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

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 đúngđể giải bài toán cấu trúc hạt nhân từ đó nảy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG ĐÔ KHOA

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÀI TIỂU LUẬN

Môn học: Vật Lý

Đề tài: Vật lý hạt nhân

Giáo viên hướng dẫn: Vũ Xuân Xiển

Sinh viên thực hiện: Lê Kim Việt Anh

MỤC LỤC

Hà Nội, 2021

1

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

CHƯƠNG 4: PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT

1 Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch: 16

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

5 5 1 1

Z

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

Z1 Z

Nếu hạt nhâ X và

A2Y 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 đối xứng

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:

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 =⃗L + ⃗S

Momen 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 ta chotrước j ta có: 2j+1 giá trị của m.

Điều đó cho thấy 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 gâyra

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 cổ

điện, momen từ của một hệ tích điện chuyển động có dạng:

= 1 ∫[⃗r , ⃗V ] ρdV dV = 2 ∫[r ⃗, ⃗

V ] ρdV dV ¿ Ψ 𝗏¿ 2dV ¿

5 Lực hạt nhân:

a Khái niệm:

6 Lực hạt nhân (hay là sự tương tác giữa nucleon với nucleon hoặc là

phần 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

7 Các proton trong hạt nhân mang điện dương nên đẩy nhau Nhưng hạt

nhân nguyên tử vẫn bền vững vì các nuclon được liên kết với nhau bởicác lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân

a Các đặc điểm của lực hạt nhân:

ii Lực hạt nhân là loại lực mạnh nhất trong các lực đã biết, nhưng chỉ

tác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclon bằng hoặc nhỏ hơn kíchthước hạt nhân, nghĩa là lực hạt nhân có bán kính tác dụng khoảng10- 15 m

0 Thực nghiệm cho thấy, tương tác giữa

proton – proton, giữa neutron – neutron,giữa proton – neutron là hoàn toàn giốngnhau, nếu các nucleon ở trong cùng nhữngtrạng thái như nhau

a Xét tương tác giữa proton – proton: Phương

pháp trực tiếp để khảo sát lực này là dựa vào

thí nghiệm tán xạ proton – proton Trong thínghiệm, người ta cho chùm proton phát ra từmáy gia tốc, va chạm vào một bia chứanhiều hiđrô tức là chứa proton Từ phân bốgóc của các hạt nhân tán xạ, có thể rút ra kếtluận về tính chất lực tác dụng giữa haiproton, lực này có thể biểu diễn gần đúngbằng đường cong thế năng trên hình.

0 Từ đồ thị này cho thấy ở khoảng cách xa,

các proton đẩy nhau với lực Coulomb tỷ lệnghịch với bình phương khoảng cách Tớikhoảng cách xấp xỉ 3.10-15 m có sự chuyểnđột ngột của đường cong thế năng từ dươngthành âm, chừng tỏ bắt đầu xuất hiện lực hạtnhân giữa một cặp proton: đó là lực hút rấtmạnh ở khoảng cách gần vào bậc fecmi Lựctương tác giữa một neutron và một proton cóthể được nghiên cứu bằng thí nghiệm tươngtự: Cho chùm neutron tán xạ trên một biachứa proton Từ đồ thị ta thấy ở khoảng cách

xa, không có lực giữa hai hạt, nhưng tớikhoảng cách xấp xỉ 2 fecmi, thì xuất hiện lựchút mạnh So sánh hai đường cong thế năngnói trên, có thể thấy hai lực hút thuộc cùngmột bản chất Điều đó chứng tỏ rằng tươngtác hạt nhân không liên quan đến điện tích

a Đối với tương tác giữa một cặp neutron, ta

không thể tiến hành thí nghiệm tán xạ trựctiếp như hai trường hợp trên vì không thể tạođược bia chứa neutron tự do Tuy nhiênbằng những phương pháp thực nghiệm giántiếp khác, cũng thu được những kết quảtương tự như các trường hợp trên

vi Mỗi nuclon chỉ tương tác với một số nuclon ở lân cận quanh nó,

chứ không tương tác với mọi nuclon của hạt nhân

0. Theo Hideki Yukawa, tương tác giữa hai

nuclon được thực hiện bằng cách trao đổimột loại hạt gọi là mê-zôn (π ) Hạt mê-zôn(π ) có khối lượng vào cỡ 200 ÷ 300 lần khốilượng của electrôn Có ba loại mê-zôn (π ):

π+ ¿, π

0 ,π − ¿ ¿ ¿

a Ví dụ tương tác neutron – proton có thể thực

hiện theo một trong các quá trình sau:

a Trong các quá trình đó đều cho thấy một

nuclon biến đổi và tạo thành mê-zôn(π) zôn này sẽ bị nuclon thứ hai nuốt

0 Thí nghiệm về tán xạ neutron nhiệt (10-1

÷10-3 ) eV trên octhôhiđrô (phân tử hiđrôtrong đó hai proton có mômen spin songsong) và parahiđro (phân tử Hyđrô trong đóhai proton có momen spin đối song) cho biếtxác suất xảy ra tán xạ neutron trên các hạtnhân octhohiđrô lớn hơn xác suất xảy ra tán

xạ neutron trên các hạt nhân parahiđrôkhoảng 30 lần Kết quả đó chứng tỏ lực hạtnhân phụ thuộc nhiều vào sự định hướngtương hỗ của mômen spin các hạt tương tác

a Từ những đặc tính trên, cho phép ta đi đến

kết luận: Tương tác hạt nhân là một loạitương tác rất mạnh, về bản chất khác hẳn vớicác tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ.Đối với tương tác hạt nhân, một proton vàmột neutron có thể xem là tương đương vớinhau Trong lý thuyết lượng tử còn có thểquan niệm proton và neutron như là haitrạng thái điện tích khác nhau của cùng mộthạt Cho tới nay, vấn đề bản chất lực hạtnhân vẫn chưa được biết một cách đầy đủ vàcòn được tiếp tục nghiên cứu

