CHƯƠNG VIII VẬT LÝ HẠT NHÂN I Các tính chất cơ bản của hạt nhân 1 Cấu trúc hạt nhân Hạt nhân được cấu tạo bởi các proton và nơtron, cả hai được gọi chung là nuclôn Ký hiệu hạt nhân X là tên nguyên tố[.]
Trang 1CHƯƠNG VIII
VẬT LÝ HẠT NHÂN
Trang 2I.Các tính chất cơ bản của hạt nhân
1.Cấu trúc hạt nhân:Hạt nhân được cấu tạo bởi các proton và nơtron, cả hai được gọi chung là nuclôn Ký hiệu hạt nhân:
X là tên nguyên tố tương ứng
Z là số proton, A = Z + N : số khối,
N = A – Z là số nơtron
A
Trang 3a) Các hạt nhân đồng vị là các hạt có cùng Z.
b) Các hạt nhân đồng khối là các hạt có cùng số
khối A
c) Các hạt nhân đồng nơtron là các hạt có cùng số
nơtron.
d) Các hạt nhân gương là các hạt nhân mà số
proton của hạt này bằng số nơtron của hạt kia.
Các hạt nhân khối lượng nhỏ có xu hướng có số proton và nơtron gần như nhau và các hạt nhân khối lượng lớn có số nơtron lớn hơn số proton
Trang 42 Kích thước hạt nhân:
Thực nghiệm chứng tỏ rằng đa số hạt nhân đều
có dạng gần đúng gần hình cầu Một số phương pháp thực nghiệm đã được dùng để xác định kích thước của các hạt nhân và chúng cho gần như
cùng một kết quả Một biểu thức gần đúng cho
bán kính R của hạt nhân là:
Ro = (1,2 – 1,5).10-15m = (1,2- 1,5)fm
1/3
o
R R A
Trang 5Thể tích gần đúng của hạt nhân:
Mật độ khối lượng của hạt nhân:
27
4
(1, 2) 10 3
1, 67.10
4
(1, 2) 10 3
p
M V
A
kg m
Trang 63.Spin của hạt nhân
Tương tự electron, nuclôn cũng có momen quỹ đạo
và momen spin, nuclôn có spin bằng 1/2 Do đó
momen động lượng của nuclôn thứ i là:
Momen động lượng toàn phần của hạt nhân là:
J gọi là số lượng tử momen toàn phần, nếu A lẽ thì
J là một số bán nguyên 1/2, 3/2, 5/2,…nếu A chẵn thì J là một số nguyên.
j l s
i i
J j J J J
Trang 74.Momen từ hạt nhân
Nuclôn có momen spin, nên cũng có momen
từ spin Momen từ của hạt nhân bằng tổng
momen từ spin của mọi nuclôn và tổng
momen từ của mọi proton Đơn vị của
momen từ hạt nhân là manhêtôn hạt nhân
và có trị số bằng:
27
2
N
p
e
J T m
Trang 8Momen từ hạt nhân nhỏ hơn momen
từ quỹ đạo của electron khoảng 103 lần, nên độ tách mức gây bởi momen từ hạt nhân nhỏ hơn khoảng 103 lần so với độ tách mức gây bởi tương tác spin – quỹ đạo ,điều này giải thích cấu trúc siêu
tinh tế của phổ.
Trang 95)Lực hạt nhân:
Sự tồn tại của các hạt nhân bền vững chứng tỏ
cho sự tồn tại của các lực tương tác của các
nuclon liên kết chúng trong hạt nhân Các tương tác này không thể quy về bất cứ loại tương tác
nào đã được biết trước đó (tương tác hấp dẫn,
điện từ)
Người ta phân lực hạt nhân thành hai loại: lực
hạt nhân yếu liên quan đến sự phân rã bê ta
, lực hạt nhân (hay tương tác mạnh) ta sẽ xét dưới
đây.
