nghiên cứu chương trình HẠT NHÂN NGUYÊN tử

Nhưng với sự nỗ lực của mình, chúng tôi hy vọng bài viết này sẽ góp phần giải quyết được nhiều vấn đề đặt ra trong việc nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông nói chung Rất mong nhận đ

LỜI NÓI ĐẦU



Đất nước ta đang ngày một phát triển, tiến đến hội nhập, sánh vai cùng nhiều quốc gia trên thế giới Song song với quá trình phát triển nhanh chóng, không chỉ ở nước ta mànhân loại nói chung cũng đang đối diện với sự biến đổi khí hậu ghê gớm, môi trường sống đang bị đe dọa nghiêm trọng Trước tình hình này, ngành giáo dục có nhiệm vụ đào tạo ra những thế hệ con người có tri thức, có đầy đủ các năng lực, kỹ năng để đáp ứng nhu cầu của xã hội Điều đó đòi hỏi giáo dục cần phải đổi mới đúng hướng, hợp lý Người giáo viên có vai trò hết sức quan trọng trong việc tham gia vào quá trình đào tạo con người cũng như quá trình đổi mới giáo dục Để làm tốt nhiệm vụ của mình, một trongnhững vấn đề cốt lõi là mỗi giáo viên phải có năng lực chuyên môn vững vàng, đặc biệt

là nắm vững, hiểu sâu sắc kiến thức môn học mà mình giảng dạy

Để hoàn thành tiểu luận, chúng tôi chọn phương pháp nghiên cứu là đọc các tài liệu vật lí đại cương, sách giáo khoa, sách giáo viên vật lí 12 trung học phổ thông, tìm kiếm, lựa chọn tài liệu trên Internet, bài giảng trên lớp của PGS.TS Lê Công Triêm, tiểu luận của các học viên khoá trước…

Do điều kiện về thời gian và khả năng nghiên cứu của bản thân nên các vấn đề trình bày trong tiểu luận còn nhiều hạn chế Nhưng với sự nỗ lực của mình, chúng tôi hy vọng bài viết này sẽ góp phần giải quyết được nhiều vấn đề đặt ra trong việc nghiên cứu

chương trình vật lý phổ thông nói chung Rất mong nhận được sự đóng góp chân thành của thầy và các bạn

Phần 2 HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

MỞ ĐẦU

“140.000 người dân Hiroshima đã chết bởi vụ nổ cũng như bởi hậu quả của nó Số người thiệt mạng ở Nagasaki là 74.000 Ở cả hai thành phố, phần lớn người chết là thường dân Ước tính 90% nhà cửa ở Hiroshima bị hủy diệt hoặc hư hại…” Đó là các

con số ước tính về hậu quả của việc Mỹ ném bom nguyên tử xuống hai thành phố của Nhật Bản trong thế chiến thứ hai, Hiroshima (06/8/1945) và Nagasaki (09/8/1945).

Nếu con người lợi dụng năng lượng hạt nhân cho mục đích chiến tranh thì hậu quả khôn lường Tuy nhiên, hiện nay, nhu cầu cuộc sống con người ngày một tăng cao trong khi các nguồn năng lượng tự nhiên đang cạn kiệt dần hoặc không đủ khả năng đáp ứng cho sự phát triển của xã hội, thì năng lượng hạt nhân lại là lựa chọn chủ đạo cho nguồn năng lượng tương lai

Năng lượng hạt nhân nói riêng và lĩnh vực nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử nói chung có tầm quan trọng to lớn trong đời sống hiện đại Ở nước ta, phần hạt nhân nguyên

tử được đưa vào cuối chương trình vật lý phổ thông Bản thân là các giáo viên vật lý, chúng tôi luôn muốn tìm hiểu sâu sắc về các kiến thức mình sẽ giảng dạy trên lớp nên việc tìm hiểu phần hạt nhân nguyên tử vừa là nhu cầu vừa là nhiệm vụ của mỗi giáo viên vật lý

Nhiệm vụ chính của phần Hạt nhân nguyên tử

Phần hạt nhân nguyên tử là một bộ phận của vật hạt nhân và nguyên tử, nghiên cứu về:

- Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử,

- Các quá trình biến đổi hạt nhân,

- Các bức xạ phát ra trong các quá trình biến đổi hạt nhân

- Ứng dụng của các quá trình biến đổi hạt nhân

Sơ lược cấu trúc phần Hạt nhân nguyên tử trong SGK hiện hành

Trong thời gian tới, Bộ GD và ĐT sẽ đổi chương trình và SGK phổ thông, nhưng thiết nghĩ, kiến thức căn bản về các phần của môn vật lý cũng sẽ không thay đổi nhiều Tuy nhiên, kiến thức của hạt nhân nguyên tử rộng hơn nhiều so với kiến thức được trình bày trong chương trình vật lý phổ thông Vậy nên chúng tôi xin nêu lại cấu trúc của phần Hạt nhân nguyên tử được trình bày trong SGK hiện hành để tiện theo dõi các nội dung được nghiên cứu của phần này:

1 Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử Độ hụt khối

- Cấu tạo hạt nhân Nuclon

HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Sơ lược lịch sử Cấu trúc hạt nhân và một số khái niệm Tổng quan về Phản ứng hạt nhân Tìm hiểu cụ thể một số loại phản ứng hạt nhân Các

ứng dụng

- Đồng vị

- Đơn vị khối lượng nguyên tử

- Năng lượng liên kết

- Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

- Năng lượng trong phản ứng hạt nhân

- Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng

- Thực hiện phản ứng nhiệt hạch trên Trái đất

Cấu trúc phần Hạt nhân nguyên tử

Phóng xạ Phản ứng phân hạch Phản ứng nhiệt hạch

PHÂN TÍCH NỘI DUNG

1 Sơ lược lịch sử

Năm 1909 – 1911, nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford (1871-1937, đạt giải Nobel năm 1908) dùng các hạt α bắn phá các nguyên tử và phát hiện được cấu trúc của nguyên tử gồm một hạt nhân và các electrôn ở xung quanh nó Năm 1920, ông nêu lên rằng hạt nhân hiđrô là hạt nhân nhỏ nhất, và hạt nhân của các chất khác đều do hạt nhân hiđrô liên kết với nhau tạo thành Ông gọi tên các hạt nhân hiđrô là prôtôn (tiếng Hy Lạp

có nghĩa là ban đầu, nguồn gốc)

Từ cuối thế kỷ XIX, người ta đã biết rằng các tia phóng xạ α và β là các chùm hạt nhân Hêli và chùm electrôn phóng ra từ hạt nhân các nguyên tử phóng xạ Các hạt nhân hêli có khối lượng gấp 4 lần hiđrô nhưng điện tích chỉ gấp đôi hiđrô Năm 1930 – 1932, một số nhà vật lý phát hiện được một bức xạ có khả năng xuyên thấu rất mạnh nhưng chưa xác định được bản chất của nó Nhà vật lý người Anh James Chadwick (1891 –

1974, giải Nobel vật lý năm 1935) đã chứng minh rằng bức xạ đó là một chùm nơtrôn, là một hạt không mang điện chứ không phải là sự kết hợp giữa một prôtôn và một êlectrôn như giả thiết của Rutherford năm 1922 Về sau prôtôn và nơtrôn được xem là hai trạng thái đồng vị của cùng một hạt là nuclôn (theo tiếng La-tinh, nucleus nghĩa là hạt nhân).Năm 1934, hai vợ chồng Irène Joliot-Curi (1897-1956) và Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) đã dùng hạt α bắn phá hạt nhân nhôm Al27 không phóng xạ thành hạt nhân photpho phóng xạ P30 Hạt nhân này không có sẵn trong tự nhiên vì thời gian sống của nó chỉ có 2,5 phút Nó được gọi là hạt nhân phóng xạ nhân tạo Tiếp tục băn phá một số hạt nhân khác, họ tạo ra thêm một số hạt nhân phóng xạ nhân tạo khác Sự phóng xạ nhân tạo

là phát minh quan trọng nhất của vật lý hạt nhân trước thế chiến thứ hai

Sau khi nơtrôn được phát minh, các nhà vật lý dùng nó làm viên đạn để bắn phá hạt nhân vì nó không chịu lực đẩy tĩnh điện như hạt α Cũng vào năm 1934, nhà vật lý ltalia Enrico Fermi (1901–1954, giải Nobel vật lý năm 1938) quyết định thử dùng nơtrôn để lặp lại các thí nghiệm của vợ chồng Joliot-Curie Cùng với các học trò của mình, ông dùng nơtrôn bắn phá một cách hệ thống hạt nhân của hết nguyên tố này đến nguyên tố

khác Đến nguyên tố thứ 9 của bảng tuần hoàn Mendeleev, ông lại phát hiện được phóng

xạ nhân tạo Khi tiếp tục làm thí nghiệm, ông tình cờ đạt được phát minh quan trọng: độ phóng xạ của tấm bia tăng lên gấp trăm lần khi bắn phá nó bằng nơtrôn đã bị làm chậm bằng một lớp nước hoặc parafin Fermi không giải thích được vì sao, nhưng từ đó ông tiếp tục bắn phá các hạt nhân bằng các hạt nơtrôn chậm, có năng lượng dưới 100keV.Khi bắn phá tới hạt nhân urani, là hạt nhân nặng nhất và đứng cuối bảng tuần hoàn Mendeleev lúc bấy giờ, ông phát hiện được một điều kỳ lạ: các hạt nhân tạo thành sau phản ứng không phải các hạt nhân đã biết lân cận với urani trong bảng tuần hoàn

Mendeleev như đối với các trường hợp trước Ông cho rằng đó là các hạt nhân chưa biết, đứng sau urani có số thứ tự 92 trong bảng tuần hoàn Mendeleev, và gọi chúng là các hạt siêu urani có số thứ tự từ 93 trở lên Phát minh của Fermi khiến nhiều nhà vật lý quan tâm, họ cùng với Fermi tiếp tục thí nghiệm nhằm phát hiện ra các nguyên tố siêu urani nhưng không ai khẳng định được đó là nguyên tố nào

Cũng vào năm 1934, khi phân tích mẫu các nguyên tố siêu urani, nhà hóa học nữ người Đức Ida Noddack (1896 –1978) phỏng đoán rằng: khi bắn phá các hạt nhân nặng bằng nơtrôn thì hạt nhân được khảo sát bị vỡ thành nhiều mảnh, chắc rằng chúng phải là đồng vị của những nguyên tố đã biết nhưng không phải là các nguyên tố lân cận các nguyên tố bị bắn phá Tuy nhiên, sự phỏng đoán tài tình này của bà không được chú ý.Năm 1938, Irène Joliot-Curi và người đồng nghiệp xứ Nam Tư, Pavel Savitch, phântích sản phẩm của sự bắn phá hạt nhân urani và công bố rằng trong đó có một nguyên tố rất giống lantan (số thứ tự 57) Về sau, Otto Hahn (1879 –1968, giải Nobel hóa học năm 1944) đã miệt mài nghiên cứu về vấn đề này và cho kết quả rằng nguyên tố mà Irène Joliot-Curi và Savitch cho là giống lantan đúng là bari (số thứ tự 56) Sau đó, nhà vật lý người Áo Lise Meitner (1878-1968) cùng nhà vật lý người Do Thái quốc tịch Áo Otto Robert Frisch (1904-1979) cùng nghiên cứu và giải thích kết quả của Han: “Sự phá vỡ hạt nhân urani thành hai mảnh gần bằng nhau phải diễn ra một cách hoàn toàn xác định Cảng tượng đó như thế này: Hạt nhân urani dần dần biến dạng,bị kéo dài ra, hình thành một chỗ thắt, và cuối cùng bị phân ra thành hai nửa Sự giống nhau đáng ngạc nhiên của

cảnh tượng đó với quá trình phân bào nhờ đó vi khuẩn sinh sản là lý do để chúng tôi gọi hiện tượng đó trong bài báo đầu tiên của chúng tôi là sự phân hạch”.

Tháng 4 năm 1939, nhà vật lý lý thuyết người Nga Yakov Ilyich Frenkel 1952) giải thích sự phân hạch bằng mô hình giọt chất lỏng về hạt nhân Tháng 7 năm

(1894-1940, nhà vật lý học người Đan Mạch Niels Henrik David Bohr (1885-1962, giải Nobel Vật lý năm 1922)và nhà vật lý lý thuyết người Mỹ John Archibald Wheeler (1911-2008)

sử dụng mô hình giọt chất lỏng và chứng minh rằng khi một hạt nhân nặng bị phân hạch,

nó giải phóng ít nhất một nơtrôn, do đó có khả năng tạo ra phản ứng dây chuyền trong khối urani Như vậy là cơ sở khoa học của việc giải phóng và sử dụng năng lượng hạt nhân đã được xây dựng

Tháng 9/1945, Adolf Hitler phát động thế chiến thứ hai Nhiều nhà khoa học châu

Âu phải tới làm việc ở Mỹ Khi nghe tin Hitler đang tích cực chế tạo bom nguyên tử, họ

lo lắng cho số phận nhân loại nên đã thuyết phục nhà cầm quyền Mỹ nhanh chóng tổ chức chế tạo bom nguyên tử trước Hitler để tiêu diệt chủ nghĩa phát xít Mỹ đã thành lập một tổ chức đặc biệt làm việc dưới sự lãnh đạo của nhà vật lý lý thuyết người Mỹ J Robert Oppenheimer (1904-1967) để nghiên cứu chế tạo bom nguyên tử trong điều kiện

bí mật hoàn toàn (Dự án Manhattan) Tháng 7/1945, Oppenheimer cho nổ thử quả bom nguyên tử đầu tiên ở một vùng hoang mạc của Mỹ Tháng 8/1945, Mỹ ném hai quả bom nguyên tử xuống Hiroshima và Nagasaki của Nhật trước tình hình phát xít Đức đã đầu hàng, sự đầu hàng của phát xít Nhật chỉ là vấn đề thời gian Năng lượng nguyên tử đã được sử dụng đầu tiên cho mục đích hủy diệt Hàng chục vạn người bị chết, bị thương và chịu ảnh hưởng của phóng xạ cho đến ngày nay

Sau thế chiến, Mỹ tiếp tục nghiên cứu ngay việc chế tạo bom kinh khí (bom nhiệt hạch) có sức hủy diệt gấp bội so với bom nguyên tử Liên-xô cũng nghiên cứu chế tạo bom nguyên tử để phòng thủ đất nước Năm 1949, Liên-xô thử thành công bom nguyên

tử Năm 1952, Mỹ tiến hành vụ nổ nhiệt hạch đầu tiên với cơ chế cồng kềnh, chưa phải bom Năm 1953, Liên-xô thử thành công bom nhiệt hạch và năm 1954, Mỹ cho nổ thành

công bom nhiệt hạch của mình… Cuộc chạy đua vũ trang ở hai cường quốc này và nhiều quốc gia khác đã và đang tiếp tục diễn ra.

Ngay từ đầu Liên-xô đã đề nghị kiểm soát quốc tế và cấm các vũ khí hạt nhân, đồng thời hợp tác nghiên cứu sử dụng năng lượng hạt nhân vào mục đích hòa bình Năm

1954, Liên-xô cho vận hành nhà máy điện nguyên tử hạt nhân đầu tiên của nhân loại Năm 1959, Liên-xô hạ thủy chiếc thuyền phá băng đầu tiên chạy bằng năng lượng

nguyên tử Việc sử dụng năng lượng nguyên tử vào mục đích hòa bình đã và được nhiều nước thực hiện, các nhà máy điện nguyên tử được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới Tuy nhiên các cuộc vận động hủy bỏ các kho vũ khí hạt nhân cho tới nay vẫn chưa đạt được những kết quả cụ thể

2 Cấu trúc hạt nhân

2.1 Cấu tạo hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi các prôtôn và các nơtrôn, gọi chung là nuclôn (nucleus)

Đặc tính Prôtôn (proton, ký hiệu: p) Nơtrôn (neutron, ký hiệu: n)

Khối lượng 1,672 623 1.10-27 kg 1, 674 928 6.10-27 kgĐiện tích +1,602 177 33 ± 0,000 004 65.10-19 C 0

Momen từ (+2.792 847 39±0.000 000 06) µk (-1.913 042 7±0.000 000 5) µk

Hạt nhân

Hình 2.1 Mô hình nguyên tử Hêli và Cacbon

2.2 Số khối A và điện tích Z của hạt nhân nguyên tử

2.2.1 Số khối A và điện tích Z của hạt nhân nguyên tử

Mỗi hạt nhân được đặc trưng bằng số khối A và số điện tích Z Ký hiệu một hạt nhân: Z A X Trong đó: Số khối A: số nuclôn của hạt nhân Số điện tích Z: số proton có trong hạt nhân Như vậy điện tích hạt nhân bằng Ze Ngoài ra, Z là chỉ số thứ tự của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Medeléev Nó nói lên tính chất hóa học của nguyên tố

đó Z còn là số electron của lớp vỏ nguyên tử của hạt nhân đó

N = A - Z: số notron có trong hạt nhân

Ví dụ: 13H và 23He

Các hạt nhân có số notron bằng nhau gọi là các nhân đồng notron

Hình 2.2.2 Đồng vị cacbon 2.3 Kích thước và khối lượng hạt nhân

2.3.1 Kích thước hạt nhân

Do hạt nhân là một hệ vi mô tuân theo các quy luật của vật lý lượng tử nên vấn đề xác định kíc thước của hạt nhân không đơn giản Có nhiều phương pháp xác định kích thước hạt nhân và chúng cho các kết quả khác nhau nhưng cùng một giá trị về bậc của kích thước

Thực nghiệm đưa đến kết quả:

mà tập trung ở giữa tạo thành lõi, còn ở lớp ngoài mặt, mật độ khối lượng giảm nhanh nhưng không đột ngột.

Thực nghiệm đã xác định mật độ khối lượng của hạt nhân là hàm của khoảng cách r

từ trung tâm của hạt nhân:

0

( ) 1

r R a

2.3.2 Khối lượng hạt nhân

2.3.2.1 Đo khối lượng hạt nhân

Trong nguyên tử, hầu như toàn bộ khối lượng đều tập trung ở hạt nhân, vì khối lượng của electrôn là rất nhỏ và tổng khối lượng các electrôn trong nguyên tố nặng nhất cũng nhỏ hơn phần trăm khối lượng của nguyên tử Vì vậy ta có thể coi: Mhn = mnt − Zme

Hình 2.3.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của

mật độ khối lượng ρ vào r

b: độ dày bề mặt (thickness of surface layer)

các hạt tích điện Sau này Demspter đã cải tiến và đo được khối lượng của một loạt các nguyên tố khác nhau

Các phổ kế hiện đại đo được khối lượng với độ sai số tương đối

Khối lượng hạt nhân được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử (đvklnt), ký hiệu: u

