LUẬN văn sư PHẠM vật lý cấu TRÚC hạt NHÂN và một số ỨNG DỤNG điển HÌNH của kỹ THUẬT hạt NHÂN ở nước TA

Điện tích hạt nhân là tích của số nguyên tử Z của nguyên tố cho trước với điện tích cơ bản dương chính là điện tích của prôtôn, còn khối lượng của hạt nhân gần đúng bằng khối lượng của p

Vậy là bốn năm đại học sắp trôi qua, em đã được quý thầy

cô khoa sư phạm trường Đại học Cần thơ tận tình giảng dạy cũng

như hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cho đến ngày

hoàn thành luận văn tốt nghiệp.Vì vậy em xin gửi lời tri ân chân

thành nhất đến:

- Qúy thầy cô khoa sư phạm trường Đại học Cần Thơ

- Thầy Hoàng Xuân Dinh đã nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn

Em cũng xin cảm ơn tất cả các bạn lớp Sư phạm Lý Tin K35 đã ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt quá trình học tập

cũng như làm luận văn

Do thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong sự chỉ bảo và đóng

góp thêm của quý thầy cô và các bạn

Cuối cùng em xin chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe

và luôn thành công trong công việc của mình

Cần Thơ, ngày tháng năm 2012

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 2

3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2

4.1 Phương pháp nghiên cứu 2

4.2 Phương tiện thực hiện đề tài 2

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3

PHẦN NỘI DUNG 4

Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN 4

1 PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 4

2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN 6

2.1 Cấu tạo hạt nhân 6

2.2 Đồng vị, khối lượng và bán kính của hạt nhân nguyên tử 7

2.2.1 Đồng vị của hạt nhân nguyên tử 7

2.2.2 Khối lượng của hạt nhân nguyên tử 9

2.2.3 Bán kính của hạt nhân nguyên tử 10

2.3 Số khối, độ hụt khối và sự sắp xếp các nuclôn 10

2.3.1 Số khối 10

2.3.2 Độ hụt khối 11

2.3.3 Sự sắp xếp các nuclôn 11

2.4 Kích thước và hình dạng của hạt nhân 14

2.4.1 Kích thước hạt nhân 14

2.4.1.1 Khảo sát tán xạ nơtrôn 14

2.4.1.2 Khảo sát phản ứng hạt nhân với các hạt tích điện 15

2.4.1.3 So sánh năng lượng liên kết các hạt nhân gương 15

2.4.1.4 Khảo sát lực hạt nhân 15

2.4.2 Hình dạng của hạt nhân 17

2.5 Năng lượng liên kết hạt nhân 18

2.5.1 Đơn vị đo khối lượng và năng lượng 18

2.5.2 Năng lượng liên kết 19

2.5.3 Năng lượng liên kết riêng 20

2.5.4 Năng lượng tách các hạt ra khỏi hạt nhân 21

2.6 Spin và mômen từ của hạt nhân nguyên tử 22

2.6.1 Spin hạt nhân 22

2.6.2 Mômen từ hạt nhân 22

2.6.3 Các quy luật thực nghiệm rút ra từ nghiên cứu mômen từ 24

2.7 Các loại tương tác và các tính chất của lực hạt nhân 25

2.7.1 Tổng quan về các loại tương tác 25

2.7.1.1 Tương tác hấp dẫn 25

2.7.1.2 Tương tác yếu 26

2.7.1.3 Tương tác điện từ 27

2.7.1.4 Tương tác mạnh 28

2.7.2 Các tính chất của lực hạt nhân 29

2.7.2.1 Lực hạt nhân có bán kính tác dụng vô cùng nhỏ 29

2.7.2.2 Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích 29

2.7.2.3 Lực hạt nhân không đơn thuần chỉ là lực hút 30

2.7.2.4 Lực hạt nhân là lực trao đổi 30

2.7.2.5 Lực hạt nhân có tác dụng bão hòa 31

2.7.2.6 Lực hạt nhân phụ thuộc spin của các nuclôn 31

Chương 2: CÁC MÔ HÌNH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 32

1 SỰ CẦN THIẾT CỦA CÁC MÔ HÌNH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 32

1.1 Lý do xuất hiện các mô hình hạt nhân 32

1.2 Phân loại các mô hình hạt nhân 33

2 MÔ HÌNH GIỌT 34

2.1 Cơ sở xây dựng mô hình giọt chất lỏng 34

2.2 Mô hình giọt chất lỏng 34

3 MÔ HÌNH LỚP 37

3.1 Các hạn chế của mô hình giọt chất lỏng và sự cần thiết của mô hình lớp 37

3.2 Nguyên tắc xây dựng mô hình lớp 39

3.3 Mô hình lớp hạt nhân 40

4 MÔ HÌNH KHÍ FERMI 40

5 MÔ HÌNH TẬP THỂ 42

Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA 44

1 ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ 44

2 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 46

3 ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP VÀ SINH HỌC 46

4 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỂ NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH TRONG TỰ NHIÊN 48

5 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN CỨU VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG 48

6 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG BẢO QUẢN, KHỬ TRÙNG VÀ BIẾN TÍNH VẬT LIỆU 49

7 PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN PHỤC VỤ CÔNG NGHIỆP HÓA VÀ HIỆN ĐẠI HÓA ĐẤT NƯỚC 50

PHẦN KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU BẢNG

Hình 1.1: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM CỦA RUTHERFORD, GEIGER VÀ MARSDEN

