phòng, chống xỉn màu, dẫn điện ổn định, chống ăn mòn hóa học cao cùng chịu nhiệt tốt. Do những tính chất đặc biệt của Palladium (Pd) nên kim loại này là vật liệu quan trọng trong việc chế tạo bộ chuyển đổi xúc tác để xử lý các loại khí độc hại trong khói của ô tô, sản xuất linh kiện điện tử, công nghệ sản xuất và lƣu trữ Hydro... Ngoài ra Palladium còn đƣợc sử dụng 109 trong ngành nha khoa và y học. Đồng vị Pd đƣợc sinh ra từ phản ứng 108 Pd(n,)109Pd với chu kỳ bán dã 13.7 h có tiềm năng ứng dụng trong y học phóng xạ. 9
  10. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Cho tới nay đã có một số tác giả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108 Pd(n,)109Pd. Tuy nhiên, các số liệu đã công bố khác nhau tƣơng đối lớn, nằm trong khoảng từ 5.95±0.08 barn đến 14±2 barn, chênh lệch lên tới  135%. Do đó, khó có thể đánh giá và tìm ra đƣợc một số liệu tốt nhất để sử dụng. Vì vậy việc xác định thêm những số liệu tiết diện mới để bổ xung vào thƣ viện số liệu hạt nhân đối với phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd là rất cần thiết. Cho tới nay hầu hết các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd đều sử dụng nơtron phát ra theo chế độ liên tục từ các nguồn nơtron đồng vị hoặc lò phản ứng phân hạch. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng nơtron đƣợc phát ra theo chế độ xung từ máy gia tốc electron tuyến tính, năng lƣợng cực đại 100 MeV. Tiết diện của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd đƣợc xác định bằng phƣơng pháp kích hoạt kết hợp với kỹ thuật năng phổ gamma. Hoạt độ của đồng vị phóng xạ 109Pd đƣợc đo bằng phổ phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết, HPGe. Tiết diện phản ứng đƣợc xác định bằng phƣơng pháp tƣơng đối, nghĩa là so sánh với tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 197Au(n,)198Au đã biết là o,Au = 98.650.09 barn. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu đã thực hiện một số hiệu chính nhằm giảm sai số gây bởi hiệu ứng tự hấp thụ của các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia gamma trùng phùng thác và hiệu ứng tự chắn của chùm nơtron nhiệt. Tiết diện bắt 108 nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân Pd(n,γ)109Pd thu đƣợc trong luận văn là 8.57±0.79 barn. Kết quả này sẽ đƣợc phân tích và đánh giá trong chƣơng 3. Bản luận văn gồm 3 chƣơng cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục. Chƣơng 1 trình bày tóm tắt về phản ứng hạt nhân, nhiệt hóa nơtron và tiết diện bắt nơtron nhiệt. Trong phản ứng hạt nhân đi sâu vào phản ứng bắt nơtron cùng với các quá trình vật lý đi k m. Chƣơng 2 trình bày thí nghiệm và phân tích số liệu nhằm xác định tiết 108 diện bắt nơtron của phản ứng hạt nhân Pd(n,γ)109Pd. Chƣơng 3 trình bày kết quả thực nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd cùng với các ý kiến đánh giá, bình luận về kết quả. Bản luận văn dài 59 trang, có 20 hình vẽ và đồ thị, 10 bảng biểu và 40 tài liệu tham khảo. Bản luận văn đƣợc hoàn thành tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 10