1 đvklnt bằng 1/12 khối lượng nguyên tử cacbon 126C

Hay 1u =

23

1 12 1 1,66.10 1,66.10

1u.c2 = 1,66.10-27kg.(3.108m/s)2 = 149,4.10-12J = 149,4.10-12 6,25.1012 MeV = 931,5 MeV

Từ đó suy ra: 1u = 931,5 MeV/c2

2.4 Spin và mômen từ hạt nhân

2.4.1 Spin hạt nhân

Các proton và notron là các hạt fecmion, có spin bán nguyên bằng 2 Cũng giống như electron trong nguyên tử, chuyển động tương đối của các nuclon trong hạt nhân đượcđặc trưng bởi mômen quỹ đạo, có giá trị lượng tử hóa Tổng mômen quỹ đạo của các nuclon và của spin của chúng là spin của hạt nhân

Thực nghiệm cho thấy spin hạt nhân phụ thuộc số khối A Hạt nhân có số khối chẵnthì có spin nguyên, số khối lẻ thì spin bán nguyên, có Z và N cùng chẵn thì spin bằng 0

2.4.2 Mômen từ hạt nhân

Tương tự như electron, hạt nhân cũng có momen từ riêng ứng với mômen spin của

nó Theo nguyên lý Pauli, hạt nhân có mômem từ riêng nên nó sẽ tác dụng với từ trường tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ, làm sinh ra năng lượng phụ E của

electron ở lớp vỏ

Do tương tác với từ trường được tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ nênnăng lượng E phụ thuộc vào trị số mômen từ hạt nhân và sự định hướng của từ trườìng hạt nhân đối với tứ trường electron Theo tính toán lý thuyết, Pauli cho rằng: mômen từ của hạt nhân chỉ định hướng theo một số phương nhất định so với từ trường của electron hóa trị Thế nên năng lượng (E chỉ nhận một số gía trị gián đoạn Số gía trị này phụ thuộcvào trị số Spin của hạt nhân Khỏang cách giữa các mức năng lượng tùy thuộc vào

mômen từ hạt nhân

Lưu ý: Vì hạt nhân có hai loại hạt: Prôtôn mang điện dương nên có mômen từ quỹ đạo, nơtrôn không mang điện, nên chỉ có mômen từ Spin Như vậy mômen từ của hạt nhân bằng tổng mômen từ Spin của tất cả hạt nuclôn cộng với tổng mômen từ quỹ đạo của các prôtôn

2.5 Độ hụt khối và năng lượng liên kết hạt nhân

2.5.1 Độ hụt khối

Hạt nhân gồm Z prôton và N=A-Z nơtron, tuy nhiên người ta cũng thấy rằng khối lượng nghỉ của hạt nhân nhỏ hơn tổng khối lượng nghỉ của các nuclon tạo thành hạt nhân

đó Hiệu hai khối lượng đó gọi là độ hụt khối Độ hụt khối được tính bằng biểu thức:

ΔM = ZmM = Zmp + (A - Z)mn - M

ΔM = ZmM được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, M là khối lượng hạt nhân Z A X , còn mp và

mn là khối lượng của prôtôn và nơtrôn

2.5.2 Năng lượng liên kết hạt nhân

Theo thuyết tương đối, hệ các nuclon ban đầu có năng lượng:

E Zm  A Z m c Còn hạt nhân được tạo thành từ chúng thì có năng lượng E = mc2 < E0

Khi tách rời các prôton ra khỏi hạt nhân, ta cần cung cấp cho hạt nhân một năng lượng đúng bằng năng lượng liên kết hạt nhân ΔM = ZmW nói trên, để tương ứng với nó có khối lượng được tăng thêm một lượng bù vào độ hụt khối

Vậy, năng lượng liên kết của một hạt nhân là năng lượng cần thiết để tách rời các

thành phần của hạt nhân và đặt mỗi nuclon ở khoảng cách đủ lớn đối với nhau sao cho thế năng tương tác của chúng không đáng kể

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng toàn phần, ta có năng lượng nghỉ của một hệliên kết cộng với năng lượng liên kết bằng năng lượng nghỉ của các nuclon tách rời nhau:

càng bền Tuy nhiên, giá trị năng lượng liên kết phụ thuộc vào tổng số nuclôn có trong hạt nhân thể hiện qua độ hụt khối ΔM = ZmM, do đó để so sánh độ bền vững giữa các hạt nhân,

ta cần so sánh giá trị năng lượng liên kết trung bình cho một nuclôn mà ta gọi là năng lượng liên kết riêng

Như vậy năng lượng liên kết riêng của hạt nhân, ta ký hiệu là ε , về giá trị tuyệt đối bằng tỷ số giữa giá trị tuyệt đối của năng lượng liên kết và tổng số nuclôn của hạt nhân: ε

=ΔM = ZmW/A

Năng lượng liên kết riêng có giá trị tuyệt đối càng lớn thì hạt nhân càng bền vững

Từ

đường cong cho thấy:

- Đối với các hạt nhân nhẹ nhất, năng lượng liên kết riêng tăng nhanh từ 1,1 MeV(12H ) đến 2,8 MeV (13H ) và đạt giá trị 7 MeV (24He)

- Đối với các hạt nhân nặng có A từ 140 ÷ 240 thì năng lượng liên kết riêng giảmdần, nhưng rất chậm từ 8 MeV đến 7 MeV

Hình 2.5.2.2 Đồ thị biểu diễn trị tuyệt đối của năng lượng liên kết riêng theo

số khối A của hạt nhân

- Đối với hạt nhân trung bình với A từ 40 ÷ 140 thì năng lượng liên kết riêng có giá trị lớn nhất nằm trong khoảng (8 ÷ 8,6) MeV Điều đó giải thích tại sao các hạt nhân trung bình lại bền vững nhất.

