Vật lí lượng tử và thuyết tương đối và vật lí hạt nhân

Nội dung chương Vật lý hạt nhân bao gồm: 1.Cấu tạo và các tính chất cơ bản 2.Hiện tượng phóng xạ 3.Tương tác hạt nhân Nội dung chương học được phân chia cụ thể và rất dễ hiểu Chúc các bạn học tốt và đạt kết quả cao môn học này nhé

VẬT LÝ LƯỢNG TỬ VÀ

THUYẾT TƯƠNG ĐỐI

CHƯƠNG 26

VẬT LÝ HẠT NHÂN

2

 Lõi vật chất tập trung trong một vùng nhỏ (kích

thước ~ 10-15 m) tại tâm nguyên tử (kích thước ~

10-10 m), mang điện tích (+) và khối lượng của hầu

như toàn bộ nguyên tử, chứa 2 loại hạt (nucleon):

 Nơ-tron không mang điện, khối lượng m n = 1,675.10-27 kg

 Proton mang điện tích (+), e = 1,6.10-19 C,

khối lượng mp = 1,672.10-27 kg

Cấu tạo

 Ký hiệu:

 Z: số p+ (số nguyên tử);

 N: số Nơ-tron;

 A = Z + N: số nucleon hay KLNT;

 ZXA : mô tả hạt nhân của nguyên tử.

 Phân loại:

 Hạt nhân đồng vị: có cùng số Z: 1H1, 1H2,1H3

 Hạt nhân đồng khối: có cùng số A: 16S36, 18Ar36; 51Sb123, 52Te123

 Hạt nhân đồng Nơ-tron: có cùng số N: 3Li6,4Be7;

 Hạt nhân gương: Z = N hạt nhân khác: H3, H3

1 Cấu tạo và các tính chất cơ bản

Cấu tạo

 Thông số kích thước:

 Bán kính: R = R0.A1/3 = 1,2.10-15.A1/3

0

3

4 3

4



 

Khối lượng

 Đơn vị: khối lượng nguyên tử (u), 1u = 1/12 khối lượng đồng vị C12

hay1u = 1,6605388.10-27 kg

Số NT Nguyên tố Khối lượng Số NT Nguyên tố Kh/lượng

4

1 Cấu tạo và các tính chất cơ bản

Năng lượng liên kết

 Tương tác trong hạt nhân: lực hút có đặc điểm:

 Không phải lực hút tĩnh điện (do chỉ có p+);

 Không phải lực hấp dẫn;

 Có tính bão hòa, tức là không có tương tác đồng thời với tất cả nucleon;

 Có tác dụng trong phạm vi ngắn;

 Phụ thuộc spin của hạt nhân;

 Không phải lực xuyên tâm;

 Có bản chất trao đổi;

 Độ hụt khối M (do tương tác giữa các nucleon): khối lượng hạt nhân M

luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon trong hạt nhân :

M = [Zmp + (A – Z)mn] - M

Nguyên nhân: proton và nơ-tron không phải hạt cơ bản mà được cấu tạo

từ các hạt nhỏ bé hơn gọi là hạt quark

1 Cấu tạo và các tính chất cơ bản

Năng lượng liên kết

 Năng lượng ứng với độ hụt khối lượng (M): NL liên kết hạt nhân

E lk = M.c 2 = [Zmp + (A – Z)mn - M].c2  2,224 MeV

 Là năng lượng cần thiết để tách hạt nhân thanh các nucleon riêng biệt;

 Năng lượng liên kết riêng: năng lượng liên kết tính cho 1 nucleon,

A

E lk





 Tăng nhanh với hạt

nhân nhẹ;

 Tăng chậm với hạt

nhân trung bình  có

độ bền vững nhất;

 Giảm chậm với hạt

nhân nặng (vì khi A

tăng  tăng số p+ 

lực đẩy Coulomb sẽ

cạnh tranh với lực hạt

nhân)

A

E lk

hạt nhân nhẹ

hạt nhân TB

hạt nhân nặng

6

 Số lượng tử j có giá trị bán nguyên (1/2, 3/2, 5/2, …) nếu tổng số nucleon A

lẻ, giá trị nguyên (1, 2, 3, ) với A chẵn và j = 0 nếu hạt nhân có cả số proton Z

và nơ-tron N là chẵn (ví dụ: C12, O16, S32 ,…)