  11. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG (n,γ) VÀ NHIỆT HÓA NƠTRON 1.1. Phản ứng hạt nhân 1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên đƣợc tạo ra từ phòng thí nghiệm của Rutherford năm 1919 khi bắn chùm hạt alpha () từ nguồn đồng vị vào hạt nhân Nitơ (N) tạo ra 17O và Proton (p).  + 14N → 17O + p Ngày nay, có thể gây ra rất nhiều loại phản ứng hạt nhân khác nhau do sự đa dạng của các chùm hạt/bức xạ tới đƣợc tạo ra từ lò phản ứng và các máy gia tốc khác nhau. Một phản ứng hạt nhân thƣờng đƣợc viết nhƣ sau: a+A→B+b (1.1) Trong đó a là hạt/bức xạ tới, A là hạt nhân bia tham gia phản ứng, B và b là các sản phẩm của phản ứng. Sau phản ứng hạt nhân cũng có thể xuất hiện nhiều hơn 2 hạt và bay ra theo các phƣơng khác nhau. [2] Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tƣơng tác với hạt nhân ở khoảng cách gần (cỡ 1013cm) và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng 11
  12. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải lƣợng, xung lƣợng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ. Hạt hoặc bức xạ kích thích hạt nhân (hạt/bức xạ tới) gây ra phản ứng có thể là alpha (), proton (p), nơtron (n), bức xạ gamma (),… Trong quá trình xảy ra phản ứng hạt nhân thì trạng thái tƣơng tác ban đầu a + A còn đƣợc gọi là kênh lối vào và trạng thái cuối b + B còn gọi là kênh lối ra. Một phản ứng hạt nhân cũng thƣờng đƣợc viết dƣới dạng rút gọn nhƣ sau: A(a,b)B Ký hiệu này tiện lợi vì ta có thể dùng nó để phân loại các phản ứng dựa vào những tính chất chung, ví dụ: phản ứng (,n) hoặc phản ứng (,n). Các phản ứng hạt nhân sinh nhiều hạt thƣờng đƣợc ký hiệu dựa vào những đặc trƣng riêng của mỗi loại phản ứng, ví dụ: (n,2n), (n,np), (,2n), (,2np), (, xnyp), (p,xnyp),.. 1.1.2. Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản Phản ứng hạt nhân hay quá trình tƣơng tác hạt nhân xảy ra giữa hạt tới a và hạt nhân bia A thông thƣờng xảy ra theo một trong các quá trình sau đây: a. Tán xạ đàn hồi Tán xạ đàn hồi là quá trình xảy ra đƣợc mô tả nhƣ sau: a+A  a+ A hay A(a,a)A (1.2) Trong quá trình tán xạ đàn hồi thì nhận dạng và trạng thái nội tại của hạt tới và bia không thay đổi, nhƣng động năng và tốc độ của các hạt tới thay đổi, hạt có thể thay đổi hƣớng chuyển động. Sản phẩm của phản ứng là hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản. Ví dụ: n+208Pb  n+208Pb hay 208Pb(n,n)208Pb b. Tán xạ không đàn hồi Tán xạ không đàn hồi là quá trình xảy ra có dạng nhƣ sau: a+A  a' + A* hay A(a,a')A* (1.3) Trong quá trình tán xạ không đàn hồi thì nhận dạng các hạt không đổi. Tuy nhiên, quá trình này thay đổi trạng thái nội tại với hạt nhân bia chuyển lên trạng thái kích thích và hạt tới a thƣờng phát ra với năng lƣợng giảm, ký hiệu là a'. Ví dụ: α +40Ca  α' +40Ca* hay 40Ca(α,α')40Ca* Nếu hạt tới a là một hạt nhân phức tạp (ion nặng) thì nó có thể chuyển sang trạng thái kích thích thay cho hạt nhân bia hoặc cả hạt tới và hạt nhân bia đều bị kích thích. 12