7 8

1 2

7

1 1

1 1 1

xi.

8 Các loại tương tác hạt nhân:

a Tương tác hạt nhân chia làm ba loại: va chạm đàn hồi, va chạm không

đàn hồi và phản ứng hạt nhân

b Trong va chạm đàn hồi, trạng thái nội tại của các hạt tương tác không

thay đổi nhưng động lượng và động năng của hạt thay đổi

a Phản ứng trên có thể được kí hiệu A(a,b)B có nghĩa là hạt a bắn vào hạt

nhân A sẽ làm phát ra hạt b và sinh ra hạt nhân B

b Ví dụ: phản ứng biến đổi nguyên tố

0. 14N +¿ 4He →1 H +¿ 17 O ¿¿ hay 14 N ¿

a. 2H +¿ 2H →1 H +¿ 3 H ¿¿ hay 2 H ¿

11.

a Phản ứng được chia thành 2 loại:

b - Phản ứng hạt nhân tự phát: quá trình tự phân rã của một hạt nhân

không bền vững thành các hạt nhân khác Ví dụ: quá trình phóng xạ

c - 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

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

a 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

13 AA + AB = AC + AD

a Định luật bảo toàn điện tích (nguyên tử số Z): các hạt nhân trong phản

ứng chỉ tương tác với nhau, không tương tác với vật nào khác nên họp thành

14 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 bằngtổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm”

15 ZA + ZB = ZC + ZD

a Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (bao gồm động năng và năng

lượng nghỉ): “Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằngtổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm”

16 WA + WB = WC + WD

a Định luật bảo toàn động lượng: Vectơ tổng động lượng của các hạt

tương tác bằng vectơ tổng động lượng của các hạt sản phẩm

21 Hệ thức năng lượng của phản ứng hạt nhân:

a Sự hụt khối của từng hạt nhân kéo theo sự không bảo toàn khối lượng

trong phản ứng hạt nhân

b Xét phản ứng hạt nhân: A + B → C + D và giả thuyết các hạt A và B

đứng 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 hạtnhân A + B có thể khác tổng khối lượng m của các hạt nhân sinh ra C+ D

c Giả sử m < m0 Hệ ban đầu có năng lượng nghỉ E0 = m0C2, về sau có

năng lượng nghỉ E = mc2 Năng lượng toàn phần được bảo toàn, vậyphản ứng phải tỏa năng lượng ΔEE =(m−m0) c2 , dưới dạng động năng củacác hạt C và D hoặc photon γ m bé hơn m0 là do các hạt sinh ra có độhụt khối lớn hơn các hạt ban đầu, nghĩa là bền vững hơn

d 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.

e 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 dạngđộng năng của hạt A chẳng hạn bắn A vào B

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

a X

M

h Vậy, một phản ứng hạt nhân sinh ra các hạt có tổng khối lượng lớn hơn

các hạt ban đầu (kém bền vững) là phản ứng thu năng lượng

c Nếu phản ứng thu nhiệt (Q < 0), ta phải cung cấp năng lượng cho hệ từ

bên ngoài bằng cách truyền động năng cho các hạt tương tác Nănglượng nhỏ nhất cần thiết để gây ra phản ứng thu nhiệt gọi là nănglượng ngưỡng của phản ứng và được tính theo công thức:

…

…

…

2

là phản ứng hạt nhân có thể xảy ra dưới tác dụng của hạt tới có nănglượng nhỏ bao nhiêu cũng được.

a Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ bao giờ cũng

nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng Năng lượng toả ra tương ứng với

độ hụt khối gọi là năng lượng vỡ hạt hay năng lượng phân hạch

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

M, N và giải phóng hai, ba nơtron

41. n + 235U → M + N + kn (k = 1, 2, 3)

a Hai mảnh M, N là những hạt nhân của nhiều chất khác nhau tuỳ theo

điều kiện của ohanr ứng Xác xuất hiện hai hạt nhân M, N phụ thuộcvào số nucleon của chúng

b Trong đó:

42. Mass number: số khối

43. Percent fission yield: phần trăm sản lượng phân hạch

a 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

44 =118 (bằng nửa số nucleon

hạt nhân Uran)

a Vậy rất ít khi xảy ra phản

ứng trong đó hai nhân M, N

có khối lượng bằng nhau

b Xác xuất cực đại khi A≈140

a Wt gọi là năng lượng phân hạch của hạt nhân Uran Năng lượng đó có

giá trị khoảng: W ≈ 200MeW Năng lượng này được phân bố như sau: