BÀI TIỂU LUẬN Môn học Vật Lý Đề tài Vật lý hạt nhân

Nucleon là những hạt mang tínhlượng tử, một trong những đại lượng đặc trưng cho tính chất lượng tử củanucleon tính chất vận động nội tại được gọi là spin của nucleon.. - Do sự chuyển độn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG ĐÔ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÀI TIỂU LUẬN Môn học: Vật Lý

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 2

1 Tên đề tài: 2

2 Mục đích đề tài: 2

3 Bố cục đề tài: 2

4 Phương pháp: 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 3

1 Cấu tạo của hạt nhân: 3

2 Kích thước hạt nhân: 4

3 Spin hạt nhân: 4

4 Momen từ hạt nhân: 5

5 Lực hạt nhân: 6

5.1 Khái niệm: 6

5.2 Các đặc điểm của lực hạt nhân: 6

5.2.1 Lực hạt nhân là lực tác dụng ngắn: 6

5.2.2 Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích: 6

5.2.3 Lực hạt nhân có tính chất bão hòa: 7

5.2.4 Lực hạt nhân là lực trao đổi: 7

5.2.5 Lực hạt nhân phụ thuộc Spin của các nucleon: 8

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN 9

1 Các loại tương tác hạt nhân: 9

2 Các Định luật bảo toàn trong tương tác hạt nhân: 9

3 Hệ thức năng lượng của phản ứng hạt nhân: 10

CHƯƠNG 3: SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN 12

1 Năng lượng vỡ hạt: 12

2 Phản ứng dây chuyền và sự vỡ hạt nhân Uran: 13

2.1 Định nghĩa: 13

2.2 Đặc điểm: 13

2.3 Điều kiện xảy ra phản ứng dây chuyền: 14

CHƯƠNG 4: PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH 16

1 Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch: 16

2 Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển: 17

3 Phản ứng nhiệt hạch điều khiển: 18

PHẦN 3:KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

LỜI MỞ ĐẦU

Lời đầu tiên, em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy Vũ Xuân Xiển Trongquá trình tìm hiểu và học tập bộ môn Vật lý, em đã nhận được sự giảng dạy vàhướng dẫn rất tận tình, tâm huyết của thầy Thầy đã giúp em tích lũy thêm nhiềukiến thức hay và bổ ích Từ những kiến thức mà thầy truyền đạt, em xin trìnhbày lại những gì mình đã tìm hiểu về vấn đề Vật lý hạt nhân gửi đến thầy

Tuy nhiên, kiến thức về bộ môn Vật lý của em vẫn còn những hạn chế nhấtđịnh Do đó, không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình hoàn thành bàitiểu luận này Mong thầy xem và góp ý để bài tiểu luận của em được hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Lê Kim Việt Anh

Để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân người ta dựa trên những quan niệm đơngiản hoá về tương tác giữa cá nucleon và dùng những phương pháp gần đúng

để giải bài toán cấu trúc hạt nhân từ đó nảy sinh ra những mẫu hạt nhân khácnhau Việc nghiên cứu các đặc trưng của hạt nhân và giải thích chúng thườnggắn liền với việc nghiên cứu các mẫu hạt nhân Tuy nhiên, cũng chưa có mộtmẫu lý thuyết nào có thể mô tả thành công mọi khía canh của cấu trúc và tínhchất hạt nhân Vì lý do trên mà em đã chọn đề tài: “Vật lý hạt nhân”

3 Bố cục đề tài:

Bố cục đề tài chia làm 4 phần chính:

 Chương 1: Những tính chất cơ bản của hạt nhân nguyên tử.

 Chương 2: Tương tác hạt nhân.

 Chương 3: Sự vỡ hạt nhân và phản ứng dây chuyền.

 Chương 4: Phản ứng nhiệt hạch và năng lượng nhiệt hạch.