  13. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Ví dụ 12C +208Pb  12C*+208Pb* hay 208Pb(12C,12C*)208Pb* c. Phản ứng biến đổi hạt nhân Phản ứng biến đổi hạt nhân hay còn gọi là phản ứng hạt nhân thực sự là quá trình tƣơng tác tạo ra các hạt ở kênh ra khác các hạt ở kênh vào, nghĩa là các hạt sau phản ứng b và B khác các hạt trƣớc phản ứng a và A: a+A  b + B hay A(a,b)B (1.4) Nhiều trƣờng hợp cùng một kênh vào có các kênh ra phản ứng khác nhau hoặc kênh vào khác nhau nhƣng có cùng sản phẩm phản ứng. Ví dụ: p + 7Li  7Be + n và p + 7Li  2α hoặc p + 63Cu  63Zn + n và α + 60Ni  63Zn + n Trong thực tế có nhiều loại phản ứng biến đổi hạt nhân nhƣ: phản ứng với hạt tích điện, phản ứng với ion nặng, phản ứng bắt nơtron, phản ứng chuyển đổi, phản ứng quang hạt nhân,...Bởi vậy tên gọi “phản ứng hạt nhân” dành cho cả quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và quá trình phản ứng thực sự. 1.1.3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng Phản ứng hạt nhân a+A  b + B tuân thủ các định luật bảo toàn sau đây: a. Bảo toàn điện tích Định luật bảo toàn điện tích yêu cầu tổng số điện tích trƣớc phản ứng phải bằng tổng số điện tích sau phản ứng, tức là: Za + ZA = Zb + ZB (1.5) Trong đó Za , ZA , Zb , ZB lần lƣợt là điện tích của các hạt a, A, b, B. b. Bảo toàn số nucleon Định luật bảo toàn số nucleon yêu cầu tổng số các nucleon trƣớc và sau phản ứng phải bằng nhau. Aa + AA = A b + AB (1.6) Trong đó Aa , AA , Ab , AB lần lƣợt là số nucleon của các hạt a, A, b, B. c. Bảo toàn năng lƣợng Định luật bảo toàn năng lƣợng yêu cầu tổng số năng lƣợng của các thành phần trƣớc phản ứng phải bằng tổng số năng lƣợng của các thành phần sau phản ứng. (mac2+ Ea) + (mAc2 + EA) = (mbc2 + Eb) + (mBc2 + EB) (1.7) Trong đó ma, mA, mb, mB; mac2, mAc2, mbc2, mBc2 và Ea, EA, Eb, EB lần lƣợt là khối lƣợng, năng lƣợng tĩnh và động năng của các hạt a, A, b, B. d. Bảo toàn động lƣợng 13
  14. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Định luật bảo toàn động lƣợng yêu cầu tổng số động lƣợng của các thành phần trƣớc phản ứng phải bằng tổng số động lƣợng của các thành phần sau phản ứng.     pa + pA = pb + pB (1.8)     Trong đó p a , p A , p b , p B lần lƣợt là động lƣợng của các hạt a, A, b, B. 1.1.4. Năng lƣợng của phản ứng Định luật bảo toàn năng lƣợng toàn phần cho phản ứng (1.1) đƣợc viết dƣới dạng: M A c 2  K A  Ma c 2  K a  M B c 2  K B  M b c 2  K b (1.9) với Mi và Ki là khối lƣợng nghỉ và động năng của hạt i, c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Năng lƣợng phản ứng, kí hiệu là Q, đƣợc xác định nhƣ sau: Q   MA  Ma    MB  Mb  c2 (1.10) Kết hợp với (1.9), biểu thức tính Q đƣợc viết dƣới dạng khác: Q   KB  Kb    KA  Ka  (1.11) Nếu Q > 0, phản ứng (1.1) là phản ứng tỏa nhiệt (tỏa năng lƣợng): năng lƣợng nghỉ và năng lƣợng liên kết của các hạt nhân ban đầu chuyển thành động năng của sản phẩm. Nếu Q < 0, phản ứng (1.1) là phản ứng thu nhiệt (thu năng lƣợng): động năng ban đầu của hạt tới chuyển thành năng lƣợng nghỉ và năng lƣợng liên kết của các sản phẩm. Nếu Q  0, phản ứng (1.1) là quá trình tán xạ đàn hồi: năng lƣợng nghỉ (hay khối lƣợng của các hạt) cũng nhƣ tổng động năng trƣớc và sau phản ứng đƣợc bảo toàn. 1.1.5. Động học của phản ứng Xét phản ứng (1.1) trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm. Hạt nhân bia (hạt nhân A) coi nhƣ đứng yên (năng lƣợng chuyển động nhiệt rất nhỏ so với các năng lƣợng khác trong phản ứng hạt nhân). Gọi mặt phẳng phản ứng là mặt phẳng tạo bởi đƣờng đi của hạt tới và của một sản phẩm. Theo định luật bảo toàn xung lƣợng thì pa  pB + pb, nhƣ vậy đƣờng đi của sản phẩm còn lại cũng sẽ nằm trong mặt phẳng này (Hình 1.1). 14
