Bài giảng Chương 1 Sơ lược về vật lý hạt nhân và vật lý nơtron PGS.TS Nguyễn Nhị Điền

Vật lý hạt nhân và vật lý nơtron tài liệu gồm 2 phần: Phần 1 những kiến thức cơ bản về vật lý hạt nhân, phần 2 tương tác của nơtron với vật chất. Mời các bạn tham khảo Vật lý hạt nhân và vật lý nơtron tài liệu gồm 2 phần: Phần 1 những kiến thức cơ bản về vật lý hạt nhân, phần 2 tương tác của nơtron với vật chất. Mời các bạn tham khảo

Chương 1

SƠ LƯỢC VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ

VẬT LÝ NƠTRON PGS TS Nguyễn Nhị Điền

Đà Lạt, 2014

Phần 1

NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN

VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN

 Phát hi ện ra tia X:

+ Năm 1895, Wilhelm Roentgen phát

hiện ra tia X-rays mà ngày nay đi

vào lịch sử ứng dụng của ngành y

học.

 Phát hi ện ra tia bức xạ:

+ Năm 1896, Henri Becquerel phát

hiện ra tia bức xạ đặc biệt (tia phóng

xạ) của Uranium làm đen kính ảnh.

 Phát hiện ra electron e - :

+ Năm 1897, J Thomson tìm ra hạt

sơ cấp đầu tiên, là hạt electron

trong thành phần tia cathode.

1 Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân:

1 Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân:

+ Năm 1902, Ernest Rutherford giải

thích hiện tượng phân rã phóng xạ.

 Tìm ra nguyên tố phóng xạ:

+ Năm 1898, Marie và Pierre Curie

tìm ra nguyên tố phóng xạ Radium

và Polonium.

+ Năm 1905, thuyết tương đối của

Albert Einstein ra đời, ông đã tìm ra mối

liên hệ giữa năng lượng E và khối lượng m

của vất chất.

E = mc 2 với c = 3.10 8 m/s

+ Một hạt có khối lượng rất bé có thể chuyển thành một năng lượng cực kỳ lớn  Ngành Năng lượng hạt nhân ra đời.

+ Vật lý hạt nhân đã sử dụng triệt để 2 tư tưởng của vật lý hiện đại là tính lượng tử và tính tương đối.

1 Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân:

• Bức xạ ion hoá:

•Là loại bức xạ có khả năng tạo ra sự ion hoá môi trường vật chất mà nó đi qua.

•Tia X, tia gamma: bức xạ điện từ có bước sóng ngắn

•Tia alpha, beta: hạt mang điện

•Nơtron: là hạt trung hòa, không mang điện

•Tia X phát ra từ cấu trúc điện tử của nguyên tử

• Tia gamma, beta, alpha phát ra do các quá trình biến đổi của hạt nhân

•Nơtron: là hạt không mang điện, cùng với proton tạo

thành hạt nhân của nguyên tử.

2 Bức xạ ion hoá và tương tác của bức xạ với vật chất:

6

• Tia alpha là hạt mang điện

tích d ương nên l ệch về phía

cực âm của điện trường Điện

tích hạt α gấp 2 lần điện tích

của hạt proton, có khối lượng

bằng khối lượng của nguyên

tử heli Vận tốc khoảng

20.000 km/s.

• Tia beta mang điện tích âm

nên lệch về phía cực dương

của điện trường, đó là các hạt

electron Vận tốc khoảng

100.000 km/s

• Tia gamma là bức xạ điện từ,

không lệch về cực nào của

điện trường, có bản chất như

2 Bức xạ ion hoá và tương tác của bức xạ với vật chất:

 Tương tác của hạt alpha và

bêta với vật chất:

• là các hạt mang điện nên gây

ion hoá mạnh

• nhanh chóng mất năng lượng

khi tương tác nên khả năng

xuyên sâu kém Một tờ giấy đủ

ngăn chùm hạt alpha năng

lượng 1.5 MeV

 Tương tác của nơtron với vật chất:

- tán xạ, mất năng lượng dần, đặc biệt đối với nguyên tố nhẹ.

- kích hoạt nơtron: bị hấp thụ bởi hạt nhân tạo thành đồng vị phóng xạ và phát các bức xạ

gamma, bêta, alpha.

- kích hoạt nơtron là cách để tạo ra đồng vị phóng xạ trong Lò phản ứng hạt nhân

59 Co(n, γ) 60 Co

8

 Tương tác của tia X và tia

năng lượng cho điện tử.