4 Phương pháp:

Tìm kiếm thông tin

Đọc hiểu tài liệu

Sử dụng phương pháp đọc, tổng hợp, phân tích và tổng quát hoá trong vật

lý lý thuyết

PHẦN 2: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT

NHÂN NGUYÊN TỬ

Hạt nhân nguyên tử là cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ cực lớn - đạt đến

100 triệu tấn trên một xăng-ti-mét khối), chiếm khối lượng chủ yếu (gần như làtoàn bộ) của nguyên tử

1 Cấu tạo của hạt nhân:

Về cơ bản, theo các hiểu biết hiện nay thì hạt nhân nguyên tử có kíchthước nằm trong vùng giới hạn bởi bán kính cỡ 10-15 m, được cấu tạo từ haithành phần sau:

 Proton: là loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng bằng1,67262158.10-27 kg (938.278 MeV/c²) và spin +1/2 Trong tiếng HyLạp, proton có nghĩa là "thứ nhất" Proton tự do có thời gian sống rấtlớn, gần như là bền vĩnh viễn Tuy nhiên quan điểm này vẫn còn một

số hoài nghi trong vật lý hiện đại

 Neutron: là loại hạt không mang điện tích, có khối lượng bằng1,67492716.10-27 kg (939.571 MeV/c²) và spin +1/2, tức là lớn hơnkhối lượng của proton chút ít Neutron tự do có thời gian sống cỡ 10đến 15 phút và sau đó nhanh chóng phân rã thành một proton, một điện

tử (electron) và một phản nơtrino

Gọi chung hai hạt này là các nucleon

Hạt nhân có số khối A và số nguyên tử Z sẽ gồm có A nucleon trong đó

Kí hiệu hạt nhân: Z A X với X là kí hiệu nguyên tố

Nếu hạt nhâ Z1 A1 X và Z2 A2 Y có Z1=A2−Z2,Z2= A1−Z1 thì hạt nhân Y được gọi làhạt nhân gương của hạt nhân X và X, Y được gọi là những hạt nhân đốixứng

2 Kích thước hạt nhân:

Hạt nhân với các thành phần là những vi mô tuân theo quy tắc lượng tử vàkhông ngừng chuyển động, vì vậy hạt nhân không có giới hạn rõ ràng Vớimột mức độ gần đúng nào đó có thể coi phần lớn m hạt nhân tập trung trongmột thể tích hình cầu bán kính R

Trong thực tế nên hiểu kích thước hạt nhân là kích thước của vùng giớihạn trong đó có tác dụng của lực hạt nhân

Có nhiều biện pháp xác định kích thước hạt nhân như: Thông qua tán xạnotron nhanh trên hạt nhân nguyên tử, phương pháp khảo sát pahnr ứng hạtnhân với hạt mang điện, phương pháp khảo sát lực hạt nhân

Từ các biện pháp trên các nhà Vật lý thực nghiệm dã tìm ra biểu thức xácđịnh bán kính hạt nhân:

R=R0 A13với R0=1,4.10 −15 (m)−bán kínhBorh , A :số khối

3 Spin hạt nhân:

Hạt nhân được cấu tạo từ các nucleon Nucleon là những hạt mang tínhlượng tử, một trong những đại lượng đặc trưng cho tính chất lượng tử củanucleon (tính chất vận động nội tại) được gọi là spin của nucleon

Spin của hạt nhân là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất vận động nộitại của hạt nhân và nó được xác định bởi:

- Tổng spin của các nucleon tạo lên hạt nhân

- Do sự chuyển động trên quỹ đạo của các nucleon trong lòng hạt nhânTrong cơ học lượng tử người ta CM được Spin là thuộc tính của tất cả cáhạt vi mô Độ lớn momen Spin nhận giá trị:

S=√s(s+1)h

Trong đó lượng tử số s nhận các giá trị gián đoạn có thể là số nguyên hoặcbán nguyên Đối với các nucleon thì s = ½

Trong hạt nhân các nucleon phải chuyển động trên một quỹ đạo xác định,

do vậy nó cũng có momen xung lượng quỹ đạo ⃗L

⃗J k =⃗L k+⃗S kMomen xung lượng toàn phần của hạt nhân:

Với m là số lượng tử từ nó nhận các giá trị m = -j, -j+1,…, j-1, j nếu tacho trước j ta có: 2j+1 giá trị của m.