5

Hình 1.2: CẤU TẠO NGUYÊN TỐ NITROGEN 11

Hình 1.3: BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ 12

Hình 1.4: BIỂU ĐỒ CÁC NUCLÔN ĐÃ BIẾT 13

Hình 1.5: PHÂN BỐ MẬT ĐỘ VẬT CHẤT TRONG HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 17

Hình 1.6: PHỔ QUAY CỦA HẠT NHÂN 72Hf180 18

Hình 1.7: ĐỒ THỊ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT RIÊNG 20

Hình 3.1: GHI HÌNH KHỐI U BẰNG MÁY SPECT - PET – CT 45

Bảng 1.1: MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CÁC NUCLÔN CHỌN LỌC 14

Bảng 1.2: KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG TƯƠNG ỨNG CỦA VÀI HẠT NHÂN 19

Bảng 1.3 : GIÁ TRỊ SPIN VÀ MÔMEN TỪ CỦA MỘT SỐ HẠT NHÂN 24

Bảng 1.4 : SO SÁNH CƯỜNG ĐỘ CỦA BỐN LOẠI TƯƠNG TÁC 29

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Các nguyên tử tồn tại ngay bên trong cơ thể chúng ta, bên trong chiếc ghế ta ngồi, hay trong cái bàn của bạn, và thậm chí ngay cả trong không khí mà bạn đang hít thở…Vậy có phải nguyên tử là “viên gạch” nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất hay không?

Câu hỏi đó đã được trả lời vào năm 1911 thông qua thí nghiệm của

Rutherford, ông đã quan sát tán xạ của các hạt  lên các nguyên tử và ông đã phát

hiện ra được “hạt nhân nguyên tử” Điều đó đã chứng minh được nguyên tử chưa phải là phần tử nhỏ nhất

Ngày nay, các học sinh phổ thông cũng đã có một số kiến thức cơ bản nào đó

về hạt nhân Tuy nhiên ngược dòng thời gian, hơn một thế kỷ trước, hạt nhân vẫn đang là “ cái gì đó” đầy bí ẩn, thậm chí là thần bí, gây hoang mang, tranh luận sôi nổi trong giới khoa học Việc đi tìm cấu trúc bên trong hạt nhân nguyên tử đã tạo ra

sự phát triển cơ sở khoa học vững chắc, để tạo ra sự gắn kết của nhiều ngành khoa học, trong đó đặc biệt là ngành hóa học và vật lý Và cả ngành công nghệ Nano, hiện đang là ngành công nghệ mũi nhọn mới của văn minh nhân loại

Thế kỷ XX là thế kỷ mà con người đã biết sử dụng năng lượng hạt nhân nguyên tử để tạo ra bom hạt nhân, với sự tàn phá kinh khủng và cũng để tạo ra nguồn điện năng cực lớn, đầy hứa hẹn cho môi trường sống Việc khám phá ra hạt nhân nguyên tử, có lẽ là một trong những đóng góp lớn nhất của khoa học hiện đại đối với nhân loại Nhưng để hiểu rõ hơn hạt nhân chính xác là gì? Cái gì đã tạo ra nó? Nó trông như thế nào? Làm thế nào để giải thích được những đặc điểm muôn màu muôn vẻ của các đồng vị khác nhau trên quy luật tương tác đó? Và nó có được

những ứng dụng gì? Với những lý do trên tôi quyết định chọn đề tài “ Cấu trúc

hạt nhân và một số ứng dụng điển hình của kỹ thuật hạt nhân ở nước ta” làm

đề tài nghiên cứu Trong bài này tôi trình bày về việc khám phá ra hạt nhân như thế

nào, cấu trúc chúng ra sao và nhờ những hiểu biết về kết cấu của chúng, ta đã tạo ra

vô vàn những ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

- Hạt nhân nguyên tử được phát hiện từ khi nào?

- Cấu trúc của hạt nhân nguyên tử như thế nào?

- Hạt nhân nguyên tử có các đặc trưng gì?

- Các nuclôn chuyển động và tương tác với nhau như thế nào trong hạt nhân?

- Hạt nhân nguyên tử được đặc trưng bởi các mô hình nào?

- Kỹ thuật hạt nhân đóng vai trò như thế nào trong sự nghiệp công nghiệp hóa

và hiện đại hóa đất nước?

3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu một số tính chất, hiện tượng có liên quan đến hạt nhân thông qua việc tìm hiểu cấu trúc hạt nhân, các mô hình hạt nhân Từ đó nêu lên các vấn đề còn tồn tại trong lý thuyết về hạt nhân nguyên tử và những ứng dụng của chúng

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4.1 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với các phương pháp sau:

- Sưu tầm tài liệu

- Nghiên cứu đề tài

- Phân loại tài liệu

- Nhờ sự chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn

4.2 Phương tiện thực hiện đề tài

- Tài liệu tham khảo: Giáo trình, bài giảng, Luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ sách báo, tài liệu từ Internet

- Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn và các bạn sinh viên

- Phương tiện hỗ trợ: máy vi tính, máy in và các phần mềm máy tính

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.

Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài

Bước 2: Xây dựng đề cương tổng quát

Bước 3: Thu thập, tìm kiếm các dữ liệu có liên quan đến đề tài

Bước 4: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài

Bước 5: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa Bước 6: Viết hoàn chỉnh đề tài và báo cáo đề tài

PHẦN NỘI DUNG

Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN

1 PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Trong mấy năm đầu của thế kỉ XIX không mấy người biết về cấu trúc của nguyên tử, trừ điều là chúng có chứa các electrôn Hạt này cũng chỉ mới được phát hiện (bởi J J Thomson) vào năm 1897 và khối lượng của nó còn chưa biết vào cái thuở ban đầu ấy Do vậy, người ta thậm chí không thể nói được một nguyên tử đã cho chứa bao nhiêu electrôn Các nguyên tử trung hòa về điện, vì vậy nó cũng cần phải chứa cả điện tích dương, nhưng không ai biết cái phần điện tích dương bù trừ

đó có dạng như thế nào

Năm 1911 Ernest Rutherford đã đi tới giả thiết rằng điện tích dương của nguyên tử được tập trung ở tâm của nguyên tử và hơn thế nữa nó mang hầu hết khối lượng của nguyên tử Thế là ông đã phát hiện ra hạt nhân nguyên tử!