Trang 10Một số đặc tính của lực hạt nhân:
a) Lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn: trong
phạm vi 10 -15 m lực rất mạnh Ngoài khoảng đó
nó giảm nhanh xuống không.
b)Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích.
c)Lực hạt nhân phụ thuộc spin của các nuclôn.
d) Lực hạt nhân không phải là lực xuyên tâm
e) Lực hạt nhân có tính chất bão hòa
f) Lực hạt nhân là lực trao đổi: Theo Yukawa các nucleon tương tác với nhau bằng cách trao đổi một loại hạt gọi là mêzon π
Trang 116.Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân.
a) Khối lượng hạt nhân:
Để đo khối lượng các hạt trong VLHN, người ta
dùng đơn vị khối lượng nguyên tử (ký hiệu u)
Theo định nghĩa 1u bằng 1/12 khối lượng nguyên
tử đồng vị cacbon C 12
1u = 1,6605402.10 -27 kg Theo hệ thức Einstein E = mc 2 thì năng lượng
tương ứng với khối lượng 1u là:
E = 1uc 2 = 931,5 MeV Hay 1u = 931,5 Mev/c 2
Trang 12b) Độ hụt khối và năng lượng liên kết:
Khối lượng M hn của hạt nhân bao giờ cũng giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclôn tạo
thành hạt nhân đó một lượng gọi là độ hụt khối :
Năng lượng tương ứng với độ hụt khối đó gọi là năng lượng liên kết E lk Theo hệ thức Einstein:
M Zm A Z m M
E M c Zm Nm M c
Trang 13Vì trong các bảng thường ghi khối lượng nguyên
tử nên chúng ta sẽ thay M hn bằng M – Zm e với M
là khối lượng nguyên tử của hạt nhân có Z
proton và N nơtron, còn m e là khối lượng
electron, mà m p = M H – m e với M H là khối lượng nguyên tử của 1
1 H
2
2
.
Z M m Nm M Zm c
ZM Nm M c
Trang 14c) Năng lượng liên kết riêng:
Là năng lượng liên kết ứng với một
nuclôn
Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.
lk
E A
Trang 150 40 120 140 240
1 2 3 4 5 6 7 8
Mev
A
Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng theo A
Trang 16Đồ thị cho thấy:
a) Năng lượng liên kết riêng tăng nhanh đối với các hạt nhân nhẹ từ và đạt giá trị
b) Đối với hạt nhân nặng có A từ 140 đến 240, năng lượng liên kết riêng giảm dần nhưng rất chậm.
c) Đối với hạt nhân trung bình có A từ 40 đến 140, NLLKR có giá trị lớn nhất nằm trong khoảng từ
8 8,6MeV Điều đó giải thích tại sao hạt nhân trung bình lại bền vững nhất.
1,1MeV ( H ) 2,8MeV ( H )
4 2
7MeV ( He)
Trang 17II Hiện tượng phóng xạ:
1 Là hiện tượng một hạt nhân tự động phát ra các
hạt gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác.
Trong quá trình phóng xạ, hạt nhân ở trạng thái không bền vững chuyển sang trạng thái bền vững hơn, nghĩa là trạng thái ứng với năng lượng thấp
hơn Vậy quá trình biến đổi phóng xạ chỉ có thể
xảy ra nếu khối lượng tĩnh của hạt nhân xuất phát lớn hơn tổng khối lượng của các sản phẩm sinh ra
do biến đổi phóng xạ.
Trang 18Các công trình nghiên cứu đã xác nhận, tia
phóng xạ gồm 3 thành phần:
a) Tia là chùm hạt tích điện dương, bị lệch
trong điện trường và từ trường Về bản chất nó
là chùm hạt nhân của nguyên tử He có điện tích 2e
b) Tia bị lệch trong điện trường và từ trường
Về bản chất nó là chùm electron
c) Tia là bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn bước sóng tia X
Trang 19Tia phóng xạ có các tính chất sau: chúng có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thâu qua vật chất
Tia ion hóa chất khí mạnh nhất nhưng xuyên thâu kém; tia ion hóa chất khí kém hơn nhưng xuyên thâu mạnh hơn; tia có thể coi là không có khả năng ion hóa chất khí nhưng xuyên thâu
mạnh nhất
Trang 202.Định luật phân rã:
Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã của chất PX là N Sau thời gian dt số hạt nhân
này bị giảm đi –dN Độ giảm –dN rõ ràng tỉ lệ
với N và dt:
là hệ số tỉ lệ gọi là hằng số phân rã
0
o
t o
N
dN
N dN
dt N N e N