Spin hạt nhân và mô men từ

 Mỗi nucleon cũng tự quay quanh trục riêng tạo ra mô men spin  vừa có mô men động lượng quỹ đạo và spin giống như electron

s l

j  







 mô men động lượng toàn phần của 1 nucleon:

 mô men động lượng toàn phần của hạt nhân: J   j

4

3 1

2

1 2

1



















s

 ) 1 ( 

 j j J

 Độ lớn động lượng toàn phần của hạt nhân:

p

n

m

e

2







 CĐ tự quay quanh trục riêng của các nucleon  tạo ra dòng điện

 có mô men từ riêng với đơn vị mô men từ magnetron hạt nhân

2 Hiện tượng phóng xạ

 Phóng xạ: là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi

và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ)

Tốc độ và thời gian phân rã phóng xạ

 Hạt nhân phân rã: chất phóng xạ mẹ

 Hạt nhân hình thành: chất phóng xạ con

t

e N t

N ( )  0 

 từ (*) có:

 Thời điểm t: số hạt nhân chưa bị phân rã N(t)

 Xét quá trình phân rã của một chất phóng xạ:

 Thời điểm t + dt: số hạt nhân của chất phóng

giảm đi -dN(t) =  N(t)dt (*)

với  phụ thuộc chất phóng xạ: hằng số phân rã

dt

dN

A    

8

2 Hiện tượng phóng xạ

Tốc độ và thời gian phân rã phóng xạ

 Thời gian cần thiết để hạt nhân không bền phân rã còn ½ số hạt nhân ban

đầu – chu kỳ bán phân rã T1/2, khi đó tại t = T1/2 có:

 Chu kỳ bán phân rã:

2 / 1 2

1 ) (

0

T

e N

t

dN 









693 , 0 2 ln

2 /

1  

T

 Thời gian sống trung bình:

693 , 0

1 T1/2

T TB  







 Cân bằng phóng xạ:

 Số hạt nhân dN’ của chất phóng xạ con tương ứng số các hạt nhân bị phân rã

từ chất phóng xạ mẹ, dN’ =  N.dt

 Trong cùng thời gian chât phóng xạ con cũng bị phân rã, -dN” =  ’.N’.dt

 Cân bằng phóng xạ xảy ra, dN’= -dN’’ hay  N=  ’.N’

2 Hiện tượng phóng xạ

Phân rã anpha (  )

 Quá trình xảy ra với các hạt nhân nặng,

có khối lượng nguyên tử A > 200 và số

proton Z > 82.

 Do điện tích (+) và khối lượng nặng  hạt  có quãng đường tự do TB ngắn  dễ tỏa ra NL (~ vài MeV) trong một phạm vi hẹp  phân rã  ko gây tác hại lên cơ thể sống do có thể dễ dàng tạo ra các lá chắn

 Quá trình phân rã phát ra các hạt tương

đương hạt nhân hê-li, chứa 2 proton và 2

neutron (24He2)  spin tổng cộng = 0

 Cơ chế quá trình: sự cạnh tranh giữa lực đẩy tĩnh

điện Coulomb và lực hút hạt nhân; hạt  thoát ra khỏi

hạt nhân mặc dù có công thoát thấp hơn NL liên kết hạt

nhân, nhờ hiệu ứng xuyên ngầm trong cơ học lượng tử

10

2 Hiện tượng phóng xạ

Phân rã beta (  )

 Quá trình một hạt nhân không bền phát xạ ra:

 e- + phản hạt (antineutrino): phân rã  -  biến đổi thành hạt nhân (bền) của nguyên tố phía trước trong bảng tuần hoàn, Z A N  Z+1 A N’ + e- + v e

 Positron (e+) + antineutrino: phân rã +  biến đổi thành hạt nhân (bền) của nguyên tố phía sau trong bảng tuần hoàn, Z A N  Z-1 A N’ + e+ + v e

Hoặc:

2 Hiện tượng phóng xạ

Phân rã Gamma (  )

 Quá trình một hạt nhân ở trạng thái có mức NL cao trở về trạng thái có mức

NL thấp hơn phát xạ ra bức xạ điện từ (photon) với bước sóng cực ngắn

 Phân rã  thưởng xảy ra ngay sau phân rã  hoặc , do sau các quá trình này, hạt nhân con (hình thành từ hạt nhân mẹ) ở trạng thái kích thích  sau

đó có xu hướng trở về mức năng lượng thấp hơn

 Do phát ra bức xạ điện từ, nên có thể ngăn chặn tia bức xạ bằng lớp bảo vệ bằng chì (độ dày ~ vài cm)

12

2 Hiện tượng phóng xạ

Tính chất của tia phóng xạ

 Tỏa nhiệt khi phóng xạ, khi đó, khối lượng chất phóng xạ giảm dần và chất này biến thành chất khác

 Có khả năng tác dụng sinh lý và

hóa học, kích thích một số phản ứng

sinh-hóa, có khả năng phá hủy tế bào;

 Có khả năng i-ôn hóa các khí;

 Có khả năng làm cho các vật rắn

và lỏng phát huỳnh quang;

 Có khả năng xuyên thấu qua các

vật liệu thông thường như giấy, vải,

gỗ và những tấm kim loại mỏng, theo

đó mức độ mạnh xuyên thấu lần lượt

là tia , rồi  và cuối cùng là  ;

Phản ứng hạt nhân

 Quá trình tác động (bắn phá) các hạt nhân bằng một hạt nào đó một cách chủ động để tạo ra các hạt nhân mới, tương tự phản ứng hóa học,

a (hạt) + X (hạt nhân)  Y (hạt nhân mới) + b (hạt)

 Đặc điểm:

 Không phải va chạm đàn hồi;

 Khối lượng tổng cộng ban đầu  khối lượng tổng cộng thành phẩm

 Bản chất của các phản ứng hạt nhân là các quá trình va chạm  tuân theo các định luật:

k

k i

p

 Bảo toàn mô men động lượng:   ;

k

k i

L

 Bảo toàn điện tích:    ;

k

k i

Z

 Bảo toàn số Nucleon (chỉ có trong vật lý hiện đại):   

k

k i

A

k

k i

E

14

Năng lượng phản ứng hạt nhân

 Chênh lệch khối lượng trước và sau phản ứng hạt nhân  năng lượng phản ứng (dưới dạng nhiệt) theo biểu thức năng lượng Einstein

 M: tổng khối lượng trước phản ứng;

 M’: tổng khối lượng sau phản ứng;

 c: tốc độ ánh sáng.

2

' c

M M

c m m

Q

k

k i













 Q > 0  tổng khối lượng giảm, tổng động năng tăng: phản ứng tỏa nhiệt

 Q < 0  tổng khối lượng tăng, tổng động năng giảm: phản ứng thu nhiệt

 NL nhỏ nhất cần thiết để gây ra phản ứng thu nhiệt bằng năng lượng ngưỡng:

a A

M

m M

Q

E  

 Phân loại phản ứng:

3 Tương tác hạt nhân

Phản ứng phân hạch (nuclear fission)

 Quá trình tách một hạt nhân không bền (thường là hạt nhân nặng) thành 2 mảnh có khối lượng khác nhau khi hấp thụ nơ-tron

Hạt nhân 235U

Mảnh vỡ

Mảnh vỡ Hạt nhân 236U

16

 Phân hạch cảm ứng: có sự hấp thụ nơ-tron;

 Phân hạch tự phát: không hấp thụ nơ-tron

(chính là các quá trình phân rã);

Phản ứng phân hạch (nuclear fission)

E ~ 200 MeV

 Phân bố khối lượng theo sô nucleon A cho thấy xác suất để sự phân hạch tạo

ra 2 mảnh có khối lượng bằng nhau là khó xảy ra (có giá trị min tại A = 118).

 Phân hạch xảy ra nếu năng lượng kích

hoạt hạt nhân > thế năng liên kết hoặc trị số

thông số phân hạch:

17

2



Z

Hàng rào thế Thế năng điện tĩnh

~ 1/r

 Quá trình xảy ra liên tiếp các phản ứng

phân hạch thứ cấp nhờ các nơ-tron sản

phẩm từ phản ứng phân hạch sơ cấp

 Điều kiện: hệ số nhân nơ-tron hiệu dụng k:

 k < 1: phản ứng dây chuyền ko xảy ra

 k = 1: phản ứng dây chuyền xảy ra với

mật độ nơ-tron không đổi  phản ứng điều

khiển được

 k > 1: phản ứng dây chuyền xảy ra với số nơ-tron tăng không ngừng 

phản ứng không điều khiển được

Phản ứng dây chuyền (chain reaction)

Phản ứng phân hạch (nuclear fission)

18

3 Tương tác hạt nhân

 Quá trình tạo ra một hạt nhân do sự kết

hợp của 2 hay 3 hạt nhân nhẹ (đồng vị)

trong trạng thái tan chảy  cũng có sự

giải phóng nhiệt

 Phản ứng nhiệt hạch thường xảy ra trong vũ trụ, đặc biệt tại mặt trời

 Điều kiện: các đồng vị mang điện tích

(+)  khi kết hợp với nhau cần năng

lượng đủ lớn để vượt qua rào thế tĩnh

điện, tương ứng khoảng cách r ~ 10-15 m:

MeV r

e

U ~ 0,5

2





 Năng lượng có thể dưới dạng nhiệt 

hạt có động năng:

kT

W đ

2

3



 Phân loại:  phản ứng không điều khiển:

 phản ứng có điều khiển:

Phản ứng nhiệt hạch (nuclear fusion)