Đề xuất của Rutherford không phải là một phỏng đoán đơn thuần mà có cơ sở vững chắc là các kết quả của một thí nghiệm do ông gợi ý và các cộng sự của ông thực hiện Đó là Hans Geiger (tác giả của máy điếm Geiger nổi tiếng) và Ernest Marsden, một sinh viên 20 tuổi còn chưa tốt nghiệp đại học

Ý tưởng của Rutherford là bắn các hạt  vào một tấm bia và đo phạm vi mà

các hạt đó bị lệch khi đi qua tấm bia ấy Các hạt  nặng gấp 7300 lần các hạt

êlectrôn, mang điện tích 2e và được phát ra một cách tự phát (với năng lượng vài MeV) bởi nhiều vật liệu phóng xạ Hiện nay chúng ta biết rằng các hạt đạn rất tiện ích đó chính là hạt nhân của nguyên tử hêli thông thường Hình 1.1 cho thấy bố trí

thí nghiệm của Geiger và Marsden Thực nghiệm chỉ là đếm số hạt  bị lệch với

những góc tán xạ khác nhau

Hình 1.1: Bố trí thí nghiệm của Rutherford, Geiger và Marsden

Và kết quả thí nghiệm của họ đã dẫn đến nhiều bất ngờ Kết quả đó được mô

tả như sau: Phần lớn các hạt  bị tán xạ ở góc rất nhỏ nhưng điều bất ngờ lớn là một

phần rất nhỏ các hạt bị tán xạ ở góc rất lớn, gần 1800 Theo lời Rutherford thì “đây

là một sự kiện khó tin nhất trong đời tôi Nó cũng khó tin hệt như ta bắn một viên trái phá 15 insơ vào một tờ giấy mà viên đạn lại bị hất ngược trở lại về phía ta”

Tại sao Rutherford lại ngạc nhiên tới mức như vậy? Vào thời tiến hành các thí nghiệm này phần lớn các nhà vật lí đều tin vào mẫu “bánh put-đinh nhân quả cây khô” của nguyên tử do J J Thomson đưa ra Theo mẫu này thì điện tích dương của nguyên tử được trải đều trong toàn bộ thể tích của nguyên tử Các electrôn – nhân quả cây khô – được xem là dao động xung quanh các tâm cố định bên trong hình cầu

đó (chiếc bánh put-đinh)

Lực làm lệch cực đại tác dụng lên một hạt  khi nó đi qua một quả cầu lớn

tích điện dương là quá nhỏ để làm lệch một hạt  thậm chí dưới một góc bằng một

độ (Độ lệch này có thể so sánh với độ lệch mà bạn sẽ quan sát được khi đi bắn một viên đạn qua một bao tải những hòn tuyết)

Các electrôn trong nguyên tử cũng có ảnh hưởng rất nhỏ đến các hạt  có

năng lượng lớn và khối lượng lớn Thực tế, chính chúng mới bị lệch mạnh hệt như một đàn muỗi bị dạt ra hai phía khi ném một hòn đá đi qua chúng

Rutherford thấy rằng để làm lệch một hạt  quặt hẳn trở lại, cần phải có một

lực lớn và lực này có thể được tạo ra nếu điện tích dương thay vì được trải đều trong thể tích của nguyên tử được tập trung lại tại tâm cuả nó

Trong mẫu này, hạt  tới có thể đi rất gần trung tâm của điện tích dương mà

không xuyên qua nó, khiến cho lực làm lệch lớn

Hình 1.1 cũng cho ta thấy các lộ trình khả dĩ của các hạt  điển hình khi

chúng đi qua các nguyên tử của lá bia bằng vàng Như chúng ta thấy, đa số các hạt

đó đều bị lệch nhẹ, nhưng có một số ít (các hạt có lộ trình đi rất gần hạt nhân) là bị lệch những góc lớn Từ sự phân tích các số liệu, Rutherford đã kết luận rằng bán kính của hạt nhân cần phải nhỏ hơn bán kính của nguyên tử cỡ 104 lần

Thì ra nguyên tử phần lớn là không gian trống rỗng! Một điều không phải là thường xuyên xảy ra là bằng cái nhìn sắc sảo của nhà khoa học cộng thêm một ít tính toán đơn giản lại dẫn tới những kết quả quan trọng như vậy