  15. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải pb pa q pa pB Hình 1.1. Định luật bảo toàn xung lượng trong phản ứng a + A  b +B Dựa vào định lý hàm số cosin trong tam giác, định luật bảo toàn xung lƣợng có thể viết lại nhƣ sau: p2B  pa2  p2b  2pa pb cos q (1.12) Mặt khác, theo lý thuyết cổ điển thì giữa năng lƣợng và xung lƣợng có mối liên hệ là p2  2MK, khi đó phƣơng trình (1.12) trở thành: MBK B  Ma K a  Mb K b  2 Ma Mb K a K b cos q (1.13) Kết hợp (1.11) và (1.12) ta có:  M   M  2 Ma M b K a K b Q  1  b  K b  1  a  K a  cos q  M B   M B  M B (1.14) Nếu một phản ứng đã biết khối lƣợng của các hạt ban đầu và khối lƣợng các sản phẩm thì năng lƣợng phản ứng có thể tính theo công thức (1.10). Còn với phản ứng mà khối lƣợng của một sản phẩm chƣa biết thì thông qua việc đo đƣợc động năng hạt tới và hạt phát ra (Ka và Kb) cùng với góc q giữa chúng, phƣơng trình (1.14) chỉ còn chứa một ẩn là Mb hoặc MB. Khi đó, thay Q này vào (1.10) ta có thể tính đƣợc khối lƣợng của sản phẩm đó. Phƣơng trình (1.13) cũng có thể viết lại đƣợc dƣới dạng phƣơng trình bậc hai của Kb nhƣ sau:  Ma M b K a  M Q  K a  MB  Ma  Kb  2  cos q K b  B 0  M B  M b  MB  Mb (1.15) Ma M b K a M Q  K a  M B  Ma  u cos q ;   B Đặt MB  Mb MB  Mb thì nghiệm của (1.14) có dạng: K(q)  u  u 2   (1.16) 15
  16. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Biểu thức (1.15) cho ta giá trị động năng của hạt b phát ra theo góc q. Biểu thức này cũng có thể áp dụng cho hạt nhân dƣ B bằng cách thay chỉ số b bằng chỉ số B. Để biểu thức dƣới dấu căn của (1.15) có nghĩa thì: u2    0 Với phản ứng tỏa nhiệt ta luôn có  > 0, do đó u2 +  > 0. Với phản ứng thu nhiệt, nếu  < 0 thì Ka phải lớn hơn một giá trị nào đó để u2 +   0 và phản ứng có thể xảy ra. Giá trị nhỏ nhất của Ka đƣợc xác định bằng biểu thức: u2    0 Ma M b K a M BQ  K a  M B  M a  cos 2 q  0  MB  Mb  MB  Mb 2 Hay (1.17) Với q  0 (hai hạt B và b chuyển động cùng hƣớng), Ka đạt giá trị nhỏ nhất và bằng ngƣỡng của phản ứng thu nhiệt: Mb  MB K th  Q Mb  MB  Ma (1.18) Mặt khác, có thể viết lại (1.3) dƣới dạng: Q Ma  M A  M b  M B  c2 (1.19) 2 Khi đó, trong trƣờng hợp MB >> Q/c thì biểu thức (1.18) đơn giản thành: M A  Ma K th  Q MA (1.20) 1.2. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích 1.2.1. Phản ứng hạt nhân- Hạt nhân hợp phần * Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tƣơng tác (a và A) tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần này phân rã thành các hạt thứ cấp ( b và B ) a + A  C và C  b + B (1.21) N. Bohr giả thuyết rằng, 2 giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C và phân rã hạt nhân này là độc lập với nhau. Khả năng phân rã hạt nhân hợp phần không phụ thuộc vào cách tạo nên hạt nhân hợp phần mà chỉ phụ thuộc vào năng lƣợng, mômen động lƣợng và tính chẵn lẻ của hạt nhân này. Điều này có thể minh họa bằng thời gian xảy ra phản ứng hạt nhân qua giai đoạn hạt nhân hợp phần. Nếu hạt nhân có kích thƣớc cỡ 16
  17. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải 10-12 cm và hạt vào bay qua hạt nhân với tốc độ 1010 cm/s thì thời gian để hạt đó đi qua hạt nhân là 10-12 /1010 = 10-22 sec . Thời gian này gọi là thời gian đặc trƣng của hạt nhân. Đối với phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần có thể tồn tại hàng triệu hay hàng tỷ lần lâu hơn thời gian đặc trƣng nói trên trƣớc khi phân rã thành các hạt thứ cấp. Chính vì vậy mà hạt nhân hợp phần, khi phân rã, “quên” mất cách mình đƣợc tạo nên [2; tr80]. Tƣơng tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử rất mạnh nên khi hấp thụ một nơtron thì năng lƣợng của hạt tới đƣợc phân bổ một cách nhanh chóng trong toàn hạt nhân. Hạt nhân sau đó trở thành trạng thái kích thích trong khoảng thời gian 10-14-10-15 s. Có thể nói hạt nhân đã bắt neutron và trở thành hạt nhân hợp phần [13, tr3]. Các hạt nhân hợp phần này bị kích thích mạnh do năng lƣợng liên kết của nơtron, cộng thêm động năng của nó. Năng lƣợng kích thích đƣợc giải phóng bằng cách phát ra các hạt nhƣ (p, n, 2n, d, α…) hoặc bức xạ điện từ (γ). Mỗi quá trình có một xác suất nhất định và độc lập với sự hình thành nên hạt nhân hợp phần (do sự phân bố rất nhanh của năng lƣợng tới trên tất cả các nucleon), tuy nhiên xác suất đó lại phụ thuộc vào mức kích thích. Ta có thể viết một cách tổng quát nhƣ sau: a  A  C* C *  B1  b1  Q1 Hay C *  B2  b2  Q2 ... (1.22) trong đó C* : Hạt nhân hợp phần a, A : Hạt/bức xạ tới và hạt nhân bia Q : Nhiệt lƣợng tỏa ra sau phản ứng Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α), σ(n,p), σ(n,γ),…Vậy σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và hạt nhân hợp phần phát ra hạt/bức xạ nào đó. 1.2.2. Trạng thái kích thích Xem xét các mức kích thích của hạt nhân hợp phần có thể phân biệt đƣợc các trạng thái liên kết mà năng lƣợng của nó nhỏ hơn năng lƣợng liên kết của các nucleon liên kết yếu nhất và từ đó mà hiện tƣợng giải phóng kích thích xảy ra khi phát ra tia gamma hay các nucleon. Cùng với sự tăng năng lƣợng kích thích thì mật độ mức cũng tăng. 17
  18. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các mức kích thích này đƣợc tìm thấy trong khi bắt nơtron của các nucleon. Hạt nhân hơp phần C* đƣợc hình thành có một mức năng lƣợng kích thích tƣơng ứng với sự khác biệt về khối lƣợng của phản ứng a+A→C* cộng thêm động năng của các nơtron bị bắt (hình 1.3). Hình 1.2. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần Năng lƣợng tổng trên có thể trùng khớp tuyệt đối với mức năng lƣợng đang có của hạt nhân hợp phần. Trong trƣờng hợp này, phản ứng sẽ xảy ra với suất lƣợng cao (cộng hƣởng). Từ năng lƣợng cộng hƣởng này, có thể tính toán đƣợc các mức năng lƣợng hạt nhân. Nhƣ đã đề cập, giải phóng năng lƣợng kích thích từ một mức năng lƣợng đã biết có thể diễn ra theo một vài cách: phát ra hạt (p, n, α…) hoặc một photon. Xác suất xảy ra của mỗi quá trình này có thể đƣợc biểu diễn nhƣ là các độ rộng mức riêng phần:  ,  p , n ,  ...      p  n    ... (1.23) Xác suất tƣơng đối khi phát α, p, n, γ là: 18