Vì hầu hết mọi hạt nhân đều có năng lượng liên kết riêng trong khoảng (7 ÷ 8,6) MeV nên có thể coi giá trị trong khoảng đó là không đổi và gọi là giá trị bão hòa Giá trị bão hòa của năng lượng liên kết riêng được giải thích là do tác dụng ngắn và tính bão hòacủa lực hạt nhân (mỗi nuclôn chỉ tương tác với một số giới hạn các nuclôn lân cận) Còn

sự giảm chậm của năng lượng liên kết riêng trong các hạt nhân nặng là do năng lượng tương tác đẩy Culông tăng lên khi tăng số prôtôn

Lực hạt nhân có đặc tính bão hòa: Mỗi nuclôn chỉ tương tác với một số nuclôn khác lân cận chứ không tương tác với tất cả các nuclôn trong hạt nhân Vì nếu mỗi nuclôntương tác với tất cả các nuclôn khác trong hạt nhân thì năng lượng liên kết tỷ lệ với A(A -1), tức là tỷ lệ với A2, trong khi kết quả thực nghiệm cho thấy năng lương này chỉ tỷ lệ với A

Lực hạt nhân là lực chỉ tác dụng ở khoảng cách bé Bán kính tác dụng của lực này chỉ cỡ 1fm (=10-15m), tức là cỡ bán kính hạt nhân Ở khoảng cách lớn hơn, tương tác Coulomb chiếm ưu thế rõ rệt

Cơ chế tương tác hạt nhân là sự trao đổi hạt trung gian gọi là piôn giữa các nuclôn Các nuclôn luôn luôn hấp thụ và truyền cho nhau hạt piôn, ký hiệu: π Có 3 loại piôn mang điện khác dấu và trung hòa điện, ký hiệu: π± và πo.

Các đặc trưng của piôn:

2.7 Các mẫu hạt nhân

Hiện nay chưa có một lý thuyết nào về hạt nhân có thể giải thích đầy đủ các tính chất của hạt nhân vì chưa biễu diễn một cách tường minh bằng toán học bản chất của lực hạt nhân Vì vậy các nhà vật lý đã đưa ra các mẫu khác nhau về hạt nhân Mỗi mẫu hạt nhân cho phép ta giải thích đúng đắn về một số tính chất của hạt nhân hoặc của một số hạt nhân nào đó, quan trọng là những kết quả rút ra từ những mẫu đó có phù hợp với các

số liệu thực nghiệm không

Hai mẫu hạt nhân điển hình là mẫu giọt hạt nhân và mẫu lớp hạt nhân (còn gọi là mẫu vỏ hạt nhân)

2.7.1 Mẫu giọt hạt nhân

Trong tất cả các mẫu hạt nhân, mẫu giọt là mẫu đơn giản nhất, mẫu giọt do N.Bohr

đề ra năm 1936 Mặc dù đơn giản nhưng mẫu giọt được ứng dụng có kết quả trong việc giải thích nhiều tính chất của hạt nhân và phản ứng hạt nhân

Một số tính chất của hạt nhân tương tự

tính chất của một giọt chất lỏng: Giọt chất

lỏng có dạng hình cầu Giữa các phân tử chất

Hình 2.7.1: Giọt chất lỏng

lỏng có các lực tác dụng ở khoảng cách ngắn Mỗi phân tử của chất lỏng chỉ tác dụng với các phân tử nằm gần nó Các phân tử chuyển động hỗn loạn và thường xuyên va chạm vào nhau Các phân tử ở bề mặt chỉ tác dụng lên các phân tử nằm phía bên trong chất lỏng, do đó xuât hiện sức căng mặt ngoài Mật độ chất lỏng không phụ thuộc kích thước giọt chất lỏng Các tính chất như vậy cũng có ở hạt nhân nếu thay thế các phân tử và lực phân tử bằng các nuclôn và lực hạt nhân Do đó, theo mẫu giọt, hạt nhân giống như một giọt chất lỏng Các nuclôn chuyển động hỗn loạn và luôn luôn va chạm vào nhau Mỗi khi va chạm, các nuclôn trao đổi với nhau năng lượng và xung lượng Nhờ có một lực hútmạnh, giọt hạt nhân giữ được nguyên hình dạng của nó

Khi hạt nhân nhận được một năng lượng nào đó, nó chuyển sang một trong các trạng thái kích thích

Do các nuclôn thường xuyên va chạm nhau, chúng trao đổi cho nhau năng lượng và xung lượng Có thể xảy ra trường hợp năng lượng được tập trung cho một hạt ở bề mặt (một nuclôn hay một hạt α) Nếu năng lượng này lớn hơn năng lượng liên kết của hạt nhân thì hạt này sẽ bức xạ ra khỏi hạt nhân, giống như sự bốc hơi ở giọt chất lỏng Tuy nhiên, khác với giọt chất lỏng, hạt nhân có thể quay về trạng thái cơ bản và phóng xạ ra những lượng tử γ nào đó

Như vậy từ mẫu giọt cho phép ta tính được khá chính xác khối lượng và năng lượng liên kết của hạt nhân Ngoài ra mẫu giọt còn giúp giải thích được cơ cấu phản ứng hạt nhân hợp phần của N.Bohr: Hạt nhân khi bắt n hay p sẽ ở trạng thái kích thích một thời gian khá lâu rồi mới phân rã, giống như trạng thái bay hơi chậm của các phân tử chất lỏng ở nhiệt độ thấp.

Mẫu giọt cũng cho phép giải thích quá trình phân hạch của hạt nhân nặng: Nuclôn khi xuyên thâu vào giọt hạt nhân, sẽ gây ra các dao động làm cho hạt nhân bị biến dạng Lực đẩy Culông giữa các prôtôn có khuynh hướng làm hạt nhân biến dạng mạnh thêm; trái lại lực căng mặt ngoài lại có khuynh hưóng đưa hạt nhân trở về trạng thái ban đầu Nếu điện tích Z của hạt nhân càng lớn thì lực đẩy Culông càng mạnh, các dao động biến dạng càng tăng và hạt nhân sẽ dễ dàng biến thành hai mảnh.

Tuy nhiên mẫu giọt không giải thích được:

Hình 2.7.2.1 Sơ đồ các lớp êlectrôn trong nguyên tử Các lớp nuclôn trong hạt nhân được sắp xếp tương tự như vậy.

Tại sao các hạt nhân có số p hay n là các số magíc (2, 8, 20, 50, 82, 126) lại rất

bền vững và tồn tại phổ biến trong tự nhiên?

Tại sao xác suất bắt nơtrôn của hạt nhân đó lại rất bé ?

Tại sao khi hạt nhân Uran vỡ thành hai mảnh không bằng nhau, lại có xác

suất lớn để một mảnh có 50 nơtrôn và một mảnh có 82 nơtrôn ?

