Bài giảng cấu trúc hạt nhân ppsx

Tuy nhiên, một trong những định luật thành công nhất là định luật bảo toàn số nucleon a-to-mos, từ đó từ “nguyên tử” được suyproton và nơtron trong tất cả các hạt nhân nguyên tử, trong t

Bài giảng Cấu trúc hạt nhân

1.MỤC LỤC

1.1 Cấu trúc hạt nhân 3

1.1.1 Nguyên tử 3

1.1.2 Các mẫu hạt nhân 4

1.1.3 Bảo toàn số khối 5

1.1.4 Hóa tính 6

1.2 Năng lượng hạt nhân 10

1.2.1 Khối lượng nguyên tử 10

1.2.2 Tương đương giữa khối lượng và năng lượng 11

1.2.3 Năng lượng liên kết 13

1.3 Tính bền vững của hạt nhân 16

1.3.1 Tỉ số N / Z 17

1.3.2 Tính bền của các nguyên tố nặng nhất 18

1.3.3 Sự khử kích thích 19

1.3.4 Hằng số phân rã 20

1.4 Phân rã hạt nhân 22

1.4.1 Bức xạ Alpha 23

1.4.2 Bức xạ Beta 23

1.4.3 Phân rã Gamma và sự biến đổi Electron 24

1.4.4 Neutron 25

1.5 Phản ứng hạt nhân 26

1.5.1 Bảo toàn Lực 28

1.5.2 Năng lượng phản ứng 29

1.5.3 Năng lượng ngưỡng 29

1.5.4 Các loại phản ứng 30

Chương I: ĐỒNG VỊ BỀN VÀ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

Phân tích kích hoạt thường được xem là một phương pháp phân tích cácnguyên tố hóa hoc Nó không tiến hành từ việc sản xuất các đổng vị phóng xạ do phảnứng giữa nguyên tử với các đồng vị bền của những phần tử trong mẫu thử, sau đó đolường các tia phóng xạ phát ra từ các đồng vị phóng xạ mong muốn Mà các nguyêntắc của phân tích kích hoạt phóng xạ bắt nguồn từ các nguyên tắc của cấu trúc nguyên

tử và hạt nhân, các đồng vị phóng xạ bền, sự chuyển đổi nguyên tử, các đặc tính bức

xạ của các đồng vị phóng xạ, và sự tương tác giữa các tia phóng xạ này với vật chất.Những tương tác trên cho phép đo định lượng các sản phẩm kích hoạt phóng xạ Tuynhiên, phương pháp phân tích kích hoạt không nhất thiết phải giới hạn trong phân tíchhóa học, nó cũng được đề cập tới một phạm vi rộng hơn bao gồm việc sản xuất và đolường các đồng vị phóng xạ trong nhiều tài liệu về các thành phần được biết đến Ví dụnhư kích hoạt phóng xạ được sử dụng cho các nghiên cứu phản ứng hạt nhân, chothông lượng và đo lường cường độ tia, của thí nghiệm tìm kiếm dấu vết đồng vị bền,

và cho quá trình kỉ thuật cao kiểm tra

Các nguyên tắc kích hoạt phóng xạ và đo lường bức xạ vẫn không thay đổitrong các hướng phân tích, đo liều lượng, và sử dụng nguyên tố đánh dấu Để xâydựng thành công các ứng dụng phân tích kích hoạt trong các lãnh vực này đòi hỏi sựhiểu biết khoa học về các nguyên tắc hạt nhân thích hợp cho các vấn đề như: cấu trúchạt nhân, năng lượng hạt nhân, tính bền của hạt nhân, phóng xạ hạt nhân, và phản ứnghạt nhân

1.1.1 Nguyên tử

Là những phần tử tồn tại trong không gian và tạo thành nên chất Chất, lầnlượt là một dạng phần tử đồng nhất có kết cấu hóa học nhất định và tạo thành cácnguyên tố hóa học và các hợp chất của chúng Mỗi chất được đặc trưng bởi tính chất

cụ thể, như tan chảy và điểm sôi và độ tan Từ 500 năm trước công nguyên, con người