2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN

2.1 Cấu tạo hạt nhân.

Như đã biết, kết quả của thí nghiệm Rutherford năm 1911 đã quan sát tán xạ

của các hạt  lên các nguyên tử là sự phát hiện ra hạt nhân nguyên tử Hạt nhân

chứa toàn bộ điện tích dương và về căn bản chứa gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử Điện tích hạt nhân là tích của số nguyên tử Z của nguyên tố cho trước với điện tích cơ bản dương (chính là điện tích của prôtôn), còn khối lượng của hạt nhân gần đúng bằng khối lượng của prôtôn nhân với số khối lượng A Số A thường lớn hơn Z hai lần, trừ hyđrô, khi AZ và các hạt nhân nặng, khi A2Z Từ đó suy ra prôtôn chưa phải là thành phần duy nhất của hạt nhân Một giả thiết tất nhiên là trong hạt nhân cũng có thể có điện tử Điều này có thể giả thiết sự có mặt của điện tử

trong bức xạ hạt nhân (bức xạ  ) Nếu điều này đúng thì ta phải giả thiết rằng hạt

nhân gồm A prôtôn và A Z điện tử Song do nhiều nguyên nhân mà giả thiết này

bị hủy bỏ Một trong những nguyên nhân là nó mâu thuẫn với nguyên lý bất định của Heisenberrg Biết được kích thước của hạt nhân qua thí nghiệm của Rutherford,

có thể xác định được độ không chắc chắn cho phép đo động lượng của điện tử trong hạt nhân Điều tất nhiên là động lượng không thể nhỏ hơn sai số của nó Vậy người

ta giả thiết rằng động lượng bằng sai số này và tính năng lượng của điện tử từ công thức tương đối tính giữa động lượng và năng lượng Năng lượng tối thiểu thu được bằng cách này cho ta quãng 70 MeV, hoàn toàn mâu thuẫn với những dữ liệu về

năng lượng của điện tử bị đánh bật ra khỏi nguyên tử, ví dụ là các hạt  Vậy các

điện tử không thể là thành phần ổn định của hạt nhân mà chúng xuất hiện là kết quả của những quá trình biến đổi hạt nhân như ta sẽ bàn đến dưới đây Do vậy Rutherford đã giả thiết tồn tại một hạt trung hòa là nơtrôn, có khối lượng gần bằng prôtôn, là thành phần thứ hai của hạt nhân nguyên tử Năm 1932 Chadwick đã khẳng đình về mặt thực nghiệm sự tồn tại của hạt này Vậy hạt nhân nguyên tử gồm

Z prôtôn và A Z N nơtrôn Chúng có một tên gọi chung là nuclôn

Ký hiệu một hạt nhân là: Z AX

Các nguyên tử có cùng số nguyên tử Z nhưng khác nhau số khối lượng A được gọi là các đồng vị, trong các đồng vị có các izôtôn (có N như nhau) và izôbar (có A như nhau)

Có thể xác định được Z của một nguyên tố cho trước, từ phổ đặc trưng của

bức xạ X: theo định luật Moseley tần số của vạch K  tương ứng với sự nhảy của các điện tử từ lớp L sang K được cho bởi công thức:

 1

vb Z (1.1)

trong đó b là một hằng số xác định

2.2 Đồng vị, khối lượng và bán kính của hạt nhân nguyên tử

2.2.1 Đồng vị của hạt nhân nguyên tử

Thiết bị cơ bản phục vụ cho nghiên cứu khối lượng của nguyên tử (chính xác hơn là khối lượng của các iôn) là khối phổ kế Trong thiết bị này, một chùm nguyên

tử bị iôn hóa (bằng một chùm điện tử bắn phá chẳng hạn) được cho đi qua một vùng

không gian, trong đó có điện trường và từ trường với cấu hình đảm bảo cho việc hội

tụ riêng rẽ các iôn có các khối lượng khác nhau Trong các phép đo kiểu này, các đồng vị đã được phát hiện Ví dụ đã xác định được rằng ôxy tồn tại trong tự nhiên chứa chủ yếu các đồng vị 16

Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn Z nhưng khác nhau số nơtrôn

N (do đó khác số khối A) gọi là các đồng vị (chúng ở cùng một vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn)

Ví dụ: Các đồng vị của Uran: 92U233, 92U235 , 92U238

Các hạt nhân có cùng số khối A nhưng khác nhau số prôtôn Z được gọi là các nhân đồng khối

Ví dụ: Nhân đồng khối của triti (1H3) là 2He3

Người ta đã tìm được 60 cặp hạt nhân đồng khối lượng bền có số A chẵn và

số Z khác nhau hai đơn vị bắt đầu từ A = 36 và hai cặp đồng vị A lẻ và Z khác nhau một đơn vị:

Ví dụ: 48Cd113 và 49In113

51Sb123 và 52Te123 Ngoài ra còn tìm được vài nhóm ba hạt nhân đồng khối lượng như:

Ví dụ: 22Ti50 , 23V50, 24Cr50

54Xe136, 56Ba136, 58Ce136Các hạt nhân có số nơtrôn N bằng nhau gọi là các nhân đồng nơtrôn

Hai hạt nhân đồng phân (cùng A) mà có số prôtôn Z của hạt nhân này bằng

số nơtrôn N của hạt nhân kia và ngược lại gọi là hạt nhân đối xứng gương

Ví dụ: 1H3 và 2He3, 3Li7 và 4Be7, 12Mg25 và 13Al25

Hiện nay ta biết trên 2000 đồng vị, trong đó có 267 là những đồng vị bền có trong thiên nhiên Còn lại là các đồng vị phóng xạ được tạo ra trong các phòng thí nghiệm (ví dụ nhóm siêu uran gồm các đồng vị với Z 92 Một thành tựu mới năm

1996 là nguyên tố với Z 122được phát hiện) Phần lớn (159) các đồng vị bền chứa một số chẵn prôtôn và một số chẵn nơtrôn, tức là các hạt nhân chẵn-chẵn Ngoài ra còn có 59 đồng vị với các hạt nhân chẵn – lẻ (Z chẵn), 50 lẻ - chẵn (Z lẻ) và chỉ có 5

lẻ của các số prôtôn và nơtrôn cũng liên quan đến tính ổn định của các đồng vị

2.2.2 Khối lượng của hạt nhân nguyên tử

Trong vật lý hạt nhân, đơn vị khối lượng không phải là khối lượng của prôtôn hay nơtrôn mà là 1/12 của khối lượng đồng vị của khối lượng đồng vị cacbon 12

6C (1

đơn vị khối lượng nguyên tử = 1 u = 12 

6

1

12M C = 1,66.10-27 g) Ta biểu diễn các khối

lượng của p, n, e theo các đơn vị u:

mp =1,00728u, mn =1,00867u, m e =0,00055u

Trong các phản ứng hạt nhân, hệ thức Einstein 2

E m c là một công cụ bắt buộc phải sử dụng hằng ngày Năng lượng tương đương với một đơn vị khối lượng nguyên tử dễ dàng tìm được là 932 MeV Vì vậy, c2 có thể viết là 932MeV/u và chúng ta có thể dễ dàng tìm được năng lượng (MeV) tương ứng với một hiệu khối

lượng đã cho bất kì (tính ra u) và ngược lại

Phổ học hiện đại cho phép ta xác định được các khối lượng của nguyên tử với

độ chính xác tương đối lớn hơn 10-6 Các phép đo phổ chỉ ra rằng khối lượng của hạt nhân của một nguyên tố cho trước không phải là bội số nguyên của khối lượng hạt nhân hyđrô 1

1H(tức là prôtôn) Điều này một mặt liên quan đến sự có mặt của nơtrôn trong hạt nhân (m p m n), mặt khác cho thấy là khối lượng nguyên tử của nguyên tố cho trước là trung bình các khối lượng hỗn hợp các đồng vị của nó Song đối với một đồng vị riêng biệt, khối lượng của nó nhỏ hơn tổng các khối lượng của các prôtôn và nơtrôn có trong thành phần của nó Điều này liên quan đến cái gọi là năng

lượng liên kết

2.2.3 Bán kính của hạt nhân nguyên tử

Đơn vị thuận tiện để đo khoảng cách trong thang hạt nhân là femtomét (1015m) Tiếp đầu femto bắt nguồn từ chữ Đan mạch có nghĩa là 15 Đơn vị này còn thường được gọi là fecmi và chung một tên viết tắt là fm Như vậy: 1 femtomét

= 1 fecmi = 1fm = 10-15m

Ngoài các phương pháp khác, ta còn có thể biết về kích thước và cấu trúc của hạt nhân bằng cách bắn phá nó bởi các chùm electrôn năng lượng cao và quan sát cách hạt nhân làm lệch các electrôn tới đó Năng lượng các electrôn cần phải đủ cao (gần bằng 200 MeV) sao cho bước sóng Broglie của chúng đủ nhỏ để có thể đóng

vai trò các hạt thử nhạy với cấu trúc của hạt nhân

Những thí nghiệm như thế chứng tỏ rằng hạt nhân (được giả thiết là hình cầu)

có bán kính trung bình đặc trưng R được cho bởi:

1/3 0

Các hạt nhân được cấu tạo bởi các hạt prôtôn và nơtrôn Tổng số prôtôn (Z)

và nơtrôn (N) của một nuclôn được gọi là số khối của nó:

A = Z + N (1.3)

Vì số này biểu thị khối lượng của nuclôn, nên khối lượng này tính bằng đơn

vị khối lượng nguyên tử và làm tròn tới số nguyên gần nhất Ví dụ, khối lượng nguyên tử của 197

Au là 196,966573u và được làm tròn là 197

Hình 1.2: Cấu tạo hạt nhân nguyên tố nitrogen.

lí hạt nhân, hóa học hạt nhân hoặc các kĩ sư hạt nhân

Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tố tương ứng trong bảng tuần hoàn

Hình 1.3: Bảng tuần hoàn các nguyên tố

Để phân biệt các hạt nhân bền và không bền người ta thường dùng giản đồ prôtôn – nơtrôn Z – N Chúng ta sẽ xếp các hạt nhân trên cùng một giản đồ các hạt nhân, trong đó một hạt nhân được biểu diễn bằng một chấm với tung độ là số prôtôn

và hoành độ là số nơtrôn của hạt nhân đó và hai đường gạch nối có ký hiệu Sp = 0 và

Sn= 0 là giới hạn miền tồn tại của các hạt nhân bền đối với phân rã prôtôn và nơtrôn, trong đó Sp và Sn là các năng lượng tách prôtôn và nơtrôn ra khỏi hạt nhân Miền giới hạn hẹp hơn trong miền nói trên gồm các hạt nhân bền và các hạt nhân phóng

xạ β Trong miền giới hạn hẹp này các hạt nhân bền được biểu diễn bằng cách tô sẫm hơn, còn các hạt nhân phóng xạ được tô sáng hơn Chúng ta thấy rằng các hạt nhân phóng xạ có xu hướng nằm ở hai phía đối hạt nhân bền, trong đó các hạt nhân phóng xạ β+ nằm ở miền gạch chéo phía trên còn những hạt nhân phóng xạ β- nằm ở miền gạch chéo phía dưới so với hạt nhân bền

Hình 1.4: Biểu đồ các nuclôn đã biết

Vùng tô sẫm là dải các nuclôn bền, vùng sáng hơn là dải các nuclôn phóng

xạ Các nuclôn bền, nhẹ về căn bản có số prôtôn và số nơtrôn bằng nhau, nhưng các nuclôn nặng hơn có số nơtrôn dôi tăng dần