Điều đó cho thấy ⃗J có 2j +1 cách định hướng

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng hạt nhân có số A chẵn thì Spin của nó lànguyên Hạt nhân có số khối Aler thì Spin của nó là số bán nguyên

Đối với các hạt nhân chẵn – chẵn thì ở trạng thái cơ bản Spin = 0 Điềunày cho tháya trong hạt nhân các nucleon cùng loại có momen xung lượngtoàn phần ngược chiều nhau thì sẽ liên kết nhau tạo thành 1 cặp

Thực nghiệm cũng chỉ ra rằng Spin của các hạt nhân chẵn – lẻ hay lẻ chẵn nằm trong khoảng từ 1/2 đến 9/2

-Pauli đã chỉ ra rằng những hạt nhân có Spin nguyên (0, 1, 2,… ví dụphoton có Spin = 1) tương ứng với trạng thái chẵn và tuân theo thống kêBôZơ – Anhxtanh và chúng được gọi là các hạt Bozon Các Bozon ở mỗitrạng thái lẻ và tuân theo thống kê Fecmi – Đirăc Những hạt này được gọi làcác hạt Fecmion

Do bị nguyên lý pauli ràng buộc nên trong mỗi trạng thái ứng dụng với 4

số lượng tử là n, 1, m, j chỉ có thể chứa 1 hạt

4 Momen từ hạt nhân:

Nhờ các máy quang phổ có độ phân giải cao người ta đã phát hiện ra rằng

có thể tách các vạch quang phổ của nguyên tử thành những dãy vạch

Có dãy tới 10 – 15 vạch, khoảng cách giữa các vạch đó thường khôngvượt quá 0,1 – 0,2 A0 Hiện tượng này gọi là cấu trúc siêu tinh vi của nguyên

tử Để giải thích điều đó Pauli đã đưa ra giả thiết là sự tách vạch đó gây bởitương tác của momen từ của hạt nhân với từ trường do lớp vỏ electron gây ra.Theo Pauli hạt nhân có momen từ và nó tương tác với từ trường do lớpelectron gây nên Năng lượng tương tác bổ xung này là nguồn gốc sự táchvạch Số vạch phụ thuộc vào số Spin hạt nhân, độ lớn khoảng năng lượnggiữa các mức phụ thuộc vào độ lớn momen từ

Momen từ của hạt nhân một mặt do memen riêng của các nucleon, mặtkhác do lòng phát sinh và chuyển động quỹ đạo của các proton gây nên.Trước hết ta xét theo quan điểm bán cổ điển, theo lý thuyết điện từ cổđiện, momen từ của một hệ tích điện chuyển động có dạng:

⃗μ= 1 2c∫

V [⃗r ,⃗ V]ρdV = 2

2c∫

V [⃗r ,⃗ V]ρdV¿Ψ∨¿ 2dV¿

Momen từ xác định tương tác của hệ với trường ngoài năng lượng tươngtác bằng:u=−⃗μ.⃗ H

Mặt khác momen xung lượng toàn phần:

5 Lực hạt nhân:

5.1 Khái niệm:

Lực hạt nhân (hay là sự tương tác giữa nucleon với nucleon hoặc làphần dư của lực tương tác mạnh) là lực tương tác giữa hai hay nhiềunucleon Nó là nguyên nhân gây ra sự gắn kết của các proton và cácneutron ở trong hạt nhân nguyên tử

Các proton trong hạt nhân mang điện dương nên đẩy nhau Nhưng hạtnhân nguyên tử vẫn bền vững vì các nuclon được liên kết với nhau bởicác lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân

5.2 Các đặc điểm của lực hạt nhân:

5.2.1 Lực hạt nhân là lực tác dụng ngắn:

Lực hạt nhân là loại lực mạnh nhất trong các lực đã biết, nhưng chỉtác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclon bằng hoặc nhỏ hơn kíchthước hạt nhân, nghĩa là lực hạt nhân có bán kính tác dụng khoảng 10-

15 m

5.2.2 Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích:

Thực nghiệm cho thấy, tương tác giữa proton – proton, giữaneutron – neutron, giữa proton – neutron là hoàn toàn giống nhau, nếucác nucleon ở trong cùng những trạng thái như nhau

