LUẬN văn sư PHẠM vật lý các vấn đề về NĂNG LƯỢNG hạt NHÂN

Ở đây tôi sưu tập các tài liệu và rút ra những điểm mấu chốt tổng hợpmột cách hệ thống các kiến thức về vấn đề năng lượng nhưng luận văn này tôi chỉ đề cập đến “năng lượng của hạt nhân t

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

* CÁC VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Luận văn tốt nghiệpNgành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

MSSV: 1090232

Lớp: Sư phạm Lý - Tin K35

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Giới hạn của đề tài 2

3 Mục đích của đề tài 2

4 Phương pháp và phương tiện thực hiện 2

5 Các bước thực hiện đề tài 2

Phần NỘI DUNG 3

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN 3

1.1 Sự ra đời của thuyết tương đối hẹp Anhxtanh 3

1.1.1 Khối lượng điện từ của electron 3

1.1.2 Sự tồn tại và tính chất của “ête” 4

1.1.3.Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh 8

1.2 Anhxtanh xây dựng cơ học tương đối tính dẫn đến hệ thức năng – khối lượng 11

1.3 Các hệ quả suy ra từ hệ thức năng – khối lượng Anhxtanh 15

1.3.1 Nguồn năng lượng hạt nhân nguyên tử 15

1.3.2 Năng lượng nghỉ E = m0c2 - cơ năng toàn phần của hạt tự do 15

Chương 2: CÁC ỨNG DỤNG CÔNG THỨC NĂNG – KHỐI LƯỢNG VÀO VIỆC KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NHÂN 17

2.1 Năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng ở hạt nhân 17

2.1.1 Năng lượng liên kết 17

2.1.2 Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 18

2.2 Phân loại hạt nhân: không bền và bền 19

2.3 Quá trình biến đổi hạt nhân bền kèm theo hiệu ứng năng lượng 20

2.4 Thí nghiệm bắn phá hạt nhân bền và phản ứng hạt nhân thu gọn 21

2.4.1 Thí nghiệm của Rutherford 21

2.4.2 Hiệu ứng năng lượng W 22

Chương 3: NƠTRON LÀ LOẠI ĐẠN ƯU VIỆT TRONG VIỆC BẮN PHÁ HẠT NHÂN 24

3.1.3 Phát hiện nơtron 25

3.2 Đo khối lượng hạt nơtron 26

3.3 Các loại phản ứng bắt phá hạt nhân bền bằng đạn nơtron 26

Chương 4: PHÂN HẠCH HẠT NHÂN URANI BẰNG NƠTRON CHẬM 28

4.1 Hiện tượng 28

4.1.1 Năng lượng liên kết và sự phân hạch các hạt nhân 29

4.1.2 Các bức xạ trong quá trình phân hạch 29

4.2 Đặc điểm của phản ứng phân hạch 30

4.3 Những điều kiện để duy trì phản ứng dây chuyền 31

4.4 Lò phản ứng hạt nhân 32

Chương 5: VẤN ĐỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH 35

5.1 Việc không điều khiển phản ứng phân hạch chế tạo bom A 35

5.2 Mục đích chiến tranh 36

5.3 Mục đích hoà bình 39

5.4 Tính ưu việt của nguồn năng lượng phân hạch 41

Chương 6: PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN 43

6.1 Phản ứng nhiệt hạch 43

6.1.1 Năng lượng toả ra khi tổng hợp hạt nhân 43

6.1.2 Phản ứng nhiệt hạt nhân 44

6.2 Nguồn năng lượng mặt trời với chu trình Bethe 46

6.3 Vấn đề chế bom H 48

6.4 Vấn đề điều khiển phản ứng nhiệt hạt nhân 50

6.4.1 Nguyên tắc và cơ chế 50

6.4.2 Những khó khăn và tình hình thực hiện 51

Phần KẾT LUẬN 54

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay con người đã đưa những thành tựu của khoa học kỹ thuật, những phát minh,

phát kiến mới, ứng dụng vào sản xuất, công nghệ, thông tin liên lạc, dịch vụ nhằm phục vụcho cuộc sống con người ngày một tiến bộ hơn Trong đó vật lý học đã góp phần không nhỏcho sự phát triển chung của nền khoa học hiện nay Nó mang tính thiết thực gắn liền vớicông việc phát triển khoa học kỹ thuật của đất nước Trong quá trình phát triển của vật lý,

năng lượng là một từ ngữ rất quen thuộc đối với chúng ta, chưa một ai có thể cho rằng mình

hiểu hết về cội rễ của nó Có rất nhiều sách viết về đề tài này, nhưng vẫn chưa có một quyểnsách nào viết một cách đầy đủ chi tiết để chúng ta tham khảo Về vấn đề năng lượng vẫn còn

là vấn đề làm cho chúng ta phải quan tâm đến nó

Cuối thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21, năng lượng là một trong những nhu cầu bức thiết của đờisống Năng lượng không những được sử dụng trong sản xuất mà còn được sử dụng nhiềutrong cuộc sống hàng ngày của mỗi người và của mỗi gia đình Khi xã hội càng phát triển thìnhu cầu về năng lượng càng tăng Nguồn cung cấp năng lượng ở nước ta phát triển chủ yếuhiện nay là than đá, dầu mỏ, khí đốt và thuỷ năng Ở một số nước kém phát triển nguồn năng

lượng chủ yếu là sinh khối; riêng đối với nước ta về chất đốt thực vật chiếm đa số Với mức