• tạo cặp: tương tác với

trường điện từ của hạt

nhân, tạo cặp

electron-positron.

• Khả năng xuyên sâu lớn. I = B Io exp(-µ.d.x) Cần che chắn bằng vật liệu

nặng.

9

- Năm 1911, mẫu nguyên tử có hạt nhân của E Rutherford

ra đời, đánh dấu thời điểm khởi đầu của Vật lý HN (dùng hạt alpha bắn phá nguyên tử, phát hiện sự tồn tại hạt nhân kích thước cỡ 10 -12 cm).

- Nguyên tử gồm: Hạt nhân & các điện tử (J Thomson đã tìm ra hạt e - từ năm 1897)

- Hạt nhân gồm: Các proton (p) và các nơtron (n), hay còn gọi chung là các hạt nucleon (giả thuyết của Ivanenko &

Heisenberg năm 1932).

- Proton có điện tích dương (Rutherford tìm ra năm 1914)

tìm ra năm 1932)

3 Cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân:

 (A = Z + N).

Nguyên tử

động trên các quỹ đạo xung quanh hạt nhân

Tổng số các proton trong hạt nhân gọi là nguyên tử số (atomic number) của nguyên tử và ký hiệu là Z.

Số neutron trong hạt nhân ký hiệu là N Tổng cộng số

nucleon trong hạt nhân là A = Z + N, gọi là số khối của

nguyên tử (atomic mass number)

Các nguyên tử mà hạt nhân của nó có cùng số proton nhưng khác số neutron gọi là các đồng vị (isotopes)

Ví dụ: Oxygen có 3 đồng vị bền (stable isotopes) là 16 O, 17 O, 18 O

và 5 đồng vị không bền hay gọi là đồng vị phóng xạ

(radioactive isotopes) 13 O, 14 O, 15 O, 19 O và 20 O

Đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit), viết tắt là amu, bằng 1 phần 12 khối lượng của nguyên tử 12 C trung hòa, tức là:

1 amu = (1/12) x m ( 12 C) = 1.66053.10 -27 kg (1.1)

4 Bán kính của hạt nhân và nguyên tử:

Bán kính trung bình của nguyên tử, trừ một vài nguyên tử nhẹ nhất, khoảng 2.10 -8 cm Hạt nhân được xem như hình cầu có bán kính theo công thức:

Am

3 0

p

3 0

p

πr 3 4 m

5 Khối lượng và năng lượng:

Theo công thức của A Einstein’s:

m

−

2 2

0/cv1

6 Năng lượng liên kết:

Độ hụt khối (mass defect):

với m p và m n là khối lượng của proton và neutron tương ứng,

và M(Z, A) là khối lượng của hạt nhân đó.

Sự tương đương năng lượng của độ hụt khối được gọi là năng lượng liên kết (binding energy) E B của hạt nhân:

Hình 1.1 Năng lượng liên kết của mỗi nucleon là hàm

của số khối nguyên tử A.

2 0

0 10 20 30 A

ε = (MeV)

A

EB

Từ Hình 1.1 cho thấy rằng, đường cong của ε tăng theo A từ 1 đến khoảng 50 và sau đó là biến thiên theo hàm giảm khi A tăng.

Tính chất này của đồ thị năng lượng liên kết là rất quan trọng trong việc xác định các nguồn có thể của năng lượng hạt nhân.

Các hạt nhân mà có năng lượng liên kết của mỗi nucleon lớn là những hạt nhân đặc biệt bền hoặc được bao rất chặt.

Hình 1.1 cũng chỉ ra rằng hạt nhân trung bình là bền vững nhất, trong khi đó hạt nhân nhẹ và hạt nhân nặng lại kém bền hơn Như vậy, năng lượng liên kết có thể được giải phóng hoặc

là từ hạt nhân nhẹ do tổng hợp nhiệt hạch (fusion) hoặc từ hạt nhân nặng do phân hạch hạt nhân (fission).

Ta hãy xem xét một ví dụ về sự phân hạch của hạt nhân

238 U Năng lượng liên kết của mỗi nucleon của 238 U là khoảng 7.5 MeV , trong khi nó vào khoảng 8.4 MeV đối với hạt nhân có số khối A = 119 (tức là 238/2) Như vậy, nếu hạt nhân Uranium tách thành 2 hạt nhân nhẹ hơn với khối lượng mỗi hạt bằng một nửa khối lượng của Uranium, thì có

sự tăng năng lượng liên kết của hệ.

Năng lượng liên kết trước phản ứng là 7.5 MeV Năng lượng liên kết sau phản ứng là 8.4 MeV Độ hụt khối là 0.9 MeV cho mỗi nucleon Độ hụt khối toàn phần là 238 × 0.9 MeV = 214 MeV  Cho bức tranh gần như giá trị 200 MeV giải phóng khi có một phân hạch 235 U.

 Năng lượng liên kết khác nhau trước và sau khi phân hạch ~ 0.9 MeV / nucleon

 238 nucleons giải phóng ~200 MeV.

7 Phân rã phóng xạ và các loại phóng xạ có trong môi trường sống:

– Năm 1902, Ernest Rutherford

giải thích hiện tượng phân rã

phóng xạ.

– Các biến đổi hạt nhân kèm

theo phát bức xạ gamma,

alpha, beta.

– Chu kỳ bán hủy T 1/2 là khoảng

th ời gian hoạt độ nguồn giảm

còn một nửa.

– Đơn vị năng lượng bức xạ là

eV, keV, MeV.

T 1/2 = 30,17 năm T 1/2 = 5,27 năm

21

Phóng xạ có trong môi trường sống của con người có

Mạch phân rã phóng xạ của 238 U, 235 U và 232 Th.

 Phóng xạ tự nhiên gia tăng do các ngành Công nghiệp phi hạt nhân:

+ Thăm dò và khai thác dầu khí:

♦ Hàm lượng các ĐVPX 226 Ra, 228 Ra ở mức cao trong nước thành tạo địa chất

♦ Khi khoan thăm dò và khai thác, quá trình đồng kết tủa sunfat kép

Ba - Ra gia tăng → tăng mức phóng xạ trong nước, đặc biệt là trong trầm tích biển:

BaSO4 (trong dung dịch khoan, trong nước biển) + 226,228 Ra →

Ba(Ra)SO4 ↓ → Trầm tích, hải sản.

+ Sản xuất và sử dụng phân bón phốt phát

+ Sản xuất nhiệt điện dùng than

+ Vận chuyển của các ĐVPX tự nhiên do sông chảy qua vùng mỏ Uran.

5

24

Phóng xạ nhân tạo

– N ăm 1934, các đồng vị phóng xạ nhân tạo của

phosphor và nitơ đã được tạo ra khi chiếu nhôm và

Bo bằng hạt alpha của nguồn polonium bởi

Frederic Joliot và Iren Curie.

– Phát minh này đã mở ra kỷ nguyên của phóng xạ nhân tạo.

– Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Ci, 1 Ci = 37 GBq

– Bq là số phân rã trong 1 giây.

Các bội số của Bq: kBq (Kilo, E+3), MBq (Mega, E+6), GBq (Giga, E+9), TBq (Tera, E+12), PBq (Peta,

E+15), Ebq (Exa, E+18)

25

Nước Số vụ thử Công suất (Mt)

Khí quyển Dưới đất Tổng Khí quyển Dưới đất Tổng

Đặc trưng các vụ thử hạt nhân trên thế giới (UNSCEAR, 2000)

1 Do các vụ thử hạt nhân

Đặc trưng các vụ thử hạt nhân trong khí quyển (UNSCEAR, 2000)

Vị trí thử Số

vụ thử

Cơng suất (Mt) Cơng suất phân hạch (Mt)

Phân hạch Tổng hợp Tổng cộng lắng cục Gây rơi

bộ

Gây rơi lắng đối lưu

Gây rơi lắng bình lưu

Số và công suất các vụ thử hạt nhân trên thế giới (UNSCEAR, 2000)

Một số ĐVPX được sinh ra và phân tán toàn cầu do thử hạt

nhân trong khí quyển:

Đồng vị Chu kỳ bán

rã

Suất phân hạch (%) Năng suất chuẩn

(PBq/Mt)

Lượng phóng thích toàn cầu (PBq)

31

Con ng ười sống trên mặt đất luôn luôn chịu Phóng xạ có

trong môi trường:

 Phóng xạ tự nhiên 40K, U, Th, Be-7, chiếm khoảng 82%

 Phóng xạ nhân tạo, chiếm khoảng 18%, 0.54 mSv/n ăm

-Phông khí quyển: 1.27 mSv/năm

 Giới hạn liều nghề nghiệp:

- Li u hi u d ng to•n thân không vư t quá 20 mSv/năm - trung bình trên

- Li•u hi•u d•ng to•n thân không v••t quá 1 mSv/n•m

- Trong tình hu•ng ••c bi•t, li•u hi•u d•ng • 5 mSv/n•m , nh•ng li•u trung bình trong 5 n•m liên ti•p không v••t quá 1 mSv/n•m.

 Li•u hi•u d•ng to•n thân 1 mS v/n •m < 2,96 mSv/n•m m• con ng••i

luôn b• chi•u do phóng x• có trong môi tr••ng.

Phần 2

TƯƠNG TÁC CỦA NƠTRON

VỚI VẬT CHẤT

1 Các quá trình tương tác của nơtron với hạt nhân

Do nơtron là hạt trung hòa về điện (electrically neutral), nên

nó không bị ảnh hưởng bởi các electron trong nguyên tử

hoặc bởi điện tích dương trong hạt nhân Do vậy, nơtron đi qua đám mây electron của nguyên tử và tương tác trực tiếp với hạt nhân Nghĩa là, nơtron va chạm với hạt nhân chứ

không va chạm với nguyên tử

Nơtron tương tác với hạt nhân bằng 1 trong 6 quá trình

chính sau đây:

1.1 Tán xạ đàn hồi (Elastic scattering): Neutron va chạm vào

hạt nhân, nơtron xuất hiện lại và hạt nhân trở lại trạng thái ban đầu

Trong quá trình này nơtron truyền một phần động năng của

mình cho hạt nhân, hạt nhân không bị thay đổi cấu trúc hoặc trạng thái, chỉ có sự phân bố lại động năng giữa nơtron và hạt nhân, tổng động năng cũng như xung lượng toàn phần của hệ được bảo toàn.

Ký hiệu là X(n, n)X.

 Tán xạ đàn hồi là cơ chế chính trong quá trình làm chậm

neutron trong các lò phản ứng hạt nhân với nơtron nhiệt.

ra một hoặc vài photon γ.

Ký hiệu là X(n, n’)X*.

Trong quá trình này không có sự bảo toàn động năng vì một phần động năng của nơtron tới đã chuyển thành năng lượng kích thích hạt nhân, nhưng vẫn đảm bảo sự bảo toàn năng lượng toàn phần và momen xung lượng

phần sẽ ra khỏi trạng thái kích thích bằng cách phát ra các

photon γ:

Ký hiệu bắt bức xạ là X(n, γ)Y.

1.4 Các phản ứng tạo hạt mang điện (Charged-particle

reactions): Neutron có thể biến mất do các phản ứng hấp thụ (n, α) và (n, p).

Dễ xảy ra đối với các hạt nhân nhẹ (có hàng rào Coulomb

thấp, ít ngăn cản sự phát xạ các hạt mang điện p, α)

Thông thường phản ứng có ngưỡng khá cao ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như 10 B(n, α) 7 Li, 6 Li(n, α) 3 He, 3 He(n, p)

Các phản ứng này dùng để chế tạo các ống đếm nơtron.

1.5 Các phản ứng tạo nơtron (Neutron-producing reactions):

Các phản ứng (n, 2n) và (n, 3n) xẩy ra với hạt nhân kích

thích có năng lượng đủ cao Ngưỡng của phản ứng thường cao trên 10 MeV Phản ứng (n, 2n) là quan trọng trong các lò phản ứng nước nặng hoặc beryllium vì 2 H và 9 Be có các

nơtron bao lỏng lẻo mà dễ dàng bị bứt ra.

Phản ứng phân hạch hạt nhân

1.6 Phân hạch hạt nhân (Fission): Neutron va chạm với hạt nhân làm cho hạt nhân bị phân tách ra 2 hạt nhân mới Phản ứng này là nguồn cơ bản của năng lượng hạt nhân.

Trong những điều kiện nhất định khi

nơtron bị chiếm bởi một vài loại hạt

Một nơtron nào đó có vận tốc v và động năng E va chạm với hạt nhân bia A đứng yên Sau khi va chạm, nơtron bay ra với vận tốc thấp hơn là v’ và động năng là E’, hạt nhân A có vận tốc V nào đó.