Xét tương tác giữa proton – proton: Phương pháp trực tiếp để khảosát lực này là dựa vào thí nghiệm tán xạ proton – proton Trong thínghiệm, người ta cho chùm proton phát ra từ máy gia tốc, va chạm vàomột bia chứa nhiều hiđrô tức là chứa proton Từ phân bố góc của cáchạt nhân tán xạ, có thể rút ra kết luận về tính chất lực tác dụng giữa haiproton, lực này có thể biểu diễn gần đúng bằng đường cong thế năngtrên hình

Từ đồ thị này cho thấy ở khoảng cách xa, các proton đẩy nhau vớilực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Tới khoảngcách xấp xỉ 3.10-15 m có sự chuyển đột ngột của đường cong thế năng

từ dương thành âm, chừng tỏ bắt đầu xuất hiện lực hạt nhân giữa mộtcặp proton: đó là lực hút rất mạnh ở khoảng cách gần vào bậc fecmi.Lực tương tác giữa một neutron và một proton có thể được nghiên cứubằng thí nghiệm tương tự: Cho chùm neutron tán xạ trên một bia chứaproton Từ đồ thị ta thấy ở khoảng cách xa, không có lực giữa hai hạt,nhưng tới khoảng cách xấp xỉ 2 fecmi, thì xuất hiện lực hút mạnh Sosánh hai đường cong thế năng nói trên, có thể thấy hai lực hút thuộccùng một bản chất Điều đó chứng tỏ rằng tương tác hạt nhân khôngliên quan đến điện tích

Đối với tương tác giữa một cặp neutron, ta không thể tiến hành thínghiệm tán xạ trực tiếp như hai trường hợp trên vì không thể tạo đượcbia chứa neutron tự do Tuy nhiên bằng những phương pháp thựcnghiệm gián tiếp khác, cũng thu được những kết quả tương tự như cáctrường hợp trên

5.2.3 Lực hạt nhân có tính chất bão hòa:

Mỗi nuclon chỉ tương tác với một số nuclon ở lân cận quanh nó,chứ không tương tác với mọi nuclon của hạt nhân

5.2.4 Lực hạt nhân là lực trao đổi:

Theo Hideki Yukawa, tương tác giữa hai nuclon được thực hiệnbằng cách trao đổi một loại hạt gọi là mê-zôn (π ) Hạt mê-zôn (π ) cókhối lượng vào cỡ 200 ÷ 300 lần khối lượng của electrôn Có ba loạimê-zôn (π ): π+ ¿, π0

5.2.5 Lực hạt nhân phụ thuộc Spin của các nucleon:

Thí nghiệm về tán xạ neutron nhiệt (10-1 ÷10-3 ) eV trên octhôhiđrô(phân tử hiđrô trong đó hai proton có mômen spin song song) vàparahiđro (phân tử Hyđrô trong đó hai proton có momen spin đối song)cho biết xác suất xảy ra tán xạ neutron trên các hạt nhân octhohiđrôlớn hơn xác suất xảy ra tán xạ neutron trên các hạt nhân parahiđrôkhoảng 30 lần Kết quả đó chứng tỏ lực hạt nhân phụ thuộc nhiều vào

sự định hướng tương hỗ của mômen spin các hạt tương tác

Từ những đặc tính trên, cho phép ta đi đến kết luận: Tương tác hạtnhân là một loại tương tác rất mạnh, về bản chất khác hẳn với cáctương tác hấp dẫn, tương tác điện từ Đối với tương tác hạt nhân, mộtproton và một neutron có thể xem là tương đương với nhau Trong lýthuyết lượng tử còn có thể quan niệm proton và neutron như là haitrạng thái điện tích khác nhau của cùng một hạt Cho tới nay, vấn đềbản chất lực hạt nhân vẫn chưa được biết một cách đầy đủ và còn đượctiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN

1 Các loại tương tác hạt nhân:

Tương tác hạt nhân chia làm ba loại: va chạm đàn hồi, va chạm không đànhồi và phản ứng hạt nhân