độ khai thác ngày càng cao thì các nguồn năng lượng và nhiên liệu hoá thạch không phải là

vô tận có nguy cơ cạn kiệt trong tương lai Vì vậy vấn đề nghiên cứu sử dụng những nguồn

năng lượng mới đã thu hút mạnh mẽ sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới Một trong

những nguồn năng lượng có nhiều triển vọng là năng lượng hạt nhân Năng lượng hạt nhân

là vấn đề quan trọng hàng đầu và cấp bách đối với sự phát triển của xã hội hiện đại Cáccuộc xung đột tôn giáo, dân tộc ngày nay có thể dẫn đến chiến tranh sát hại hàng loạt nhưchiến tranh hạt nhân Tìm hiểu về vấn đề này không chỉ để mở rộng sự hiểu biết, tiếp cận vớivấn đề thực tế của thời đại Mà nó còn giúp tôi có được kiến thức cơ bản để sau này truyềnthụ cho học sinh tốt hơn vì hạt nhân đã được đưa vào chương trình phổ thông Xuất phát từnhững điều nói trên cho nên tôi quyết định chọn đề tài “vấn đề năng lượng hạt nhân”

2 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Vấn đề năng lượng không những được thể hiện trong thế giới vĩ mô mà còn thể hiệntrong thế giới vi mô Ở đây tôi sưu tập các tài liệu và rút ra những điểm mấu chốt tổng hợpmột cách hệ thống các kiến thức về vấn đề năng lượng nhưng luận văn này tôi chỉ đề cập đến

“năng lượng của hạt nhân trong vật lý học vi mô” mà thôi

3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Trong luận văn này vấn đề năng lượng ở đây sẽ được thể hiện qua việc tìm hiểu cơ chếsản sinh ra nguồn năng lượng phong phú thông qua “thuyết tương đối hẹp” của Anhxtanh

Người ta đã ứng dụng nó vào trong đời sống thực tiễn Nó tạo ra những điều mới lạ ngoài

sức tưởng tượng của con người Đây là điều vui mừng cũng là nỗi lo sợ của nhân loại, tại

sao như vậy? Thì trong phần “ứng dụng” sẽ giải đáp thắc mắc của các bạn Từ đó so sánh để

tìm ra phương án tối ưu trong việc chọn ph ản ứng tạo nguồn năng lượng, điều khiển và sửdụng nó Đồng thời dự kiến tương lai của ngành kỹ thuật hiện đại này

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN

Đề tài đi sâu nghiên cứu về các vấn đề về nguồn năng lượng hạt nhân, về sự ra đời

cũng như là các ứn g dụng của nguồn năng lượng hạt nhân Chủ yếu là nghiên cứu tài liệucủa giáo viên hướng dẫn đưa và một số tài liệu liên quan trong thư viện, trung tâm học liệu

và các tài liệu trên internet Từ các tài liệu trên lọc ra các thông tin cần thiết để thực hiện bàiluận văn

Trong khi trình bày đề tài tôi đã cố gắng lựa chọn những vấn đề cơ bản nhất, sắp xếpchúng theo một trình tự, nhằm nêu lên tính cơ bản và tính hệ thống của vấn đề

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Nhận đề tài luận văn tốt nghiệp từ giáo viên hướng dẫn

- Tìm hiểu và nghiên cứu đề tài

- Chọn lọc thông tin và thực hiện đề tài

- Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn nhận xét, chỉnh sửa

- Hoàn tất đề tài

- Báo cáo luận văn tốt nghiệp

Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG

HẠT NHÂN 1.1 Sự ra đời của thuyết tương đối hẹp Anhxtanh

Thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh ra đời, buộc chúng ta phải xem xét lại nhiều kháiniệm cơ bản nhất của vật lý học Nó đòi hỏi xét lại quan niệm cũ về không gian và thời gian

mà cơ học Niutơn đã khẳng định và được thử thách nó loại trừ sự tồn tại của “ête” bấy lâu,

được xem là “giá đỡ” trong sự truyền sóng điện từ Bước đầu, nó đã giải thích được nhữngđiều mà thuyết Lorenxơ đã giải thích; người ta hoài nghi nó, phản đối nó Nhưng rồi, thời

gian với các hệ quả của nó, vô cùng quan trọng, thuyết tương đối hẹp Anhxtanh đã trở nênmột thành tựu vĩ đại về trí thức vật lý học Ta sẽ lần lượt nói về quá trình hình thành thuyết

tương đối hẹp Anhxtanh, một phần của nền vật lý hiện đại Và sau đây là một vài sự kiện

dẫn đến thuyết tương đối hẹp

1.1.1 Khối lượng điện từ của electron

Năm 1901, Caufman, khi tìm hiểu về tia phóng xạ β- , với vận tốc lớn, thấy rằng giá

Trước đó, năm 1881, J.J Tômxơn, xét chuyển động của một quả cầu tích điện, bán kính

r, vận tốc vc, thấy rằng, khối lượng quả cầu tăng thêm một lượng:

2

2 '

Năm 1902, Abraham cho rằng nếu xem e là một hòn bi không biến dạng, điện tíchphân bố đều ở mặt ngoài, thì khối lượng điện từ của nó sẽ là:

2

2 '

3

2

rc

e

m  (Giống như ý kiến của Tômxơn)

Năm 1895, nhân giải thích kết quả thí nghiệm Maikensơn, Lorenxơ nói rằng: “mọi vật

chuyển động trong “ête”, bị “ co kích thước” theo tỉ lệ

2

2

1 1

1

c v

m

m



 , m0  9 , 1 1031kg; từ đó nảy ra hai vấn đề: có lẽ echỉ có “khối lượng điện

từ”, mà không có khối lượng thông thường  m t ; mọi khối lượng là “khối lượng điện từ”, vìnguyên tử là do e và ion (+) tạo thành

Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh sẽ khẳng định rằng đây là “khối lượng tương đối tính”của vật chuyển động; còn m0 : khối lượng nghỉ mới là một hằng số

1.1.2 Sự tồn tại và tính chất của “ête”

Để cho sóng ánh sáng có “giá đỡ” lúc lan truyền, “ête” được đưa ra và coi là hiển nhiên

tồn tại, có mặt ở mọi môi trường vật chất, kể cả trong chân không “Ête” cũng là một loạichất lỏng không trọng lượng

 Khi nghiên cứu các vì sao bất động; sau mỗi năm, chúng có một quỹ đạo như khép

kín Nguyên nhân là do các ống kính thiên văn đặt trên trái đất chuyển động so vớicác vì sao bất động: đây là hiện tượng “tinh sai” Một phần quang học mới xuấthiện: quang học về các vật chuyển động: nguồn phát sáng và máy thu ánh sángchuyển động

Thí nghiệm Aragô chứng tỏ rằng chuyển động của quả đất không làm thay đổi chiếtsuất n của môi trường

Năm 1804, Yâng nói rằng: có thể giải thích được hiện tượng “tinh sai”, nếu xem “ête”

là bất động trong mọi môi trường Y kiến này không giải thích được thí nghiệm Aragô

 Để giải thích được thí nghiệm Aragô, Fresnen cho rằng “ête” bị các vật chuyểnđộng kéo theo một phần, Fresnen nói: tính đàn hồi của “ête” ở mọi chỗ là như nhaunhưng mật độ “ête” lại khác nhau: trong vật là '; trong chân không là , ta cócông thức sau:

'

c : vật tốc ánh sáng trong vật

c : vận tốc ánh sáng trong chân không

Khi vật chuyển động chỉ có phần “ête” dội ra là:  -' bị kéo theo, phần còn lại đứngyên

Gọi u: là vận tốc “ête” trong vật

v: vận tốc của vật

Giữa u và v có hệ thức là:

v n

u ( 1  12).

Nhờ giả thuyết này, Fresnen giải thích được thí nghiệm Aragô Các nhà vật lý khác nêulên các quan niệm khác nhau, hoặc là:

 Ête đứng yên hoàn toàn

 Ête bị vật chuyển động kéo theo hoàn toàn

 Ête bị vật chuyển động kéo theo một phần

Nhưng các ý kiến này đều không thích ứng đầy đủ với các hiện tượng quang học ở vật

chuyển động

 Năm 1868, Măcxoen đề nghị một thí nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng của

chuyển động quả đất trong “ête”, đối với vận tốc truyền ánh sáng Trong đó, vậntốc ánh sáng được đo trong khoảng thời gian truyền đi và về, trên cùng một quảng

đường song song với phương chuyển động của quả đất trong “ête”, và khi đó

vuông góc với phương đó

Độ lớn và khoảng thời gian đó vào cỡ 8

(m) là quá nhỏ, nên thời bây giờ thực

tế không thể thực hiện nổi thí nghiệm này

 Năm 1881, Maikensơn theo nguyên tắc này thực hiện thí nghiệm với mức độ

chính xác cao có khả năng phát hiện vận tốc kéo theo của “ête” là 3 m/s tức bằngvận tốc quả đất; kết quả thí nghiệm là “âm”, tức là không có c huyển động tương

đối giữa quả đất và “ête”, tức là “ête” đã bị kéo theo hoàn toàn

Thí nghiệm Maikensơn đã bác bỏ ý kiến của Fresnen nhưng lại không thể giải thích

được hiện tượng tinh sai

 Năm 1892, Lorenxơ đưa ra ý kiến rằng, khi vật chuyển động kích thước vật co lạitheo phương chuyển động, theo tỉ lệ:

2

2

11

c

v



“co Lorenxơ” Với ý kiến này, có

thể giải thích kết quả âm của thí nghiệm Maikensơn

 Đôple coi ánh sáng truyền trong “ête”, ông chứng minh rằng tần số  của ánhsáng là nguồn tiếp nhận được, phụ thuộc vận tốc chuyển độngcủa nguồn sáng vàvận tốc máy thu, so với “ête” đứng yên Công thức Đôple được kiểm nghiệm là

đúng cả với âm học và quang học

 Năm 1887, Phogtơ xem hiệu ứng Đôple là một phép biến đổi toạ độ, từ mộ t hệ toạ

độ gắn với “ête” bất động, sang một hệ toạ độ gắn với nguồn hoặc máy thu chuyểnđộng, phép biến đổi này phải đảm bảo sao cho “nguồn sóng” không đổi dạng

Công thức Lorenxơ có chứa đựng hệ số  : 2

 Năm 1890, Hecxơ viết phương trình điện động lực học các vật chuyển động, với

giả thuyết là “ête” bị kéo theo hoàn toàn, nếu cho hệ toạ độ gắn với vật chuyển

Nếu chọn hệ toạ độ gắn với “ête” đứng yên thì ta có một hệ phương trình khác.

 

 B u rot t

B E

rot

u D rot D div u t

d j H rot

Các phương trình này đã được một số thí nghiệm xác nhận định tính

 Lorenxơ cho “ête” bất động và có mặt khắp nơi, và trong nó, có điện tích dương

và âm chuyển động gây “nhiễu loạn” Ông xây dựng các phương trình Lorenxơcho mọi điện tích đứng yên và chuyển động, trong thế giới vi mô Khi môi trường

đứng yên, các phương trình ấy trùng với các phương trình Măcxoen Nhưng vớimôi trường chuyển động khác thì các phương trình do Lorenxơ xây dựng lại khácphương trình Măcxoen Chúng có thể giải thích được nhiều sự kiện, trừ thí

nghiệm Maikensơn Tóm lại, theo Lorenxơ thì “ête” tồn tại khắp nơi và bất độnghoàn toàn Thiết lập các công thức biên độ toạ độ nói trên, thực chất Lorenxơ đã

mở rộng nguyên lý tương đối Galilê của cơ học sang điện động lực học

 Poin Carê, ngay từ đầu cho rằng nguyên lý tương đối là đúng cho mọi hiện tượng

vật lý, và là một trong những nguyên lý cơ bản của vật lý học Ông sửa chữa cáccông thức Lorenxơ cho thật chính xác và chứng minh rằng với phép biến đổi toạ

độ Lorenxơ, các phương trình điện động lực học là bất biến Đặc biệt có hai đạilượng là: “khoảng: 2 2 2 2 2 2

t c z y x

H

E  là bất biến Ông cũng đưa ra

ý niệm về không gian bốn chiều Phép biến đổi toạ độ Lorenxơ ứng với một phépquay hệ toạ độ bốn chiều ấy Ông chứng minh rằng sóng điện từ cũng truyền đivới một vận tốc hữu hạn, đúng bằng vận tốc ánh sáng

Như vậy, Poin Carê đã tiến gần đ ến thuyết tương đối hẹp Anhxtanh sau này Tuy nhiên,

cả Lorenxơ và Poin Carê đều vẫn dựa vào sự tồn tại của “ête” chưa từ bỏ nó

 Vả lại, trong một thời gain dài, quan niệm của Niutơn về không gian và thời gian

vẫn được công nhận và duy trì Đó là không gia n tuyệt đối, không gian Ơclide vàthời gian tuyệt đối, tách rời không gian

Không hề bị ám ảnh bởi “ête”, Anhxtanh đưa ra hai tiên đề với các quan niệm hoàntoàn mới, đưa đến thuyết tương đối hẹp Anhxtanh

1.1.3.Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh

Lý thuyết vật lý hiện đại này được xây dựng trên cơ sở hai tiên đề

Tiên đề 1: nói rằng “mọi hệ quy chiếu quán tính đều tương đương nhau trong việc mô

tả các hiện tượng tự nhiên: cơ học cũng như điện từ” Điều này có nghĩa rằng: khi chuyển từ

hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác thì mọi phương trình vật lýphải giữ nguyên dạng (bất biến)

Phép biến đổi toạ độ Galilê:

x’=x-vt; y’=y; z’=z; t’=t, thoả mãn yêu cầu trên đối với cơ học nhưng với các công

thức, các phương trình điện từ thì không th oả đáng yêu cầu đó Từ các công thức Galilê ta cócông thức “cộng vận tốc” Galilê: v v V



 '

z z y y

Không phù hợp với tiên đề 2 phát biểu như sau: “vận tốc ánh sáng trong chân khôngluôn luôn là một hằng số c=3.108 m/s”

Để đảm bảo các phương trình điện từ không đổi dạng khi chuyển từ hệ quy chiếu quán

tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác, Anhxtanh sử dụng công thức biến đổi Lorenxơ.Không phải Anhxtanh mượn một công thức có sẵn mà xây dựng bằng một lý luận độc đáocủa chính mình Đó là mối liên hệ chặt chẽ giữa không gian và thời gian đối xứng nhau.Trong công thức biến đổi thời gian có toạ độ không gian tham gia và ngược lại

Cụ thể là:

2 2 2

2 2

1 ' ' 1 '

c u

x c

v t t

y y

c u

vt x x

Đó là ý niệm mới về “không thời gian” bốn chiều, với bốn toạ độ x1=x, y2=y, z3=z,

x4=ict và được gọi là không thời gian Mincôpki

Không gian thực là không gian ba chiều, vốn được xem là một điều hiển nhiên, cho đếnnay vẫn chưa được chứng minh thoả đáng

 Công thức chuyển đổi vận tốc Anhxtanh:

z

z z

y

y y

x

x x

u c v

u u

u c v

u u

u c v

v u u

' 1

1 '

' 1

1 '

' 1 '

2

2 2

2 2

(k) đứng yên thì c’=c= hằng số, dẫu nguồn sáng hay nguồn thu chuyển động hay đứng yên

thì vận tốc ánh sáng trong chân không vẫn là c Hơn thế, tốc độ ánh sáng trong chân không

là tín hiệu truyền cực đại

 Hình học bốn chiều Mincốpki, đã tạo ra một công cụ toán học hữu hiệu giúp cho

quá trình suy diễn từ các tiên đề (1) và (2) thành các hệ quả kỳ diệu, nhờ các kháiniệm toán học vô hướng bốn chiều, Tenxơ bốn chiều, chúng bất biến (có giá trị

không đổi) trong một phép quay đặc biệt các trục toạ độ bốn chiều một góc  nào

đó Phép quay này tương ứng với phép biến đổi toạ độ Lorenxơ, mà trước đó,Lorenxơ xây dựng nên và xem là một trò chơi toán học, chứa hàm ẩn vật lý

 Trong phép quay hai trục toạ độ ox, oy,oy quay quanh trục ozcoi như đứng yên

trong không gian thực ba chiều, thì độ dài bán kính vectơ R

là một đại lượng

không đổi 2 2

' R

 Trong không gian bốn chiều Mincốpki mỗi biến cố được biểu hiện bằng một điểm

gọi là “điểm thế giới” và ba toạ độ không gian, trong hệ (k) là (x,y,z) và t oạ độthời gian T=ict: M(x1,x2,x3,x4) Một quá trình được biểu diễn bằng tập hợp nhiều

điểm thế giới, khoảng cách giữa hai điểm thế giới A và B, được gọi là “khoảng”

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2

2 2

2 2

2 2

2

t z y x s

t z y x s

T T c z z y

y x

x AB

1 1

sin

c v c iv tg

c iv

1

11

1cos

c

v tg

Đây là lý do mà Anhxtanh sử dụng công thức biến đổi toạ độ Lorenxơ Các đại lượng

bốn chiều: vô hướng bốn chiều, vectơ bốn chiều đều là các đại lượng bất biến đối với phépquay hệ trục toạ độ bốn chiều, tức là bất biến Lorenxơ Chuyển các phương trình vật lý sang

dạng bốn chiều là đảm bảo chúng bất biến Lorenxơ, tức chúng không đổi dạng khi chuyển từ

hệ quy chiếu quán tính (k) sang (k’)

* Tóm lại: Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh có vai trò trọng đại, trong quá trình xây

dựng và phát triển phần vật lý học hiện đại gọi là “vật lý học tương đối tính” Để được khẳng định, thuyết tương đối hẹp đã trãi qua nhiều thử thách Nhiều nhà vật lý hoài nghi, chỉ trích; có người không chỉ trích nhưng vẫn duy trì các quan điểm cũ Lý do là vì buổi đầu,

họ chưa hiểu hết ý nghĩa sâu xa của thuyết tương đối hẹp Thậm chí, Poincarê, người đã góp phần không nhỏ vào sự hình thành thuyết tương đối hẹp, mà vẫn kiên trì chống lại Maikenson thì hoàn toàn không tin tưởng, với giọng mỉa mai Plăng thì công nhận thuyết tương đối hẹp ngay từ đầu (1905)… ngày nay vai trò của thuyết tương đối hẹp hoàn toàn được khẳng định Cụ thể như việc Anhxtanh xây dựng cơ học tương đối tính dẫn đến hệ thức năng – khối lượng.

1.2 Anhxtanh xây dựng cơ học tương đối tính dẫn đến hệ thức năng – khối lượng

Hệ thức năng – khối lượng của Anhxtanh sẽ cho ta thấy chỉ cần một khối l ượng vậtchất rất nhỏ cũng có thể chuyển hoá thành một giá trị năng lượng cực kỳ lớn Tại sao có

được điều này trong vật lý, mà từ trước cho đến thời kỳ của Anhxtanh mới phát hiện Ta sẽ

lý giải điều này từ việc xây dựng cơ học tương đối tính

Từ phép bất biến tương đối Lorenxơ, vật lý học đã suy ra nhiều hệ quả bất ngờ Ở đây,

ta không tính toán cụ thể mà chỉ nêu lên các hệ quả ấy, so sánh với vật lý học cổ điển

1- Khoảng cách không gian không là tuyệ t đối mà có tính tương đối: l=l0 Hệ toạ độ màvật đứng yên: khoảng cách không gian riêng Ta thấy l < l0 gọi là hiện tượng “co chiều dài”

theo phương chuyển động của vật

2- Khoảng cách thời gian của hai biến cố cũng là một đại lượng tương đối (chứ khôngbất biến) t  t  2  t0  t

0 1  ; t0: khoảng cách thời gian riêng

3- Phép cộng vận tốc Anhxtanh tổng quát hơn phép cộng vận tốc Galilê

4- Về phương diện động lực học, căn cứ vào định nghĩa vectơ xung lượng bốn chiều :

0u m

p  

Với u là vectơ vận tốc bốn chiều: (u1,u2,u3,u4 )

0

m khối lượng nghỉ của vật là một vô hướng bốn chiều

Anhxtanh đã đưa ra khái niệm về vectơ xung lượng tương đối tính:

Đây chính là điều mà người ta đã phát hiên ở hạt electron, với ý niệm về “khối lượngđiện tử của nó”

Do thành phần thời gian: E tp

c

i

p4  nên vectơ xung lượng bốn chiều mang tên vectơ

“năng – xung lượng”

5- Một hệ quả vô cùng quan trọng của thu yết tương đối hẹp là việc xây dựng phươngtrình động lực học tương đối tính ở không gian bốn chiều

dp





0 0

0

)(

lên trục thứ tư (O)ta có phương trình:

4 0

4 0

0

f dt

u m d dt

dp



2 0

1

ic m dt

d

(1-1)

4

f là thành phần thứ tư của lực bốn chiều Để khai thác ý nghĩa của phương trình (1

-1) ta nhân hai vế phương trình  f 

dt

u m d



0

0 )(

 

1u  f u  f u  f u 

Thay các giá trị đại lượng ở mỗi số hạng ở vế trái ta thấy:

2 1

1

 f x

f

2 2

1 

 f y

f

2 3

1

x

u m dt

d f

2 1

2 0 2

1 1

11

f

Tương tự ta có:

2 2

2 0 2

2 2

1 1

f

2 2

2 0 2

2 2

11





0 2

01

m dt

2

1 1

1

f ic u

f u f u

4

1

.1

.1

i u

f c

i ic m dt

1

1

2 2

1 

c m dt

1

m

là khối lượng tương đối tính của vật chuyển động

Etplà năng lượng toàn phần của vật.

Hai đặc trưng cơ bản này của vật thể liên hệ nhau thông qua một hằng số là c2 Đây là

một phát kiến vô cùng quan trọng của thuyết tương đối hẹp Anhxtanh Ở cơ học cổ điển m

và Etp coi như độc lập nhau Ở đây giữa đôi bên có mối liên hệ Hệ thức này mang tên là hệ

thức “năng – khối lượng”

* Tóm lại: Hệ thức này có ý nghĩa vô cùng to lớn và đặc biệt khiến con người c húng ta

nói chung và trong vật lý nói riêng phải chú ý nghiên cứu nó một cách kỹ lưỡng, chỉ vì cần một lượng vật chất nhỏ cũng có thể hoá thành nguồn năng lượng có giá trị khổng lồ.

Cũng chính nhờ hệ thức này các nhà khoa học đã vận dụng nó vào trong việc tìm tòi và phát hiện ra hiệu ứng vật lý trong phản ứng phân hạch hạt nhân và nhiều khám phá quan trọng khác nữa được khai thác từ các phản ứng hạt nhân, phản ứng nhiệt hạch.

1.3 Các hệ quả suy ra từ hệ thức năng – khối lượng Anhxtanh

1.3.1 Nguồn năng lượng hạt nhân nguyên tử

Từ hệ thức Etp=m 2

c Lấy biến thiên hai vế ta có:  E= ( 2

mc ) Vì c= 8

10

3 m/s suy ra

s m

c2  9 1016 Nếu chỉ làm biến đổi một l ượng m thì ta sẽ chuyển đổi nó thành một giá trị

năng lượng rất lớn:

) ( 10

(J) Năng lượng này có thể cung cấp cho hoạt động của nước Mỹ trong nửa ngày

Từ phát kiến này nhân loại như đứng trước một sự kiện lớn lao: một nguồn năng lượngcực lớn, sử dụng nguồn năng lượng này là cả một vấn đề: lợi ích hay tai hoạ lớn lao

1.3.2 Năng lượng nghỉ E = m 0 c 2 - cơ năng toàn phần của hạt tự do

2 2

0

2

1

mv c

2 0 2

2 0 2

1

c m c

m mc

0 2

2 2 0 2 0

2

1

2c m c m u

u c m c m

1 2

0 2

* Tóm lại: Các hệ quả suy từ hệ thức E= 2

mc đã đưa vật lý học cả về lý thuyết và ứng dụng đến một giai đoạn mới mẻ, tân kỳ, ảnh hưởng lớn lao đến tri thức về tự nhiên và đời sống con người Xét vấn đề “năng lượng” của giới tự nhiên không thể không quan tâm đầy

đủ đến hệ quả này của th uyết tương đối hẹp Anhxtanh.

Chương 2: CÁC ỨNG DỤNG CÔNG THỨC NĂNG – KHỐI LƯỢNG

VÀO VIỆC KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NHÂN 2.1 Năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng ở hạt nhân

2.1.1 Năng lượng liên kết

Xét hạt nhân nguyên tử A

Z

X có khối lượng mhn Hạt nhân này có Z proton và N=(A-Z)

nơtron Do đó tổng khối lượng của A nuclon khi chưa cấu tạo nên hạt nhân: m A=ZmpZ)mn Từ đó suy ra được độ hụt khối lượng của hạt nhân: m = mA – mhn

+(A-m=mhn- [Zmp+(A-Z)mn] Theo Anhxtanh mỗi hạt có khối lượng m thì có một năng

lượng nghỉ tương ứng mạnh mẽ Vậy trước khi liên kết hạt nhân, A nuclon có một nănglượng nghỉ 2 2

.c

m c

m A  hn là năng lượng nghỉ của hạt nhân được tạo thành bởi chúng Như

vậy khi tạo thành hạt nhân năng lượng nghỉ của A nuclon phải dư ra một lượng là

2 2

) (m m c

 Năng lượng này tồn tại dưới dạng động năng của hạt nhân và nănglượng bức xạ  của hạt nhân (sau khi được tạo thành hạt nhân ở trạng thái kích thích ) Bâygiờ ta lại xét quá trình ngược lại: muốn phá vỡ hạt nhân đó để trả lại trạng thái ban đầu chocác nuclon thì ta phải tốn một năng lượng đúng bằng mc2, ta gọi đó là năng lượng liên kếthạt nhân Kí hiệu là W W: chính là năng lượng cần cung cấp từ ngoài để tách tất cả Anuclon ra riêng lẻ nhau, nói cách khác, W có giá trị bằng và ngược dấu với năng lượng liênkết các nuclon trong hạt nhân:

càng lớn thì hạt nhân càng khó phân chia thành mảnh

Trong thực nghiệm người ta thường đo được khối lượng toàn bộ nguyên tử (hạt nhân +

electron) do đó để tiện lợi hơn nên tính m và Etheo khối lượng nguyên tử Dễ dàng thấyrằng giá trị m và E sẽ không thay đổi nếu trong hai công thức trên người ta thay khối

lượng hạt nhân mhn bằng khối lượng nguyên tử mnt và thay khối lượng nguyên tử proton

bằng khối lượng nguyên tử H( m 1,00812 đvklnt) ta có:

m

0624,0

10.93110

.6,1

10.66,1.10.9

Hay E=931m(MeV)

2.1.2 Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân

Giả sử một hạt nhân có năng lượng liên kết W , có A nuclon thì năng lượng liên kết

trung bình cho mỗi nuclon là W0 =

A W



gọi là năng lượng liên kết riêng của hạt nhân

Thực nghiệm cho thấy rằng với hạt nhân có số khối A< 60 thì năng lượng liên kết riêng

tăng từ 0 – 8,7 MeV Với các hạt nhân A> 60 thì năng lượng liên kết riêng giảm dần từ 8,7 –

7,5 MeV Nếu tính trung bình cho toàn bộ các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Menđêleepthì năng lượng riêng trung bình W0=8 MeV Đây là một năng lượng không nhỏ, đại đa số hạtnhân có năng lượng liên kết riêng không sai kém giá trị này bao nhiêu (trừ các nguyên tố

nhẹ)

Phổ năng lượng liên kết riêng của các nguyên tố có thể biểu thị bằng sơ đồ sau:

Hình 2.1: Đồ thị biểu thị năng lượng liên kế riêng của các nguyên tố.

2.2 Phân loại hạt nhân: không bền và bền

Ta biết rằng hạt nhân nào có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân đó càngkhó phá vỡ, tức là càng bền vững Khi nghiên cứu năng lượng liên kết riêng của các nuclon

trong hạt nhân, ta thấy rằng

A

W

0 là nhỏ đối với các hạt nhân nhẹ và gần bão hoà (8

MeV) đối với các hạt nhân nặng

Theo sơ đồ phổ năng lượng liên kết theo số khối của các hạt nhân nguyên tử ta thấy các

hạt nhân nhẹ là kém bền vững, còn các hạt nhân có số khối A lớn thì bền vững

Căn cứ sự phụ thuộc của năng lượng vào độ hụt khối của các hạt nhân, người ta đã xây

dựng một công thức cho khối lượng hạt nhân phù hợp với thực nghiệm như sau:

) 2

(

2

3 2

2 3

2

A

Z A a A

Z A

a A a

) 2

3 3 2 2

2 1 2

A

Z A a A

Z A

a a A m

Nhìn vào công thức trên ta thấy A càng lớn thì m càng lớn Do đó hạt nhân càng bềnvững.

Thực tế, lý thuyết thống kê còn cho ta thấy các hạt nhân bền vững nhất là những hạtnhân có số proton (Z) và số nơtron (A – Z) = N đều là số chẵn, hạt nhân có Z và N đều lẻ thìkém bền Còn lại các hạt nhân khác thì ở mức độ trung bình Ta có thể thống kê tổng quát

như sau:

ChẵnChẵn (lẻ)Lẻ

Chẵn

Lẽ (chẵn)Lẻ

BềnKém bềnKém bền nhất

Như vậy, các hạt nhân kém bền hơn cả là các hạt Đơtron  2

N … các dữ liệu như trên được đưa ra là do ta đã kết hợp hai yếu tố: các hạt nhẹ và

Z, N đều lẻ Bây giờ ta hãy giải thích tính không bền của hạt nhân Đơtron theo quan điểm cơ

Thường thì tổng nội năng trước phản ứng Wt khác tổng nội năng sau phản ứng Ws và

do đó tổng động năng trước phản ứng Dtcũng khác tổng động năng sau phản ứng Ds

Hiệu số: W =Wt– Ws= Ds– Dtgọi là hiệu ứng năng lượng của phản ứng hạt nhân.Nếu W >0 nghĩa là phản ứng có kèm theo sự tăng động năng thì ta nói là phản ứng toả

năng lượng

Nếu W <0 nghĩa là động năng giảm, nội năng tăng thì ta nói là phản ứng thu năng

lượng

Nếu W =0 cả nội năng và động năng đều không đổi, ta có sự va chạm đàn hồi

2.4 Thí nghiệm bắn phá hạt nhân bền và phản ứng hạt nhân thu gọn

Phóng xạ tự nhiên là hiện tượng phân rã của hạt nhân xảy ra một cách tự phát khôngchịu ảnh hưởng của các điều kiện bên ngoài Nhưng h iện nay, các chất phóng xạ tự nhiên chỉcòn tìm thấy rất ít trong thiên nhiên Vì lẽ đó, để tạo ra đồng vị hạt nhân mới, ta phải bắn pháhạt nhân khác, nghĩa là phải biến đổi nhân tạo hạt nhân

Hạt nhân của các nguyên tố không phóng xạ rất bền vững, nên chỉ có thể làm chochúng vỡ, hoặc thay đổi trạng thái bằng tác dụng rất mạnh của những hạt bắn từ ngoài vào

Có hai hiện tượng xảy ra khi dùng đạn bắn vào hạt nhân làm bia tạo ra phản ứng hạt nhân:

 Hạt đạn đi sát gần hạt nhân làm bia, bị tán xạ đàn hồi (tá n xạ  bởi hạt nhân vàngtrong thí nghiệm Rutherford)

 Hạt đạn xuyên vào bên trong hạt nhân làm bia, bị hạt nhân làm bia bắt giữ để trở

thành hạt nhân mới: không bền, tự phân rã để cho một hạt nhân mới và một hạtnhân nhẹ bay ra

Người ta thường biểu diễn một phản ứng hạt nhân như sau:

Hoặc kí hiệu vắn tắt là: X(a,b)Y

2.4.1 Thí nghiệm của Rutherford

Vào năm 1919 lần đầu tiên phản ứng hạt nhân được Rutherford khám phá Ông bắn phá

hạt nhân bằng các hạt  do các nguyên tố phóng xạ tự nhiên phóng ra Sơ đồ dụng cụ thínghiệm của Rutherford như hình:

Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm phản ứng hạt nhân của Rutherford

Trong hộp C chất phóng xạ tự nhiên A được gắn vào giá đỡ có thể di chuyển được.Hộp C chứa chất khí nghiên cứu Màn F làm bằng nhôm đủ dầy để hấp thụ được các hạt dochất phóng xạ phát ra Sau màn F có màn huỳnh quang S có thể quan sát bằng kính hiển vi

M Rutherford đã phát hiện thấy rằng, nếu buồng chứa đầy khí Oxi, thì không có các nhấpnháy Nhưng nếu buồng chứa đầy khí Nitơ, thì người ta quan sát thấy những chóp sá ng riêng

lẻ nhấp nháy trên màn S Rutherford cho rằng Nitơ bị hạt a bắn phá phóng ra những hạt đixuyên qua F tới đập vào màn huỳnh quang Bằng cách làm lệch quỹ đạo trong từ trường

Rutherford xác định những hạt đó là các proton vì khi hạt  đập vào hạt nhân N thì nó lọt

vào trong hạt nhân và tạo thành một hạt nhân không bền vững Hạt nhân này phân rã ngay,thành proton và một đồng vị của Oxi

1 1 17 8 18

9 4

2 14

8 14

7 ( ,p)O

2.4.2 Hiệu ứng năng lượng W

Ta có: W=D s D t  (D b D y) D a (2-1)

Mặt khác năng lượng toàn phần của một số hạt bằng tổng năng lượng tĩnh và động

năng của nó Vì thế theo định luật bảo toàn phải:

(m c2 D ) M c2  (m c2 D )  (M c2 D ) (2-2)

Trong đó ma, mb, MX, MY là các khối lượng tĩnh tương ứng của các hạt.

(

2

) (m m c



mt, mslà tổng khối lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng

Nếu biết khối lượng nghỉ của các hạt tham gia phản ứng thì ta tính được hiệu ứng năng

lượng của phản ứng Phản ứng là toả hay thu năng lượng tuỳ thuộc theo tổng khối lượng

giảm hay tăng trong phản ứng

Chương 3: NƠTRON LÀ LOẠI ĐẠN ƯU VIỆT TRONG VIỆC

BẮN PHÁ HẠT NHÂN 3.1 Phát hiện hạt nơtron

Những biến đổi hạt nhân do hạt a gây ra đã đưa tới sự phát hiện ra một hạt cơ bản mới

Be thì xuất hiện một tia không trông thấy, có khả năng đâm xuyên cực mạnh Lúc

đầu, người ta tưởng là tia sinh ra theo phản ứng:

4 4

2 Be (C ) *C He

Nhưng sau đó: Iren và Joliot Curie lặp lại thí nghiệm trên và thấy phóng xạ có thể bậc

ra những proton nhanh có năng lượng 6MeV với tầm bay 26cm trong không khí, khi cho tiaphóng xạ đi qua một lớp paraphin (là chất chứa nhiều hiđro)

Thoạt đầu, hiện tượng được giải thích bằng hiệu ứng conphon: tia  va chạm vớiproton làm bật nó ra rừ paraphin Ta có thể tính được năng lượng của photon (tia  ) cần đểtruyền cho proton có năng lượng 6MeV là khoảng 60MeV Nhưng dựa vào định luật bảo

toàn năng lượng, dễ dàng thấy rằng năng lượng toả ra từ phản ứng phải nhỏ hơn thế rất

nhiều Do đó giả thuyết tia phóng xạ là photon không thể đứng vững

3.1.2 Sản sinh nơtron

Có nhiều phương pháp tạo ra nơtron, đơn giản nhất là dùng nguồn Ra -Be dưới dạnghỗn hợp Các hạt  phóng xạ từ Rađi va chạm với Be của hỗn hợp tạo thành phản ứng:

Một phản ứng quang hạt nhân cũng có thể cho ta nơtron: 8

4 9

4( ,n)Be

Be  với điều kiện

năng lượng của photon phải lớn hơn 17,6 MeV (có thể dùng tia  phát xạ từ các chất phóng

xạ tự nhiên hoặc nhân tạo)

Cũng có thể dùng các hạt mang điện như proton, Đơtron được tăng tốc nhờ các máy giatốc mạnh bắn phá các hạt nhân làm bia khác nhau để tạo ra nơtron đơn năng (nơtron có mộtgiá trị năng lượng)

2 1 0 4 1 2

cùng năng lượng bậc ra theo hướng phía trước: proton đã tru yền năng lượng và xung lượng

của nó cho nơtron

Một nguồn tốt nhất có thể cung cấp dòng nơtron có mật độ rất lớn (có thể đạt tới 10hạt/cm2.s) là lò phản ứng hạt nhân hoạt động theo nguyên lý của hiên tượng phân hạch

3.1.3 Phát hiện nơtron

Nơtron là một hạt không mang điện, nên muốn phát hiện ra nó phải dùng phương pháp

gián tiếp bằng cách từ nơtron tạo hạt mang điện, và sự ion hoá xuất hiện do tác dụng của cáchạt mang điện này sẽ được ghi nhận Đây là nguyên tắc hoạt động của các ống đếm nơtron

Ví dụ trong ống đếm chứa đầy hợp chất hơi Bo: BF3(tri fluơrit Bo) hoặc một chất rắn của

Bo Khi nơtron vào ống đếm sinh ra phản ứng 7

3 10

5 (n, ) Li

B   và có sự ion hoá do hạt nhân

gây ra được ghi nhận

Va chạm đàn hồi giữa nơtron và một hạt nhẹ mang điện như proton có thể làm căn cứcho sự phát hiện nơtron: một nơtron va chạm trực diện với một proton, do khối lượng củahai vật gần như bằng nhau nên nơtron dừng lại và trao năng lượng cho proton, proton

chuyển động về phía trước với năng lư ợng bằng năng lượng của nơtron, proton này sẽ đượcphát hiện là dựa vào phản ứng bức xạ nơtron.

47 107

47 1

3.2 Đo khối lượng hạt nơtron

Khối lượng của nơtron có thể xác định bằng cách sau:

Gọi m: khối lượng nơtron

v: vận tốc của nó trước khi va chạm vào một hạt nhân có khối lượng M

Hạt nhân này ban đầu đứng yên và sau khi bị va chạm thì giật lùi với vận tốc V Trong

trường hợp va chạm đàn hồi trực diện (sau khi va chạm hai hạt nhân chuyển động trên cùng

một đường thẳng) các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng cho ta:

v M m

m V



 2Ứng với cùng một vận tốc ban đầu v của nơtron, những vận tốc giật lùi của hai hạt

nhân khối lượng M1và M2liên hệ theo công thức:

1 2

2

1

M m

M m V

V







Biết M1, M2do V1, V2ta suy ra khối lượng m của nơtron

3.3 Các loại phản ứng bắt phá hạt nhân bền bằng đạn nơtron

Nơtron gây ra rất nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau Vì nó không mang điện nên có

thể xuyên sâu một cách dễ dàng, nhưng sự bắt nơtron (năng lượng) bất kỳ xảy ra với m ột hạtnhân bất kỳ Vì thế, sau khi phát hiện nơtron thì hàng loạt các phản ứng hạt nhân mới đượcthực hiện, làm xuất hiện vô số đồng vị phóng xạ mới và mở ra những hướng nghiên cứu thựcnghiệm giải quyết nhiều vấn đề cấu trúc hạt nhân