Tương quan giữa E’ và E như sau:

1 12

A càng nhỏ, tức là hạt nhân càng nhẹ, thì ε càng nhỏ

so với 1  A =1 thì ε = 0

Từ các công thức (2.1) và (2.2), hạt nhân bia nhẹ hơn thì sẽ mất năng lượng tỷ lệ lớn hơn khi nơtron va chạm với hạt nhân Vì hạt nhân bia là tương đối đối với nơtron, nên khi A = 1 và ε = 0, thì nó có thể mất toàn bộ năng lượng trong một va chạm đơn đối đầu Ta thử tìm các nguyên tố nhẹ mà nơtron có thể bị đưa đến các mức năng lượng nhiệt với số lần va chạm ít nhất có thể.

Số lần va chạm đàn hồi S T để làm chậm nơtron từ 2 MeV đến

0.025 eV được xác định bằng biểu thức sau:

E

E

′ln

S T (sồ lần

va chạm đàn hồi)

Trong phản ứng phân hạch, một hạt nhân nặng, ví dụ uranium,

bị bắn phá bởi nơtron và bị vỡ thành các mảnh, chẳng hạn như

139 Ba và 97 Kr, và giải phóng năng lượng gần 200 MeV Quá trình này cũng kèm theo giải phóng ra các nơtron mới Có 2 loại phân hạch: tự nhiên và do tương tác đem lại

3.1 Phân hạch tự nhiên (Spontaneous fission): Thỉnh thoảng, các hạt nhân nặng phân hạch tự nhiên mà không có sự kích thích

bên ngoài Ví dụ như 235 U và 238 U, chu kỳ bán rã của chúng đối với phân hạch tương ứng là 1.2×10 17 và 5.5 ×10 15 năm Sự phân hạch tạo ra trong các trường hợp này là không đáng kể Tuy

nhiên về bản chất của hiện tượng là quan trọng do có mặt một

tiếp đến có thể sử dụng nó trong trạng thái khởi động Ví dụ của loại phân hạch tự nhiên là nguồn nơtron 252 Cf

xạ của các nơtron bởi 238 U và 232 Th.

3.2 Phân hạch do tác động (Induced fission): Một hạt nhân

vài nơtron năng lượng cao được tạo ra mà làm cho quá trình

239 Pu và 241 Pu có khả năng phân hạch với các nơtron nhiệt năng

Hình 2.1 mô tả tần số tương đối mà với nó các mảnh vỡ hạt

nhân được tạo ra đối với các đồng vị có số khối đặc biệt Trên đường cong sản lượng phân hạch, 2 mảnh vỡ được tạo ra trong mỗi phân hạch Có thể có các số khối 80 và 160, trong khi đó giá trị có thể nhiều nhất là 95 và 140 Các sản phẩm phân hạch đối xứng là rất hiếm có.

Hình 2.1 Sự phụ thuộc của số mảnh vỡ phân hạch đối

với phân hạch 235 U bởi nơtron nhiệt.

70 80 90 100 110 120 130 140 150 A 10

10 10 10 10 1 10

-3

-5 -4

-2 -1

5

5

5 5

5 5

2 2 2 2 2 2

3.4 Sản phẩm phân hạch (Fission products): Hai sản phẩm quan trọng của các phản ứng phân hạch là các đồng vị và các hạt tạo

ra và năng lượng được giải phóng

* Các hạt nhân tạo ra trong phản ứng được gọi là các mảnh vỡ phân hạch Do tỷ lệ nơtron/proton cao của các mảnh vỡ phân

hạch so với hạt nhân bền, nên chúng thường là các chất phóng

xạ Chúng sẽ tiến tới giảm tỷ số n/p bằng cách phân rã liên tiếp (β−, γ), cho tới khi nó đạt ổn định Do sự phân hạch, có khoảng

300 các đồng vị lạ Thời gian bán rã của các mảnh vỡ phân hạch

có thể thay đổi từ một phần của giây đến hàng ngàn năm Một lượng lớn nơtron, gamma và hạt beta cũng được tạo ra trong các phản ứng phân hạch.

* Năng lượng khoảng 200 MeV được giải phóng khi phân hạch hạt nhân Giá trị này phụ thuộc vào hạt nhân phân hạch và các mảnh vỡ phân hạch Với 235 U, sự phân bố gần đúng của năng lượng chỉ ra trong Bảng 2.2.

(MeV) Động năng của các mảnh vỡ phân hạch 169

Năng lượng của các nơtron tức thời 5

Năng lượng của các gamma tức thời 5

Các hạt beta của các mảnh vỡ phân hạch 7

Các gamma của các mảnh vỡ phân hạch 6

Bảng 2.2 Phân bố năng lượng của các sản phẩm phân hạch do phân hạch 235 U bởi nơtron nhiệt.