đã tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu một đối tượng được chia thành hai phần không xácđịnh Người Hy Lạp mặc nhiên công nhận rằng cuối cùng người ta sẽ đến với các đơn

vị nhỏ nhất của vật chất và gọi nó là ατομοσ (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suya-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy

ra Khoảng 2000 năm sau, năm 1803, Dalton đưa ra phép tính thực tế cho các phân tửhóa học và nguyên tử Chúng ta biết về các phân tử như các phần tử nhỏ nhất của vậtchất với những đặc tính đặc trưng của một hợp chất hóa học và các liên kết electroncủa các nguyên tử Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học

Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, bao gồm 105 nguyên tố, các phần tửcuối cùng trong số đó được phát hiện vào năm 1970 Các chu kỳ của các nguyên tốhóa học đã được giải thích thành công trên cơ sở cấu trúc nguyên tử, các kiến thứctrong đó đã phát triển chủ yếu trong thế kỷ này Mẫu cổ điển hiện nay của nguyên tửchính là một hạt nhân cố định được bao quanh bởi các điện tử mang điện tích âm,trong nguyên tử trung tính, với số lượng thích hợp của các electron mang điện tích âm

ở vỏ đã phát triển hơn 60 năm trước Các chu kỳ của lớp electron của nguyên tử là nềntảng cho các tính chất hóa học của các phân tử và các khái niệm về electron hóa trị,liên kết ion, và liên kết cộng hóa trị Với mẫu này chúng ta cũng hiểu các dữ liệuquang phổ, phát xạ X-ray, hiệu ứng quang điện, và các hiện tượng khác của vật lýnguyên tử

1.1.2 Các mẫu hạt nhân

Các mẫu hạt nhân của nguyên tử xuất hiện vào năm 1911 Rutherford mặcnhiên công nhận một mẫu nguyên tử mà yêu cầu các điện tích dương và hầu hết khốilượng của nguyên tử được chứa trong một hạt nhân nhỏ hơn đường kính 10-12 cm, vớimột số lượng electron vừa đủ để cân bằng điện tích dương của hạt nhân, phân phốitrên kích thước nguyên tử biết là có thứ tự của đường kính 10-8 cm Cho đến năm

1932, Chadwick khám phá ra nơtron, nó là hạt mới được phát ra từ hạt nhân Hạt mớinày là rất quan trọng trong vật lý hạt nhân, dung để nghiên cứu trong phân tích kíchhoạt (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyvà bỏ qua những cải tiến của meson và vật lý hạt cơ bản không ổn định), chorằng chỉ có các proton và nơtron là cấu tạo nên hạt nhân Ta xem như proton và nơtron

như là những hạt vật chất tương đương (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy gọi là nucleon) và khối lượng của hạt nhân tỉ

lệ với số nucleon hiện tại (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyA), chúng ta có thể diễn được bán kính của hạt nhân bởicông thức thực nghiệm:

R = R0 A1/3Trong đó R0 là một hằng số Giá trị của R0 có thể đo được từ thực nghiệm cógiá trị từ 1,2 đến 1.6x10-13 Giá trị trung bình 1.4x10-13 cm là giá trị thích hợp được sửdụng cho mục đích của chúng ta

1.1.3 Bảo toàn số khối

Nhiều định luật bảo toàn cổ điển của vật lý đã được sửa đổi trong thế kỷ này,đáng chú ý trong số đó là những định luật bảo toàn độc lập khối lượng và năng lượng.Những định luật khác liên quan đến khái niệm bắt nguồn từ các sàng lọc của vật lý hạtnhân được đề cập trước đó Chúng được chuyển đổi trong nhiều sách giáo khoa vật lýhạt nhân Tuy nhiên, một trong những định luật thành công nhất là định luật bảo toàn

số nucleon (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyproton và nơtron) trong tất cả các hạt nhân nguyên tử, trong tất cả các quátrình phân rã phóng xạ, và trong tất cả các phản ứng hạt nhân quan tâm Định luật bảotoàn này cho phép chúng ta xây dựng một bảng các chất đồng vị từ mẫu "thực tế" hạtnhân, phần nào tương tự như bảng tuần hoàn các nguyên tố

Bảng 1.1 Các thuật ngữ dùng trong cấu trúc nguyên tửHạt nhân Một thành phần của hạt nhân nguyên tử là proton hoặc

nơtron trong mẫu hạt nhân thực tế

Số hiệu nguyên tử Là một đặc tính hóa học được đưa ra bởi số lượng của

proton (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyZ) trong hạt nhân

Số khối Tổng khối lượng của hạt nhân trong nguyên tử

(a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyA=Z+N), được sử dụng trong việc thay đổi khối lượngnguyên tử và là số nguyên

Khối lượng nguyên tử Khối lượng thực của một nguyên tử liên quan đến 12C,

là nguyên tố được xác định có khối lượng nguyên tử là12x107 đơn vị là amu; ví dụ, 4He có khối lượng4.0026036 amu

Đồng vị (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suychất phóng

xạ)

Một hợp chất của các hạt nhân bền và tồn tại trong suốtquá trình đo Một nguyên tố được đặc trưng bởi sốlượng nguyên tử, số khối và động năng của nó Hiệnnay, nguyên tố đươc sử dụng trong quá trình hoán đổi

đồng vị; ví dụ là những nguyên tố 12H , 126C, và 3890Sr.Đồng vị Các đồng vị có số lượng nguyên tử xác định nhưng số

khối khác nhau, có nghĩa là, các đồng vị có cùng sốproton, nhưng số notron khác nhau, ví dụ 126C, 136C, và

C

14

6 và là đồng vị của CacbonHạt nhân gương Các đồng vị có cùng số khối nhưng khác số lượng

nguyên tử, ví dụ như 3690Kr, 3790Rb, and 3890Srlà các nguyên

tố đồng lượng

Đồng vị Các đồng vị có cùng cấu tạo nguyên tử, cùng số lượng

proton và nơtron, chỉ khác nhau về nội năng Đồng vị cónội năng lớn hơn được xem như là đồng vị bền vữnghơn, được thể hiện bởi m theo sau số khối, ví dụ 2760Covà

nguyên tố này Trong quá trình hạt nhân, sự thay đổi về số lượng proton trong hạtnhân, dẫn đến sự thay đổi tính chất hóa học của nguyên tử, thậm chí trước khi cácelectron chuyển đổi, phải trải qua thời gian điều chỉnh để thay đổi điện tích hạt nhân.

Vì vậy, thuận tiện để xác định đặc tính hóa học (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suysố nguyên tử) của một nguyên tử hayphần tử bằng số proton (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyZ) trong hạt nhân

Cấu Trúc Nguyên Tử

Hình 1.1: Đồng vị của một vài nguyên tố, minh họa cho thành phần hạt nhân củacác đồng vị phóng xạ bền Các hạt nhân được vẽ với bán kính tỉ lệ với R0A1/3 Cácđồng vị 31P là một ví dụ của một đồng vị bền đồng vị đơn của một phần tử

Các điện tích hạt nhân (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyQ) được cho bởi

Q = Ze (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy2) Trong đó e là điện tích electron với một giá trị của 4.803x10-10 esu Giá trị củaelectron được xác định bằng thực nghiệm, và vì thế electron của nguyên tử không thểxác định được chính xác Kể từ khi số nguyên tử của hạt nhân được đưa ra bởi các sốnguyên của các proton trong hạt nhân, là một trong những thông số đặc trưng của các

hạt nhân được biết một cách chính xác Còn lại là số nơtron (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyN) Số khối (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyA) được chobởi số lượng các nucleon trong hạt nhân:

A = Z + N (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy3)

Để thuận tiện cho một số thuật ngữ phổ biến của cấu trúc hạt nhân được đưa ranhư là một thuật ngữ trong bảng 1.1

Các nơtron có thể được coi là "phần tử" đầu tiên với Z = 0, N = 1, và A = 1.Proton là hạt nhân của nguyên tử hydro với Z = 1, N = 0, A = 1 Hydro nặng, cácĐơteri đồng vị bền, bao gồm một proton và nơtron kết hợp với nhau Nó là Hydro vớiZ= 1, nhưng với N = 1 và A = 2 Vì thế, nặng khoảng gấp đôi Hydro thông thường.Đồng vị nặng nhất của hydro, đồng vị phóng xạ Tritium, cho đến Hydro với Z = 1,nhưng với N = 2 và A = 3 Các đồng vị được thể hiện trong hình 1.1 cùng với một sốđồng vị của Cacbon, Phốt pho, và Clo

Cách viết tắt trong nguyên tử biểu diễn hạt nhân nơtron là 1n

Vì số lượng nguyên tử xác định các ký hiệu hóa học và do đó không cần thiết,chỉ số này thường bị bỏ qua trong các hạt nhân được đưa ra Bảng 1.2

Bảng 1.2 Thành phần hạt nhân của đồng vị đơn bền của các nguyên tố (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyf = 1.00)Nguyên tố hóa

học

Số lượng nguyên

tử (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyZ)

Số lượng nơtron (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyN)

Tỉ lệ (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyN/Z) Số khối (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyA) Ký kiệu

1.2.1 Khối lượng nguyên tử

Khối lượng nguyên tử của các nguyên tố được xác định ban đầu từ các tínhtoán của tổ hợp hóa học và sau đó bằng phương pháp vật lý Các hỗn hợp đồng vị tựnhiên của Oxy đã được thông qua như là tiêu chuẩn với giá trị chính xác là 16 đơn vịkhối lượng Oxy tự nhiên nặng khoảng 16 lần Hydro tự nhiên, nguyên tố nhẹ nhấtđược biết đến Vì vậy, Hydro, bằng cách so sánh, được xem là có khối lượng nguyên

tử của một đơn vị Tuy nhiên, các nguyên tố như Clo có một số đồng vị bền nổi bật, cókhối lượng nguyên tử không khả thi Clo, bao gồm bản chất của 75,53% 35Cl và24,47% 37Cl, được dự kiến có trọng lượng nguyên tử

(a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy0.7553 x 35) + (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy0,2447 x 37) = 35,4894 (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy4) Khối lượng nguyên tử thực tế của Clo là 35,453, nhẹ hơn 0,036 đơn vị tínhtoán ở trên

Sự khác biệt rõ ràng là một phần thực tế dẫn tới 35Cl không có trọng lượngchính xác là 35 đơn vị khối lượng so với 16 đơn vị khối lượng của Oxy, hay 37Cl cũngkhông nặng chính xác 37 đơn vị khối lượng, và một phần thực tế là Oxy tự nhiên chứakhoảng 0,0374% đồng vị 17O và khoảng 0,2039% đồng vị18O Thành phần này có thểkhác nhau cho các nguồn Oxy khác nhau Quy mô vật lý trọng lượng nguyên tử cũngđưa ra khối lượng chính xác của một đồng vị 16O là 16 đơn vị khối lượng Do đồng vị

17O và 18O trong Oxy tự nhiên, giá trị số của khối lượng nguyên tử trên quy mô hóahọc tính được nhỏ hơn (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suykhoảng 0,032%) so với giá trị tính được theo quy mô vật lý

Để loại bỏ sự nhầm lẫn kết quả giữa hai quy mô, một tiêu chuẩn mới cho khối lượngnguyên tử quốc tế đã được thông qua vào năm 1961, trong đó một hạt nhân của 12Cđược định nghĩa là có khối lượng chính xác 12 đơn vị khối lượng nguyên tử (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyamu) Do

12C chiếm 98,89% của carbon tự nhiên, quy mô hóa học của khối lượng nguyên tử chỉkhoảng 0,005% khác với quy mô 12C mới và cả hai, cho tất cả các mục đích thực tế,được xem là như nhau Cẩn thận được thực hiện trong việc sử dung giá trị khối lượng

từ lý thuyết đề ra trước năm 1961

Đơn vị khối lượng nguyên tử là rất nhỏ trên phạm vi trọng lượng bình thường,

1 amu là số lượng tương đương với các đối ứng của số Avogadro (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyquy định tại mục2.1.3):

24 23

1.2.2 Tương đương giữa khối lượng và năng lượng

Năm 1905, Einstein trong việc phát triển lý thuyết tương đối của mình đã điđến kết luận rằng tính chất của khối lượng M và năng lượng E là tương đương vớinhau Ông đã cho thấy rằng sự tương đương có thể được thể hiện bởi phương trình

E = Mc2 (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy6)Trong đó c là tốc độ ánh sáng (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy3.0 x 1010 cm/giây trong chân không) Năng lượng sinh

ra trong công thức trên đó là năng lượng được dự trữ trong khối lượng M Từ côngthức trên ta thấy sự biến đổi về khối lượng thì tương đương với sự biến đổi về nănglượng:

Số

nguyên

tử (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyZ)

Nguyên tố hóa học Số khối

(a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy A) Đồng vị phóngxạ Khối lượng hạt nhân(a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyamu)

Bảng 1.3 Khối lượng hạt nhân cho các đồng vị phóng xạ:

Phỏng theo L.A.König, J.E.H.Mattauch, và A.H.Wapstra, Bảng khối lượng đồng vị phóng xạ 1961, Vật lý hạt nhân 31,18 (năm 1962).

1 Kilo electron Volt (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1KeV = 103eV) và 1 triệu electron Volt (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1 MeV = 106 eV)

1 eV = 1.602  10-12 erg = 3.829  10-20 cal (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy9)

1 MeV = 1.602  10-6 erg = 3.829  10-14 cal (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy10)

Từ những chuyển đổi các nguồn năng lượng kết hợp với những thay đổi trongkhối lượng có thể được tính bằng MeV Do đó, năng lượng của 1 khối lượng nguyên

tử được tính:

E = 1.493  10-3 erg  6.25  105 MeV

erg = 931.4 MeV (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy11)

Ví dụ, khối lượng nghỉ của một electron(a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy 1 electron với động năng bằng không

là mo = 0.005486 amu và năng lượng của một electron ở đó là :

E = 0.005486 amu  931.4 MeV

amu = 0.51 MeV) (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy12)Năng lượng thay đổi liên quan với những phản ứng hóa học thông thườngmang đến kết quả là trong độ biến thiên khối lượng thay đổi rất nhỏ để phát hiện thậmchí là với những cân bằng nhạy nhất Phản ứng hóa học mãnh liệt là:

H + F  HF + E (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy13)Kết quả trong phản ứng trên giải phóng ra E = 64.200 cal / mol của HF Sựmất trọng lượng của 20g của HF sẽ được

= -2.98  10-9 g (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy14)

Sự thay đổi của khối lượng = (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy2.98  10-9)/20 100= 1.49 10-8 %

Trong phản ứng hạt nhân năng lượng thay đổi trên mỗi nguyên tử là rất lớn

-so với các hệ thống hóa học, thường trong khoảng KeV đến MeV trên mỗi nguyên tử;

ví dụ, nếu, theo giả thuyết, mỗi nguyên tử của flo trong 20g của HF hấp thụ tia gamma1MeV, độ biến thiên khối lượng của HF sẽ được:

m = 1MeV/nguyên tử  6.023  1023 nguyên tử /g- nguyên tử  1.78  10-27g/MeV = 1.07  10-3g (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy15)

Điều này đạt được trọng lượng (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy ½ %) sẽ dễ dàng phát hiện

1.2.3 Năng lượng liên kết

Sự thay đổi thành phần hạt nhân (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyZ + N) kết quả là làm thay đổi trong nănglượng bởi vì các lực liên kết hạt nhân thay đổi Khi quan sát các đồng vị phóng xạ bềntrong tự nhiên thì các lực hạt nhân đáp ứng hai yêu cầu:

1 Lực hạt nhân phải đủ mạnh để vượt qua các lực đẩy Coulomb của nhiềuproton tích điện dương trong hạt nhân

2 Lực hạt nhân phải có khoảng cách ngắn trong kích thước hạt nhân nếukhông sẽ không tồn tại

Do đó, lực giữa một neutron tự do và proton tự do không quá lớn như các lựcgiữ neutron và proton liên kết với nhau trong một hạt nhân Đơteri Tương tự, các lựcgiữa hai hạt nhân Đơteri tự do này nhỏ hơn các lực liên kết giữ các hạt nhân Heli vớinhau Trong thực tế, phản ứng hạt nhân là sự "hợp nhất" của hai Deuteron để tạothành một hạt nhân lớn hơn với số lượng có ích có kiểm soát để phát điện là nhữngmục tiêu của điện nhiệt hạch

Năng lượng phát ra trong sự kết hợp của một số lượng các hạt proton vànơtron tự do trong việc hình thành một hạt nhân nguyên tử được gọi là năng lượng

liên kết (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyBE).Phương trình Einstein tỉ lệ với khối lượng và năng lượng giải phóng củanăng lượng liên kết tỉ lệ với độ hụt khối của sự "hợp nhất" các đồng vị phóng xạ.