Những vấn đề đó sẽ được mẫu lớp (vỏ) giải thích

2.7.2 Mẫu lớp (vỏ) hạt nhân

Mẫu lớp căn cứ vào tính chất bền vững của các hạt nhân magic Các nhân magic lặp

lại tuần hoàn với các số magic của prôtôn 2, 8, 20, 50, 82 và với các số magic của nơtrôn

2, 8, 20, 50, 82 và 126 So sánh các tính chất hóa học của nguyên tố với các tính chất của

hạt nhân thì thấy tính chất hóa hack của các nguyên tố lặp lại tuần hoàn theo giá trị Z tăng

còn tính chất magic của hạt nhân lại theo giá trị A tăng

Sự lặp lại một cách tuần hoàn tính chất magic như vậy dẫn đến ý tưởng thành lập

mẫu lớp Theo mẫu lớp, các nuclôn trong hạt nhân nhóm lại thành từng lớp Mỗi lớp chỉ

chứa một số nhất định các nuclôn theo nguyên lý loại trừ Pauli Số nuclôn tăng dần và lấp

đầy lớp thứ nhất, rồi tiếp tục chuyển sang lớp thứ hai và lấp đầy lớp này,…

Tính chất magic thể hiện khi hạt nhân có lớp ngoài cùng bị lấp đầy Hạt nhân 24He

có lớp nuclôn ngoài cùng là lớp nuclôn đầu tiên bị lấp đầy, hạt nhân 168O có lớp nuclôn ngoài cùng là lớp nuclôn thứ hai bị lấp đầy

Theo mẫu lớp, mỗi nuclôn chuyển động trong trường tạo bởi các nuclôn còn lại giống như electron trong nguyên tử chuyển động trong trường tạo bởi hạt nhân và các electron còn lại Khi được kích thích, một hay vài nuclôn chuyển lên các mức kích thích Khi chuyển về trạng thái cơ bản, chúng giải phóng ra các lượng tử γ

và có thể phân rã thành nhiều cách khả dĩ Chẳng hạn có 3 cách khả dĩ tạo thành hạt nhân

20Ne* và 3 cách khả dĩ mà nó có thể phân rã:

Hình 3.1 Ba kiểu tạo thành hạt nhân hợp phần Ba kiểu phân rã

Một kiểu bất kỳ trong ba kiểu tạo thành hạt nhân đều có thể dẫn tới một kiểu phân

rã bất kỳ trong ba kiểu nói trên

3.2 Các định luật

3.2.1 Định luật bảo toàn số nuclôn (Số khối A)

Tổng số nuclôn của các hạt nhân trước và sau phản ứng bằng nhau

3.2.2 Định luật bảo toàn điện tích (nguyên tử số Z)

Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm

3.2.3 Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần

Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổng năng lượng của các hạt sản phẩm

3.2.4 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

3.3 Phân loại

3.2.1 Phân loại theo hạt nhân tới, hạt nhân bay ra và hạt nhân lùi

- Phản ứng tán xạ: hạt tới và hạt bay ra giống nhau

A + a → A + a+ Nếu hạt nhân lùi nằm ở trạng thái năng lượng cơ bản: tán xạ đàn hồi

+ Nếu hạt nhân lùi nằm ở trạng thái năng lượng kích thích: tán xạ không đàn hồi

- Phản ứng trực tiếp: Hạt đạn tới lấy nuclôn của hạt nhân bia (phản ứng bắt) hoặcnhường nuclôn cho hạt nhân bia (phản ứng nhường) → Hạt đạn có năng lượng cao đếnbắt hoặc nhường nuclôn ở lớp ngoài của hạt nhân mà không làm nhiễu loạn các nuclônkhác trong hạt nhân

3.2.2 Phân loại phản ứng hạt nhân theo điều kiện xảy ra

* Phản ứng hạt nhân tự phát: Quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền

- Phản ứng thu năng lượng: mtrước < msau Điều này có nghĩa là muốn thực hiện được phản ứng loại này phải cung cấp cho hệ một năng lượng đủ lớn.

- Phản ứng tỏa năng lượng: mtrước > msau Với loại này, có thể chia thành:

+ Phản ứng phân hạch: là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn

+ Phản ứng nhiệt hạch: là phản ứng trong đó hai hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn

3.4 Nơtrôn

3.4.1 Lịch sử dẫn đến hạt nơtrôn

Dự đoán về thành phần cấu tạo hạt nhân gồm có hạt proton mang điện tích dương

và một hạt nữa không mang điện đã được nhà vật lý học người Nga Ivanhencô nêu ra từ những năm 1930 Và mãi tới năm 1932, người ta mới xác nhận được sự tồn tại của hạt này thông qua việc nghiên cứu các phản ứng hạt nhân nhân tạo

Lúc đầu hai nhà vật lý người Đức là Bôzơ và Bêchcơ (Botho - Becker), phát hiện thấy khi dùng chùn hạt α để bắn phá các hạt nhân Bêrili 49Be thì thấy xuất hiện một tia không nhìn thấy có khả năng đâm xuyên cực mạnh mà lúc đầu tưởng là tia γ cứng (tia γ

có năng lượng lớn) theo phản ứng:

 *

2He 4Be 6C  6C

Nhưng sau đó Iren và Giôlio Quiri lặp lại thí nghiệm trên và thấy tia phóng xạ này

có thể làm bật ra những proton có năng lượng cỡ 6MeV và tầm bay tới

26cm trong không khí, khi đã cho tia này đi qua lớp paraphin Hiện tượng này lúc đầu được giải thích bằng hiệu ứng Conpton Nhưng dựa vào định luật bảo toàn năng lượng dễdàng nhận ra được, phản ứng này không thoả mãn định luật bảo toàn năng lượng

Cũng năm 1932 Chadwick (James Chadwick là nhà vật lý người Anh, ông đã nhận giải Nobel vật lý năm 1935 với việc phát hiện ra hạt neutron trong hạt nhân nguyên tử) đãchứng minh trong phản ứng trên đã sinh ra một hạt không mang điện, và có khối lượng gần bằng với khối lượng của proton, đó là hạt nơtron (kí hiệu 01n) (tên nơtron là do Rudopho đặt trước đó) Vì vậy phương trình phản ứng trên được viết lại như sau:

2He4Be 6C0n

Theo định luật bảo toàn năng-khối lượng, phản ứng trên cho thấy nơtron được giải phóng ra với năng lượng cỡ 6MeV và sau đó va chạm với proton chứa trong paraphin, truyền toàn bộ năng lượng của nó cho proton: Giả thuyết hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Sự phát hiện ra nơtron đã làm hoàn thiện về lí thuyết thành phần cấu tạo hạt nhân Vai trò của nơtron cũng tương đương như proton bên trong hạt nhân với ý nghĩa là một thành phần của hạt nhân: hạt nuclon

Phổ năng lượng của nơtrôn tạo bởi nguồn trên là phổ liên tục, có giá trị từ 1 – 13MeV; trung bình năng lượng của nơtrôn là 4 – 5MeV

b) Chiếu lượng tử γ (từ các hạt nhân phóng xạ tự nhiên) vào nhân bia Bêrili 49Be

hoặc đơn đơtôn D có phản ứng (γ,n) và thu được nơtrôn theo phương trình:

3.4.3 Cách phát hiện ra nơtrôn

Nơtron là hạt không mang điện nên việc phát hiện ra nó phải sử dụng phương pháp gián tiếp, đó là từ nơtron phải tạo ra hạt mang điện, các hạt mang điện này sẽ được phát hiện ra dễ dàng hơn Và đó là nguyên tắc hoạt động của ống đếm nơtron Ống đếm

nơtron là ống đếm chứa đầy hỗn hợp hơi Bo, hoặc là hợp chất rắn của Bo Khi nơtron đi vào ống đếm này, trong ống đếm sinh ra phản ứng 105 B n( , ) 37Livà sự ion hóa do hạt α gây

ra được ghi nhận

Va chạm giữa hạt nơtron và một hạt nhẹ mang điện, như là proton, cũng có thể làm

cơ sở cho việc phát hiện ra nơtron

Các phương pháp khác để phát hiện nơtron là dựa vào sự phóng xạ của phản ứng

bắt bức xạ nơtron Ví dụ nơtron bị hạt nhân

3.4.4 Vai trò của nơtrôn

Trước khi tìm thấy nơtron, thì trong các phản ứng hạt nhân, người ta chỉ dùng các hạt đạn mang điện như α, π, δ,… Nhược điểm chính của các hạt đạn này là chúng chịu lực cản Culông khi tiến dẫn tới các hạt nhân bia nên hạn chế khả năng xuyên sâu vào bên trong hạt nhân, dẫn tới làm giảm tiết diện hiệu dụng của phản ứng hạt nhân

Với hạt nơtron thì nhược điểm trên được khắc phục vì hạt nơtron không mang điện, không chịu lực cản Culông và dễ dàng xuyên sâu vào trong hạt nhân Sự bắt nơtron có thể xảy ra khi một nơtron có năng lượng tuỳ ý va chạm với một hạt nhân Chính vì vậy, sau khi phát hiện ra hạt nơtron thì hàng loạt các phản ứng hạt nhân được thực hiện và từ

đó đã làm xuất hiện vô số các đồng vị phóng xạ mới, mở ra một hướng nghiên cứu thực

nghiệm để giải thích lý thuyết về cấu trúc hạt nhân Ngày nay đã có một ngành vật lý nơtron riêng biệt.

Các phản ứng do nơtron gây ra rất đa dạng Ví dụ:

- Phản ứng bắt bức xạ: Nơtron bắn vào hạt nhân bia và bị bắt, hạt nhân tạo thành

Hầu hết các hạt nhân của các đồng vị được sinh ra trong phản ứng hạt nhân là những đồng vị phóng xạ Và chúng được gọi là các đồng vị phóng xạ nhân tạo, mục đích

là để phân biệt các chất phóng xạ tự nhiên

Những đồng vị phóng xạ nhân tạo chủ yếu là phân rã β và γ, rất ít khi phân rã α Ngoài ra trong các hạt nhân đồng vị phóng xạ nhân tạo còn có một loại phân rã đặc biệt

mà ít khi thấy trong phân rã tự nhiên đó là phân rã β+ Hạt nhân đồng vị phát ra hạt pôzitron mang điện tích dương và sau này được biết nó là phản hạt của hạt electron Các hạt pôzitron đã được Anđecsơn phát hiện vào năm 1932 trong tia vũ rụ, ở đó chúng được tạo thành do quá trình sinh cặp: một photon phân rã thành cặp electron - pôzitron

Phản ứng hạt nhân tạo ra pôzitron do Giôliô Quiri thực hiện đầu tiên vào năm 1934

Các phản ứng bắy nơtron cũng là nguồn cung cấp các đồng vị phóng xạ nhân tạo, những đồng vị này thường phóng xạ β-.

- Phản ứng quang hạt nhân là loại phản ứng trong đó hấp thụ tia γ dẫn đến sự phân rã của hạt nhân hấp thụ và các hạt nhân sản phẩm và đó cũng là những đồng vị phóng xạ nhân tạo:

Các hạt mang điện là những hạt được gia tốc tốt nhất nó có thể là electron, proton, đơton hoặc những ion dương Các máy gia tốc hạt gồm có hai loại máy gia tốc chính đó là: Máy gia tốc thẳng và máy gia tốc tròn

Loại máy này khác với máy gia tốc thẳng là sau mỗi vòng tròn hạt mang điện lại được tăng tốc một lần, và mỗi lần tăng tốc các hạt được nhân thêm năng lượng, như vậy hạt quay được bao nhiêu vòng thì điện thế tăng tốc lại sử dụng được bấy nhiêu lần Vấn

đề kỹ thuật cơ bản ở đây là phải đảm bảo và duy trì sự đồng bộ giữa chu kỳ quay của hạt với sự đổi chiều phù hợp của điện thế tăng tốc Công thức của lực từ (lực Lorenxơ) tác dụng lên hạt mang điện tích dương q (trường hợp q chuyển động theo hướng vuông góc với các đường sức từ):

2

mv Bqv

r

v m

m

Khi vận tốc chuyển động của hạt còn nhỏ, hiệu đối ứng tương đối tính chưa xuất hiện, thì chu kì của nguồn phù hợp với chu kì quay của hạt Nhưng khi vận tốc đủ lớn sẽ xuất hiệu ứng tương đối tính, lúc này chu kì quay của hạt không phù hợp với chu kỳ quaycủa điện trường nữa (do khối lượng của hạt thay đổi) Vì vậy không thể gia tốc hạt với vận tốc quá lớn trong các máy gia tốc thông thường