Trong va chạm đàn hồi, trạng thái nội tại của các hạt tương tác không thayđổi nhưng động lượng và động năng của hạt thay đổi

A + a → a + ATrong va chạm không đàn hồi, có sự thay đổi trạng thái nội tại của các hạttương tác

Ví dụ: phản ứng biến đổi nguyên tố

Phản ứng được chia thành 2 loại:

- Phản ứng hạt nhân tự phát: quá trình tự phân rã của một hạt nhânkhông bền vững thành các hạt nhân khác Ví dụ: quá trình phóng xạ

- Phản ứng hạt nhân kích thích: quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo ra các hạt nhân khác Ví dụ: phản ứng phân hạch – phản ứng nhiệt hạch

2 Các Định luật bảo toàn trong tương tác hạt nhân:

Định luật bảo toàn số nuclon (số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng

số nuclon của các hạt tương tác bằng tổng số nuclon của các hạt sản phẩm

AA + AB = AC + AD

Định luật bảo toàn điện tích (nguyên tử số Z): các hạt nhân trong phảnứng chỉ tương tác với nhau, không tương tác với vật nào khác nên họp thành

một hệ kín (hay hệ cô lập) về điện Điện tích của một hệ kín là không đổi,nghĩa là “Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số cácđiện tích của các hạt sản phẩm”.

ZA + ZB = ZC + ZD

Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (bao gồm động năng và nănglượng nghỉ): “Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổngnăng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm”

3 Hệ thức năng lượng của phản ứng hạt nhân:

Sự hụt khối của từng hạt nhân kéo theo sự không bảo toàn khối lượngtrong phản ứng hạt nhân

Xét phản ứng hạt nhân: A + B → C + D và giả thuyết các hạt A và Bđứng yên Tổng số nuclon không đổi trong phản ứng nhưng vì A, B, C và D

có độ hụt khối khác nhau nên tổng khối lượng m0 của các hạt nhân A + B cóthể khác tổng khối lượng m của các hạt nhân sinh ra C + D

Giả sử m < m0 Hệ ban đầu có năng lượng nghỉ E0 = m0C2, về sau có nănglượng nghỉ E = mc2 Năng lượng toàn phần được bảo toàn, vậy phản ứng phảitỏa năng lượng ΔE=(m−m0)c2 , dưới dạng động năng của các hạt C và D hoặcphoton γ m bé hơn m0 là do các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạtban đầu, nghĩa là bền vững hơn

Vậy, một phản ứng trong đó các hạt sinh ra có tổng khối lượng bé hơn các hạt ban đầu, nghĩa là bền vững hơn, là phản ứng tỏa năng lượng.

Ngược lại, nếu m > m0 thì E > E0 phản ứng không thể tự nó xảy ra được

mà phải cung cấp cho các hạt A và B năng lượng W dưới dạng động năngcủa hạt A chẳng hạn bắn A vào B

W lớn hơn ΔE=E−E0 vì các hạt sinh ra có động năng:

K ng ⋅tn=(1+ m a

M X)|Q|

Đối với phản ứng toả nhiệt thì năng lượng ngưỡng bằng không, nghĩa làphản ứng hạt nhân có thể xảy ra dưới tác dụng của hạt tới có năng lượng nhỏbao nhiêu cũng được

Thí dụ bắn nơtron chậm vào hạt nhân 235U thì nó sẽ vỡ thành hai mảnh M,

N và giải phóng hai, ba nơtron

n + 23592U → M + N + kn (k = 1, 2, 3)

Hai mảnh M, N là những hạt nhân của nhiều chất khác nhau tuỳ theo điềukiện của ohanr ứng Xác xuất hiện hai hạt nhân M, N phụ thuộc vào sốnucleon của chúng

Trong đó:

- Mass number: số khối

- Percent fission yield: phần trăm sản lượng phân hạch

Hình bên biểu diễn sự phụ

thuộc của xác suất vào số A của

hạt nhân mới hình thành Đồ thị

chỉ rằng xác suất cực tiểu khi A

=118 (bằng nửa số nucleon hạt

nhân Uran)

Vậy rất ít khi xảy ra phản ứng

trong đó hai nhân M, N có khối