Vì vậy khối lượng của 4He nhỏ hơn tổng khối lượng của hai proton và haineutron Sự hình thành đồng vị phóng xạ có thể được viết là

2 H2 n He BE (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy16)

Và độ hụt khối được cho bởi

M = 2M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1H) + 2M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1n) - M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy4He) (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy17)

Việc sử dụng khối lượng của các nguyên tử trung hòa thay cho khối lượng củamột đồng vị phóng xạ trongphương trình cho khối lượng của các electron quỹ đạo Do

đó

M = 2 (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1.0078252) + 2 (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1.0086654) - 4.0026036 = 0.0303776 amu (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy18)

Và  E = BE = 0.0303776 amu 931.4 MeV/amu= 28.22 MeV (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy19)

Một chỉ số liên quan đến sự bền của các đồng vị phóng xạ là do năng lượngliên kết trung bình mỗi nucleon trong hạt nhân; 4He, là một trong những đồng vị phóng

xạ bền, có một năng lượng liên kiết trung bình của mỗi nucleon là

A   (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy21)

Mối quan hệ của năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon với số khối đượcthể hiện trong hình 1.2 Trên giá trị cực đại tại A  60 (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suygiới hạn các đồng vị) giá trịtrung bình giảm dần từ 8.7 - 7.8 MeV/nucleon

Một chỉ số liên quan đến sự bền tương đối là năng lượng liên kết tăng cần thiết

để thêm một neutron đối với một đồng vị phóng xạ bền Như vậy, nếu một neutron đãđược thêm vào, sự thay đổi trong khối lượng sẽ được

M = [11M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1H) + 12M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1n) - M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy23Na)] - [11M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1H) + 13M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1n) - M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy24Na)] = M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy24Na) - [M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy23Na) + M (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy1n)]

= 23.990967 - 23.998.438 = - 0.007471amu (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy22)

(a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyMev/A)

Và đối với việc bổ sung các neutron

11Na n  11Na BE (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy23)

Sự thay đổi năng lượng liên kết được

BE = - 0.007471 amu 931 4 MeV / amu= - 7 MeV (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy24)

Hình 1.2 Năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon như là một hàm số của số khối của các đồng vị phóng xạ bền đối với các đồng vị phóng xạ phổ biến lớn hơn 50%.

Các dấu trừ có nghĩa rằng 24Na có năng lượng liên kết là 7 MeV đối với 23Na

và một neutron tự do Bổ sung nguồn năng lượng neutron liên kết từ khoảng -2 đến -12MeV

Trái đất luôn tồn tại các nguyên tố trên đó Hầu hết các nguyên tử hiện cótrong vật chất là bền theo thời gian, còn lại là phóng xạ Trái đất bị bắn phá liên tục bởicác tia phóng xạ từ không gian bên ngoài, đã làm chuyển đổi một số các nguyên tử bềnthành những nguyên tử phóng xạ Một số các nguyên tử phóng xạ sinh ra có thời gianrất ngắn, dao động xuống thấp hơn 10-20 giây, một số tạo thành có thời gian rất dài, lên

Số khối (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyA)

đến hơn 1018 năm Một đồng vị cụ thể nào đó tồn tại trong thời gian dài với tốc độphân rã của nó là rất lớn Đồng vị phóng xạ như vậy được coi là bền; cho 83Bi209, từ lâuđược coi là nặng nhất của các đồng vị phóng xạ bền, so với một vài đồng vị phóng xạkhác Tiêu chí để xác định sự bền hạt nhân là dựa vào độ phân rã của hạt nhân Với các

kỹ thuật đo lường có độ nhạy tối đa như hiện nay thì các đồng vị phóng xạ có thời gianbán rã quá 1018 năm có thể được coi là bền

Phân rã phóng xạ tự phát có thể diễn ra theo một số phương thức nếu khốilượng của các sản phẩm nhẹ hơn so với khối lượng của các đồng vị phóng xạ ban đầu