Cần lưu ý rằng các nuclôn bền, nhẹ nằm sát với đường thằng Z N, điều này

có nghĩa là chúng có số prôtôn và nơtrôn như nhau Tuy nhiên, các nuclôn nặng hơn

có xu hướng có nhiều nơtrôn hơn prôtôn Ví dụ, chúng ta đã thấy ở trên rằng 197

Au

có 118 nơtrôn và chỉ có 79 prôtôn, số nơtrôn dôi là 39

Bảng 1.1: MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CÁC NUCLÔN CHỌN LỌC

KHỐI LƯỢNG (u)

BÁN KÍNH (fm)

NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT (MeV/nuclôn) 1

1,007825 7,016003 30,973762 80,916829 119,902199 156,923596 196,966543 227,027750 239,052158

_ 2,1 3,36 4,63 5,28 5,77 6,23 6,53 6,64

_ 5,60 8,48 8,69 8,51 8,21 7,91 7,65 7,56

Các nuclôn được chọn nằm dọc theo dải các nuclôn bền trên hình 1.4

Đối với các nuclôn bền đó là độ phổ cập đồng vị và đối với các nuclôn phóng

2.4.1.1 Khảo sát tán xạ nơtrôn

Người ta bắn phá hạt nhân bằng đạn nơtrôn năng lượng từ 20 ÷ 50 MeV Vì nơtrôn không mang điện nên dễ xuyên thấu vào hạt nhân và vì nơtrôn mang năng lượng lớn nên nó tương tác mạnh mẽ với hạt nhân Thực nghiệm cho biết xác suất

xảy ra phản ứng tỉ lệ với tiết diện hình học của hạt nhân 2

R

 Do đo được xác suất phản ứng, ta có thể suy ra được các bán kính R của hạt nhân:

R  10-14m đối với hạt nhân nặng như: Pb, U,…

R  6.10-15m đối với hạt nhân trung bình như: Fe…

2.4.1.2 Khảo sát phản ứng hạt nhân với các hạt tích điện

Khi bắn phá hạt nhân bằng hạt tích điện, thì giữa hạt nhân và hạt tích điện xuất hiện lực đẩy Culông Do đó có thể coi như có một hàng rào thế năng tương tác làm cho hạt tích điện khó xuyên vào hạt nhân Nhưng do hiệu ứng đường ngầm, nên hạt tích điện tuy có năng lượng nhỏ hơn hàng rào thế năng, vẫn có thể xuyên qua hàng rào thế năng và gây ra phản ứng hạt nhân được Thực nghiệm cho biết xác suất gây ra phản ứng đó tỉ lệ với độ xuyên qua hàng rào thế năng

Từ đó người ta tính được kích thước hạt nhân:

R  1,4.10-15 A1/3m (1.5)

2.4.1.3 So sánh năng lượng liên kết các hạt nhân gương

So sánh năng lượng liên kết của các hạt nhân gương, ta thấy hạt nhân nhiều prôtôn sẽ có năng lượng lớn hơn hạt nhân nhiều nơtrôn, ví dụ: năng lượng liên kết của 1H3 bằng -8,485 MeV, còn năng lượng liên kết của 2He3 bằng -7,723 MeV Nguyên nhân là vì mỗi khi thay một nơtrôn bằng một prôtôn thì lực đẩy Culông tăng

lên và gây ra một năng lượng phụ bằng

0

2

4

15

6



R

Ze

Biết hiệu năng lượng liên kết

hạt nhân gương, ta sẽ tính được bán kính hạt nhân:

R = 1,3.10-15A1/3m (1.6)

2.4.1.4 Khảo sát lực hạt nhân

Các nuclôn tương tác với nhau bằng cách trao đổi mêzôn  Nơtrôn có thể nhả mêzôn  âm hoặc nuốt mêzôn  dương để biến thành prôtôn và prôtôn có thể nhả mêzôn  dương hoặc nuốt mêzôn  âm để biến thành nơtrôn Như vậy nuclôn

trong hạt nhân có thể ở trạng thái phân ly như sau:

p n + + ; n p + - ;

p p + 0 ; n n + 0 ;

Quá trình phân ly đó xảy ra kèm theo độ biến thiên năng lượng ∆E:

Trong khoảng thời gian này, mêzôn  chuyển động với vận tốc bằng vận tốc

ánh sáng và rời khỏi nuclôn một khoảng cách:

m mc

c t

r0  2 1,4.1015

(1.10) Khoảng cách đó tượng trưng cho kích thước của đám mây mêzôn bao quanh nuclôn.Thành ra lực hạt nhân chỉ tồn tại trong phạm vi kích thước đám mây mêzôn

R = r0A1/3 (1.12) Với r0 = (1,2 ÷1,5) 10-15m

Người ta gọi r0 là bán kính điện vì nó xác định kích thước của miền chiếm bởi các hạt tích điện trong hạt nhân

Do đó ta đi đến kết luận quan trọng là: thể tích hạt nhân tỉ lệ với số hạt trong hạt nhân Nói cách khác, mật độ khối lượng hạt nhân là không đổi với mọi hạt nhân Nếu ký hiệu mật độ khối lượng hạt nhân là ρ, ta có:

15 3

3

10.)5,1(3

43

27

1010

.)5,1(34

10.67,1

Hình 1.5: Phân bố mật độ vật chất trong hạt nhân nguyên tử

2.4.2 Hình dạng hạt nhân

Trước những năm 1950 hạt nhân được coi là có dạng hình cầu Từ năm 1950 người ta chứng minh được rằng nhiều hạt nhân có dạng lệch khỏi đối xứng cầu Bằng chứng trực tiếp và thuyết phục nhất về sự tồn tại các hạt nhân không có dạng hình cầu là sự có mặt các dải quay trong phổ các hạt nhân chẵn – chẵn Dải quay là một chuỗi các mức tuân theo hệ thức sau đây giữa năng lượng và spin:

I

J J

E J

2

)1(

2





(1.13) Trong đó I là mômen quán tính của hạt nhân đối với trục đối xứng và J là spin hạt nhân Nếu hạt nhân hoàn toàn đối xứng thì không có phương ưu tiên, do đó

spin bằng không Còn khi hạt nhân mất đối xứng theo một trục nào đó thì spin của hạt khác không Trong trường hợp bất đối xứng đó năng lượng kích thích đó do sự quay của hạt nhân được xác định theo công thức trên, có giá trị khác không Đối với hạt nhân chẵn – chẵn, các giá trị spin bằng J = 0, 2, 4, 6, 8,…Trên hình 1.6 trình bày một số ví dụ của dải quay, đó là phổ các mức thấp nhất của hạt nhân 72Hf180

Hình 1.6: Phổ quay của hạt nhân 72Hf180 Chú thích: Các vạch ngang đậm là các mức năng lượng thực nghiệm còn các gạch ngang không liên tục được tính theo công thức trên Các số cột bên trái: Năng lượng keV Các số cột bên phải: Spin và chẵn lẻ

Như vậy các hạt nhân có spin khác thông thường có dạng không đối xứng cầu Ngoài phổ quay, tính không đối xứng cầu còn thể hiện ở sự có mặt mômen tứ cực điện Q Thông thường các hạt nhân ở trạng thái cơ bản có dạng hình cầu hay elip tròn xoay, còn ở trạng thái kích thích, chúng có dạng phức tạp hơn

2.5 Năng lượng liên kết hạt nhân

2.5.1 Đơn vị đo khối lượng và năng lượng

Để đo khối lượng trong vật lý hạt nhân người ta dùng đơn vị khối lượng

nguyên tử u, bằng

12

1

khối lượng nguyên tử đồng vị 6C12:

Do hệ thức Einstein E = mc2, đơn vị khối tính theo kg tương ứng với đơn vị khối lượng tính theo MeV là:

1u = 931,502 MeV Bảng sau dẫn ra khối lượng của một số hạt như prôtôn, nơtrôn, alpha,…

Bảng 1.2: KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG TƯƠNG ỨNG

CỦA VÀI HẠT NHÂN

Khối lượng Hạt

1,6724.10-27 1,6748.10-273,3325.10-276,6444.10-27

938,23 939,53 1875,5 3726,2

2.5.2 Năng lượng liên kết

Theo lý thuyết tương đối (quy tắc tương đương giữa khối lượng và năng lượng), độ hụt khối nhân với bình phương vận tốc ánh sáng bằng năng lượng liên kết của hệ 2

h

E  Mc Về mặt vật lý, để phân chia một hệ liên kết, ta phải có một năng lượng cần thiết để thắng các lực lượng liên kết các thành phần của nó với nhau Tương tự, năng lượng này được giải phóng khi tổng hợp một hệ từ các thành phần Vậy độ hụt khối tồn tại không chỉ trong trường hợp hạt nhân mà cả trong trường hợp nguyên tử Khối lượng nguyên tử nhỏ hơn tổng khối lượng của hạt nhân và của tất

cả các điện tử Song do năng lượng liên kết của các điện tử trong nguyên tử là vài bậc nhỏ hơn năng lượng liên kết của các nuclôn trong hạt nhân, độ hụt khối của

nguyên tử có thể bỏ qua Vậy năng lượng liên kết của hạt nhân cho bởi công thức:

E  Mc  Zm Nm M c (1.14)

Công thức này biểu diễn năng lượng liên kết toàn phần của hạt nhân Còn năng lượng liên kết của từng nuclôn với hạt nhân bằng năng lượng cần thiết để tách nuclôn này ra khỏi hạt nhân

Dưới đây là giá trị gần đúng của năng lượng kiên kết của một số hạt nhân:

2He4 = 28 MeV, 6C12 = 92 MeV, 8O16 = 128 MeV, 16S32 = 272 MeV,…

2.5.3 Năng lượng liên kết riêng

Quá trình biến thiên của E h/A vào A, tức là của năng lượng liên kết trung

bình tính trên một nuclôn (năng lượng liên kết ứng với một nuclôn hay năng lượng

liên kết riêng) vào số nuclôn, có một ý nghĩa lớn trong việc tìm hiểu nhiều hiện tượng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân Hình 1.7 sau đây biểu diễn quan hệ này

Hình 1.7: Đồ thị năng lượng liên kết riêng

Sau đây là các đặc tính của quan hệ đó:

- Trong một vùng rộng các số khối lượng, năng lượng liên kết riêng là một đại lượng không đổi (quãng 8 MeV), nghĩa là năng lượng liên kết toàn phần của hạt nhân tỉ lệ thuận với số khối lượng A

- Các hạt nhân với các số khối lượng trung bình (gần 60) là liên kết mạnh nhất Đối với chúng năng lượng liên kết riêng có giá trị đến 8,7 MeV

- Đối với các hạt nhân có A lớn hơn 60, năng lượng liên kết riêng giảm khi A

tăng Đối với những hạt nhân nặng (ví dụ như uran) nó gần bằng 7,5 MeV

- Đối với những hạt nhân nhẹ (A < 60) năng lượng riêng tăng lên cùng A,

song sự tăng này không phải là đơn điệu, có các cực đại và các cực tiểu (ví dụ đối với đơtêri nó bằng 1,1 MeV, còn đối với hêli nó gần bằng 7 MeV), các hạt nhân lẻ -

lẻ có năng lượng liên kết nhỏ nhất Các giá trị năng lượng này đặc biệt lớn đối với các hạt nhân với số các nuclôn (Z hay N) bằng 2, 20, 28, 50, 82, 126 Các số này tạo

nên một dãy số gọi là các số ma thuật (magic)