Becquerel (1852-1908) Nhà vật lý người Pháp giải Nobel năm 1903

Hình 3.4.5.2 Sơ đồ máy gia tốc tròn

Để khắc phục khó khăn này có 2 phương pháp:

- Dùng từ trường B biến đổi thích hợp, sao cho m/B là không đổi Khi đó chu kỳ

T không đổi Đó là nguyên tắc của máy gia tốc Xyncrôtrôn

- Thay đổi chu kỳ T của nguồn nuôi để nó phù hợp với chu kỳ quay của hạt Đó

là nguyên tắc của máy gia tốc Phazôtrôn

Để đạt năng lượng cao, cả hai cách trên được kết hợp ở máy xyncrôphazôtrôn

4 Tìm hiểu cụ thể một số phản ứng hạt nhân

4.1 Phóng xạ

4.1.1 Định nghĩa

Nhà vật lý người Pháp

Antoine Henri Becquerel là người

đầu tiên khám phá ra hiện tượng

phóng xạ vào năm 1896, khi ông

phát hiện từ muối Urani phát ra

những tia không trông thấy, nhưng

lại có khả năng xuyên qua các lớp

vật chất không trong suốt, ion hóa

Marie Curie (1867-1934) Nhà vật lý người Pháp giải Nobel Vật lý năm 1903 và hóa học năm 1911

Pierre Curie (1859-1906) Nhà vật lý người Pháp giải Nobel năm 1903

được không khí, tác dụng lên kính và phim ảnh, hoặc gây ra sự phát quang đối với một số

chất, ông gọi đó là hiện tượng phóng xạ

Định nghĩa: Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự

phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác

Tia phóng xạ không nhìn thấy nhưng có những tác dụng lý hoá như ion hoá môi trường, làm đen kính ảnh, gây ra các phản ứng hoá học

4.1.2 Đặc điểm

Hiện tượng phóng xạ hoàn toàn do các nguyên nhân bên trong hạt nhân gây ra, không hề phụ thuộc vào các yếu tố lý hoá bên ngoài (nguyên tử phóng xạ nằm trong các hợp chất khác nhau có nhiệt độ, áp suất khác nhau đều xảy ra phóng xạ như nhau đối với cùng loại)

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng rất phổ biến đối với hạt nhân nguyên tử Quá trình phóng xạ là quá trình phân rã hạt nhân nguyên tử tiến hành một cách tự phát Trong quá trình phóng xạ đó hạt nhân đồng vị này phát ra những hạt hoặc tia phóng xạ và biến thành hạt nhân đồng vị khác Những hạt nhân đồng vị có thể có sẵn trong thiên nhiên (phóng xạ tự nhiên ) hoặc thu được một cách nhân tạo bằng phản ứng hạt nhân (phóng xạnhân tạo)

Hiện tượng phóng xạ tiếp tục được nhiều nhà bác học khác nghiên cứu, trong đó phải kể đến sự đóng góp to lớn của hai vợ chồng nhà bác học Mari và Pie Quiri

Năm 1898 hai ông bà đã tìm ra hai chất phóng xạ mới là Pôlôni (Po) và Rađi (Ra)

có tính phóng xạ mạnh hơn nhiều so với Urani Tiếp theo, người ta lần lượt tìm thấy hàngchục chất phóng xạ khác như Thôri, Actini, Neptuni, … Cho đến nay, đã thu được các số liệu thực nghiệm khổng lồ về các trạng thái năng lượng và sơ đồ phân rã của hàng nghìn hạt nhân đồng vị, giúp con người hiểu biết những vấn đề quan trọng về cấu trúc và các tính chất của các hạt nhân Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng

xạ đã xác nhận sản phẩm phân rã phóng xạ của hạt nhân gồm các tia phóng xạ

Các tia phóng xạ đều có những 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 α ion hóa chất khí mạnh nhất nhưng xuyên thâu kém, tia β ion hóa chất khí yếu hơn nhưng xuyên thâu mạnh hơn, tia γ có thể coi không ion hóa chất khí nhưng xuyên thâu mạnh nhất)

Tia α Tia β Tia γ

Tớ bìa dày 1mm

Lá nhôm dày vài mm

Tấm bêtông dày vài mét

Hình 4.1.2 Khả năng xuyên thấu của các tia phóng xạ qua vật chất

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 trạng thái năng lượng thấp hơn Thành thử quá trình biến đổi phóng xạ chỉ có thể xảy ra nếu khối lượng tĩnh hạt nhân xuất phát lớn hơn tổng khối lượng tĩnh của các sản vật sinh ra do biến đổi phóng xạ Ví dụ phản ứng phân rã α chỉ xảy ra nếu:

4.1.3 Định luật phóng xạ

4.1.3.1 Định luật phóng xạ

Trong một quá trình phân rã phóng xạ, một hạt nhân, thường là không bền gọi là hạtnhân mẹ phát ra tia phóng xạ và biến đổi thành một hạt nhân con Hạt nhân con cũng có thể là hạt nhân mẹ ở trạng thái năng lượng thấp hơn (trường hợp phân rã γ) hoặc là một hạt nhân mới (phân rã α và β) Dù khác nhau về loại tia phóng xạ, các quá trình phân rã hạt nhân đều tuân theo một định luật đó là định luật phóng xạ

Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân phóng xạ chưa phân rã là N Sau thời gian dt số đótrở thành N - dN vì có dN hạt nhân đã phân rã Độ giảm số hạt nhân chưa phân rã (- dN)

t

dN N N N

Ta thấy số hạt nhân phân rã giảm theo thời gian với quy luật hàm số mũ

Định luật: Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo quy luật hàm mũ.

(1)

Vì khối lượng tỉ lệ với số hạt nên khối lượng m của chất phóng xạ cũng giảm theo thời gian, cùng với quy luật như số hạt nhân N:

m m e 0 t

Phương trình N N e0 t

không phải là phương trình cho giá trị xác định mà là mộtphương trình có tính chất thống kê, nó cho biết số hạt nhân mẹ N hy vọng còn tồn tại ở thời điểm t

4.1.3.2 Chu kỳ bán rã T và thời gian sống τ

Tốc độ phân rã của một mẫu phóng xạ cho trước, thường được xác định thông qua chu kỳ bán rã T, đó là thời gian để cho một nửa số hạt nhân bị phân rã

Đặt t = T trong (1) tương ứng với :

nhân, sau thời gian T còn lại