Sự giải phóng khối lượng giống như năng lượng bức xạ trong quá trình phân

rã Một quá trình phân rã phóng xạ có thể được viết dưới dạng

A  B + b (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy25)

Trong đó các đồng vị phóng xạ A phân hủy để tạo thành đồng vị phóng xạ Bvới việc giải phóng các tia bức xạ b Vì thế sự phân hủy xảy ra một cách tự nhiên trong

sự thay đổi độ hụt khối

M = MA - (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyMB + Mb) (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy26)

Phải lớn hơn số không Tuy nhiên, khi M > 0 quá trình phân rã là mạnh mẽnhất, đó là cách duy nhất để xác định các phân rã tự phát, nó sẽ không phân rã hoặckhi Cho M < 0 phân rã tự phát không thể xảy ra

Các cấu trúc của hạt nhân bền vẫn là chủ đề nghiên cứu quan trọng trongnghiên cứu vật lý hạt nhân Khoảng 300 đồng vị phóng xạ bền, được biết đến Bằngcách kiểm tra các thành phần của các đồng vị phóng xạ chúng ta lưu ý rằng tỷ lệ (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyN/Z)

của các nơtron và proton có mối quan hệ chung với số khối Một đồ thị của các sốnơtron so với số proton cho các đồng vị phóng xạ bền với sự phổ biến lớn hơn 10%được thể hiện trong hình 1.3 Các tỷ lệ N/Z là sự thống nhất của nhiều các đồng vịphóng xạ nhẹ như 40

20Cavà tăng với số nguyên tử có giá trị khoảng 1.5 cho đồng vịphóng xạ bền nặng nhất Đường vẽ này được rút ra thông qua các đồng vị phóng xạbền đại diện cho một đường cong đẹp, xấp xỉ của phương trình

3

2 0.015

A Z

A





(a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy27)

Đồng vị phóng xạ với các tỷ lệ N / Z khác nhau có thể nhìn thấy bởi các đường cong đứt nét trong hình 1.3 là bình thường không bền hoặc phóng xạ Nó có xu hướng chuyển đổi tự phát với nhiều hạt nhân bền bằng cách thay đổi neutron thành proton hoặc ngược lại Do đó, một đồng vị phóng xạ có số khối A với sự dư thừa của các neutron có thể trở nên bền hơn bằng cách chuyển đổi neutron thành proton, và ngược lại, một đồng vị phóng xạ không bền có thể trở nên bền hơn bằng cách chuyển đổi nhiều proton thành nhiều neutron

Hình 1.3: Tỷ số N / Z biểu diễn cho các đồng vị phóng xạ bền với các đồng vị phóng

xạ phổ biến lớn hơn 10% Đường cong liền nét được rút ra từ hệ số

Z 0 = A/(2+0.015/A 2/3 ), có thể so sánh với đường nét đứt, với Z = A / 2.

Như vậy sự chuyển đổi với số khối (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suynucleon) được bảo toàn trong hạt nhânđược thể hiện bằng việc phát ra của nhiều electron năng lượng cao và được gọi là phân

rã beta

1.3.2 Tính bền của các nguyên tố nặng nhất

Hình 1.3 Cũng cho thấy là số nguyên tử của các nguyên tố tăng quá mức tăngcủa các hạt nhân tương đối so với các proton là cần thiết để duy trì tính bền vững bởi

sự kết hợp các nucleon trong hạt nhân Các nơtron bổ sung có thể được coi là cần thiết

để bù đắp sự tăng nhanh của lực đẩy Coulomb của các proton tích điện dương gầngiống như là tăng số lượng nguyên tử Tuy nhiên, mặc dù năng lượng liên kết mỗinucleon thêm vào này giảm từ từ cho các hạt nhân lớn hơn, tính chất tác dụng gần củacác lực hạt nhân là kết quả của sự không bền vững của lực đẩy culông hơn là tăng sốlượng nguyên tử Như vậy tất cả các đồng vị phóng xạ với Z > 83 là không bền so vớikích thước của nó bởi vì lực đẩy Coulomb của các proton Hạt nhân Heli rất bền, là

Số nơtron (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyN)

Số proton (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suyZ)