  19. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải  / ,  p / , n / ,  / ... (1.24) Xác suất tổng cộng σ(n, x) cho phản ứng (n, x):  (n, x)   C  x /  (1.25) trong đó σc : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần, Гx/Г: đã đƣợc định nghĩa ở công thức (1.24). 1.3. Nhiệt hóa Nơtron 1.3.1. Nơtron Hạt nhân nguyên tử đƣợc tạo nên bởi các proton và nơtron. Trong đó, A là số khối (A=Z+N), Z là số proton và N là số nơtron. Tổng số khối A là số khối lƣợng, gần bằng khối lƣợng hạt nhân đƣợc biểu thị trong đơn vị khối lƣợng nguyên tử 1.660×10-27 kg. Proton là hạt mang điện tích dƣơng đơn vị bằng +1.6×10-19 C và có khối lƣợng là 1.6726×10-27 kg hay 938.279 MeV. Nơtron không có điện tích, khối lƣợng của nó bằng 1.675×10-17 kg hay 989.573 MeV, tức là lớn hơn khối lƣợng của proton. Proton là hạt cơ bản bền còn nơtron chỉ bền trong hạt nhân bền vững. Quá trình phân rã của nơtron trong hạt nhân bền vững bị cấm về mặt năng lƣợng vì khi phân rã cần thắng năng lƣợng liên kết trong hạt nhân. Ở trạng thái tự do, nơtron phân rã với thời gian bán rã là 11.7 phút theo sơ đồ phân rã β nhƣ sau: n→ p + e- + ̅ trong đó e- là electron còn ̅ là phản notrino. Tuy nhiên, sự không bền của nơtron tự do không đóng vai trò quan trong khi nghiên cứu các quá trình vật lý của nơtron. 1.3.2. Đặc điểm của các nơtron nhiệt Các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi trƣờng. Mật độ nơtron nhiệt phụ thuộc vào năng lƣợng nơtron theo quy luật Maxwell- Boltzmann: n(E)= √ (1.26) √ Trong đó, N=∫ ( ) ; k=8,61×10-5 eV/K là hằng số Boltmann và T là nhiệt độ môi trƣờng. Do năng lƣợng E và vận tốc của nơtron liên hệ với nhau theo biểu thức E=mv2/2 nên biểu thức (1.26) có thể viết lại nhƣ sau: ( ) n(E)= ( ) (1.27) √ 19
  20. Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Với vT=√ là vận tốc có xác xuất lớn nhất. Theo phân bố (1.26), năng lƣợng có xác suất lớn nhất còn năng lƣợng trung bình là . Tuy nhiên ngƣời ta coi năng lƣợng nhiệt là năng lƣợng ứng với vận tốc có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.27). Năng lƣợng này bằng kT và đƣợc coi là thông số của phân bố Maxwell theo năng lƣợng. Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm T = 2930K thì vT = 2200m/sec và năng lƣợng nơtron nhiệt bằng ET = 0.025eV [3]. Tuy nhiên, thực tế năng lƣợng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn một ít so với năng lƣợng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử môi trƣờng. Điều đó có nghĩa rằng các nơtron thực tế không đạt đƣợc sự cân bằng nhiệt với môi trƣờng. Đó là do sự hấp thụ liên tục của nơtron trong môi trƣờng, sự hấp thụ càng mạnh khi vận tốc của nó càng thấp. 1.3.3. Cơ chế làm chậm nơtron Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền một phần năng lƣợng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa là đƣợc làm chậm. Quá trình làm chậm nơtron đóng vai trò quan trọng vì độ dày của chất làm chậm đƣợc sử dụng trong thí nghiệm [3]. Xét quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron khối lƣợng 1, vận tốc v lên hạt nhân đứng yên có khối lƣợng A. Sau va chạm nơtron có vận tốc v' và hạt nhân có vận tốc V'. Trong hệ tâm quán tính (hình 1.3), nơtron và hạt nhân có vận tốc trƣớc va chạm là v1 và V1, sau va chạm là v1' và V1'. V' v' v1 v θ V1 v'1 q1 V' Hình 1.3. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b) Vận tốc tâm quán tính là Vc = , do đó vận tốc nơtron trƣớc va chạm trong hệ tâm quán tính là: v1= v - Vc = v. Do tổng động lƣợng trong hệ tâm quán tính bằng 0 nên: 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

TL.01: Bộ Tiểu Luận Triết Học
207 tài liệu
1474 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
3=>0