CHƯƠNG 8. VẬT LÝ HẠT NHÂN.pdf

Bμi giảng Vật lý đại cươngTác giả: PGS.. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hμ nội... Tự đọc về Cấu tạo vμ Các tính chất cơ bảncủa hạt nhân nguyên tử: Khối lượng, cá

Bμi giảng Vật lý đại cương

Tác giả: PGS TS Đỗ Ngọc Uấn

Viện Vật lý kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hμ nội

Ch−¬ng 8 VËt lý h¹t nh©n

Tự đọc về Cấu tạo vμ Các tính chất cơ bản

của hạt nhân nguyên tử: Khối lượng, các nuclon

# Kích thước hạt nhân: R=r0.A1/3m

r0=(1,2-1,5) 10-15m gọi lμ bán kính điện

# Spin hạt nhân: | r Ji | = j ( j + 1 ) h

# Lực hạt nhân, năng lượng liên kết

# Phóng xạ: Hiện tượng, định luật, đo lường, an toμn phóng xạ, phóng xạ nhân tạo

# Tương tác hạt nhân

• Các tính chất cơ bản của hạt

nhân nguyên tử

Proton (p) mp=1,007825u, ep=1,6.10-19C

Nơtron (n) mn=1,008665u, Không có điện tích

Số khối A=N+Z Z -Số p, N- Số n -> Số

nuclon

Hạt nhân đồng vị: Cùng Z khác N

Đồng vị của hydro

p

1 H1

p n

1 H2

p

n n

1 H3 u=1,66.10-17kg

Đồng khối: Cùng A khác Z 60 cặp

16S36 18Ar36 51Sb123 52Te123

Hạt nhân gương: Số p của hạt nμy bằng số

n n

1 H3

p n

2 He3

p

• Kích thước hạt nhân

Khảo sát bằng tán xạ nơtron 20-50eV: R~10-14m

đối với Pb, U; R~6.10-15m đối với Fe

Bằng phản ứng hạt nhân với hạt tích điện:(lực

đẩy culông) R=1,4.10-15.A1/3m

So s¸nh liªn kÕt c¸c h¹t nh©n g−¬ng: n¨ng l−îng

do proton cao h¬n n¬tron vμ lùc ®Èy cul«ng

0

2

4

1 R

Ze 5

6

πε R=1,3.10

-15.A1/3m

KÕt qu¶ tæng hîp: R=r0.A1/3m

r0=(1,2-1,5) 10-15m gäi lμ b¸n kÝnh ®iÖn

Khèi l−îng riªng cña

h¹t nh©n:

3 17

3

p

m / kg

10 3

/ R 4

A

m

= π

= ρ

Spin h¹t nh©n : C¸c nuclon cã momen spin vμ orbital

i i

i L S

r

+

=

Cña nuclon thø i Cña c¶ h¹t nh©n: = ∑

i

i

J

r

h

r

) 1 j

( j

|

J

| i = + A ch½n j=0,1, 2, 3 A lÎ j=1/2, 3/2, 5/2 sè LT

spin HN

• Mômen từ hạt nhân do mômen

từ của các nuclon tạo thμnh

∑

∑

=

i

n S

z

i

P S

z

i

P

r r

r

điện tích nên không

có mômen từ orbital

T / J 10

05 ,

5 m

2

P

ư

=

=

Magneton hạt nhân-đơn vị

mômen từ hạt nhân

Mômen từ hạt nhân = 1000-1 mômen từ điện tử Cộng hưởng từ hạt nhân ứng dụng trong khám

bệnh

•T/C bão hoμ: chỉ với nuclon cạnh

• Lực trao đổi mezon π có khối lượng 200-300

me, Có 3 loại: π+ π0 π

-• Phụ thuộc vμo định hướng của spin hạt nhân

• Tác dụng gần 10-15m

• Không phụ thuộc vμo điện tích

Lực hạt nhân:

nuclon nuclon

π

π

• Khèi l−îng, n¨ng l−îng liªn kÕt h¹t nh©n

§¬n vÞ khèi l−îng u=mC12 /12 = 1,66.10-27kg

uc2=931,44MeV

§é hôt khèi: ΔM=Zmp+(A-Z)mn-M

N¨ng l−îng liªn kÕt WLK= ΔM.C2

8

N¨ng l−îng liªn kÕt riªng ε= WLK/A

A

ε MeV

40 120 140 1

He •1H2 -> 1H3 -> 2He4:

1,1 ->2,8->7MeV

• 120->240: 8MeV->7MeV

• 40 -> 140: 8MeV-8,6MeV

• Phóng xạ: α β+ β- γ Không bền vững -> Bền vững

0 M

) M M

(

MAZ − AZ−22 + 22 = Δ >

−

W= ΔM.C2 thμnh động năngcủa các sản phẩm

phân rã Định luật phân rã

Thời điểm t số hạt nhân N

Thời điểm t+dt số hạt nhân N-dN

-dN=λNdt -dN/N= λdt

N=N0e- λt =>N0/2= N0e- λT1/2

T1/2=ln2/ λ

t

N

N0/2

T1/2

H=λN độ phóng xạ =

số phân rã trong 1s

ZXA -> Z-2YA-4 + 2He4 ZXA -> Z+1YA + e

-Pb 209

Bi 209

Ra 225 (15 ngμy)

Np 237 (2,3.10 6 năm)

Am 241

α β

Pb 206

α β

U 238

(4,5.10 9 năm)

(1,6.10 3 năm)

Ra 226

U(92)

Ra(88 )

Pb(82 )

Pb 208

β α Th 232 (1,4.10 10 năm)

Ra 224

Pb 207

β α

U 235 (7,1.10 8 năm)

Ra 223 (11 ngμy)

Sơ đồ phân rã của

4 họ phóng xạ tự

nhiên

• Quy tắc dịch chuyển, họ phóng

xạ tự nhiên

A=4n+1

A=4n A=4n+2

Ac A=4n+3

• Cân bằng phóng xạ: Sau t thời gian T1>>

t>>T2 tốc độ phân rã của hạt nhân con bằng

tốc độ phân rã của hạt nhân mẹ

Độ phóng xạ của nguồn gồm chuỗi 3 hạt nhân

X1-> X2-> X3=> H=λ1N1+ λ2N2 + λ3N3

Cân bằng phóng xạ bền cho 1 chuỗi nối tiếp nhau

λ1N1= λ2N2 = λ3N3= = λnNn

• Phóng xạ nhân tạo:

Bắn phá bằng n: 11Na23 > 11Na24 = 12Mg24 + β -Bắn phá bằng α : 5B10 > 7N13 = 6C13+ e+

Bắn phá bằng n : 27Co59 -> 27Co60 Kích thích

27Co60 Kích thích -> 27Co60 cơ bản+ γ

• Ph©n r· β vμ h¹t n¬trino

p > n + e+ + νe

spin 1/2 1/2 ± 1/2 ± 1/2

n > p + e+ + ν-e

• §¬n vÞ ®o phãng x¹

• C/kg: T¹o 1C ®iÖn tÝch trong 1kg kh«ng khÝ

• R¬nghen (R): 1R=2,57976.10-4C/kg

• C/kgs: Bøc x¹ cã liÒu l−îng 1C/kg trong 1s

• R/s

• Gray Gy=J/kg: 1J hÊp thô bëi 1kg vËt bÞ räi

• Rad: rd = 10-2J/kg

• Møc cho phÐp < 0.017R/ngμy lμm viÖc trùc

tiÕp, < 0.0017R/ngμy lμm viÖc trong khu vùc

phãng x¹ vμ < 0.00017R/ngμy cho c− d©n

• Møc phãng x¹ cho phÐp

H( Sv -Sievert) =D( Gy- Gray)*Q Gy=1J/kg

Q - HÖ sè phÈm chÊt Tia X, h¹t β 1 N¬tron <10KeV 3 N¬tron >10KeV 10 Proton 10

HÖ sè phÈm chÊt cμng cao cμng nguy hiÓm !

• Mức phóng xạ cho phép mSv/năm

Lμm việc trực tiếp:

Toμn thân, Bộ phận SD,mắt 50

Dân cư:

Tuyệt đối không để tia phóng xạ (tia X, α, β+,

β-, γ ) chiếu trực tiếp lên cơ thể

Tuân thủ đúng, đầy đủ các hướng dẫn khi vận hμnh máy có phóng xạ