- 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 hòa của lực hạt nhân (mỗi nuclôn chỉ tương tác với một giới hạn của 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

Như ta đã nhấn mạnh, dạng của đường cong trên hình 1.7 cho phép giải thích nhiều hiện tượng trong vật lý hạt nhân, ví dụ việc giảm năng lượng liên kết riêng với sự

tăng của A đối với các hạt nhân nặng là nguyên nhân gây ra hiện tượng phân rã các hạt nhân này ra hai hạt nhân trung bình, còn sự tăng năng lượng liên kết riêng khi A

tăng đối với các hạt nhân nhẹ liên quan với hiện tượng tổng hợp nhiệt hạch

2.5.4 Năng lượng tách các hạt ra khỏi hạt nhân.

Từ khái niệm năng lượng liên kết nêu trên có thể xác định được sự cân bằng năng lượng đối với một quá trình phân rã hay tương tác bất kỳ Chẳng hạn, năng lượng tách một prôtôn ra khỏi hạt nhân là năng lượng cần thiết để tách prôtôn ra

khỏi hạt nhân ZXA, bằng hiệu số năng lượng liên kết của các hạt nhân ZXA và 1

ji = li + si (1.15) trong đó: li , si là mômen orbital và mômen spin của nuclôn thứ i Do đó mômen động lượng toàn phần của hạt nhân sẽ là:







i i

J

Người ta gọi J là mômen spin của hạt nhân, nó đặc trưng cho chuyển động nội tại của hạt nhân Theo cơ học lượng tử, giá trị tuyệt đối của mômen spin hạt nhân là:

.)1( 





J J

Khái niệm mômen từ của hạt nhân do Pauli nêu ra để giải thích cấu trúc siêu tinh tế của các vạch quang phổ Các vạch quang phổ là hệ các vạch màu nhỏ nét quan sát thấy trong dụng cụ quang phổ khi phân tích hệ phát sáng của các nguyên tử

bị kích thích Đấy chính là các vạch năng lượng phôtôn phát ra khi electrôn chuyển

từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn, phụ thuộc vào số lượng tử chính n và số lượng tử quỹ đạo ℓ

Việc chuyển mức này tuân theo quy tắc lựa chọn ∆ℓ = ± 1 trong công thức:

n’ ≤ n và ∆ℓ = ℓ’ - ℓ = ± 1

Khi kể đến spin s =

2

1

của electrôn thì các mức năng lượng electrôn được tách

ra thành các mức con, phụ thuộc vào mômen toàn phần j = ℓ ±

2

1

Khi đó các vạch quang phổ được tách thành các vạch con, gọi là tách tinh tế hay cấu tạo bội của vạch quang phổ

Pauli còn giả thiết rằng sự tách các vạch quang phổ là do tương tác của các electrôn với từ trường của hạt nhân.Vì hạt nhân có mômen từ tác dụng với từ trường gây bởi chuyển động của electrôn trong lớp vỏ nguyên tử nên electrôn có thêm năng lượng phụ do tương tác từ Trị số năng lượng phụ này tùy thuộc vào trị số của mômen từ hạt nhân và sự định hướng của nó so với phương của từ trường của electrôn Phép tính chứng tỏ mômen từ của hạt nhân chỉ có thể định hướng theo một

số phương nhất định so với từ trường của electrôn hóa trị Vì vậy năng lượng tương tác có một dãy những giá trị gián đoạn Số mức này tùy thuộc trị số spin của hạt nhân, còn khoảng cách giữa các mức thì tùy thuộc trị số mômen từ hạt nhân Mômen

từ hạt nhân thực chất là do mômen từ của các nuclôn tạo thành

Vì có mômen cơ spin, nên các prôtôn và nơtrôn đều có mômen từ spin Riêng prôtôn vì mang điện tích nên còn có mômen từ orbital Thành thử mômen từ hạt nhân sẽ bằng tổng mômen từ spin của mọi nuclôn và tổng mômen từ orbital của mọi prôtôn

Do đó hạt nhân gồm A nuclôn và Z prôtôn sẽ có mômen từ bằng:

()

(

1 1

1

n s

p s

p l

Z

i Z

i Z

(n) là mômen từ spin của nơtrôn thứ i

Đơn vị mômen từ hạt nhân có tên là manhêtôn hạt nhân và có giá trị bằng:

27

10.050,52

Bảng 1.3: GIÁ TRỊ SPIN VÀ MÔMEN TỪ CỦA MỘT SỐ HẠT NHÂN

Hạt nhân Spin Mômen từ đo bằng đơn vị

1 1/2 5/2 1/2

4 5/2 1/2

+2,79 -1,91 +0,86 -2,13 +3,65 -0,55 -1,30 -1,29 -0,13

2.6.3 Các quy luật thực nghiệm rút ra từ nghiên cứu mômen từ hạt nhân

- Mômen từ của các hạt nhân có spin bằng không (J = 0) thì bằng không

- Mômen từ của các hạt nhân có spin khác không (J ≠ 0) vào cỡ magneton hạt nhân Giá trị bé của mômen từ hạt nhân cho phép khẳng định rằng trong hạt nhân không có electrôn vì mômen từ của electrôn lớn hơn 2000 lần mômen từ của hạt nhân