Bài giảng cơ sở vật lý hạt nhân Chương III

Trần Kim Tuấn Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường Trường Đại học Bách khoa Hà Nội NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chương III: Phân rã phóng xạ 2 III.1: Giới thiệu về phân rã

Trang 1

CƠ SỞ VẬT LÝ HẠT NHÂN

GV Trần Kim Tuấn

Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chương III: Phân rã phóng xạ 2

III.1: Giới thiệu về phân rã phóng xạ

• Phân rã phóng xạ :

Là hiện tượng hạt nhântự biến đổi thành hạt nhân kháckèm

theo phát ra các hạt α, β, γ, notron hay proton, hay hiện tượng

hạt nhân bắt một điện tử quỹ đạo, hiện tượng hạt nhân tự phân

chia thành 2 mảnh (hạt nhân con)

• Đặc điểm của phân rã phóng xạ :

– Sự phóng xạ chỉ liên quan tới cấu tạo của hạt nhân màkhông bị

chi phối bởi các điều kiện bên ngoàinhư nhiệt độ, áp suất,

trạng thái chất, tác nhân hoá học …

– Sự phân rã phóng xạ là kết quả của quá trình phân chia mộthạt

nhân không bền

• Phân rã tự nhiên: đồng vị không bền tự nhiên

• Phân rã nhân tạo: đồng vị không bền được tạo ra từ phản ứng hạt nhân

III.1: Giới thiệu về phân rã phóng xạ (tiếp)

– Năng lượng tỏa ra trong quá trình phân rã phóng xạ luôn dương

Q > 0

– Các hạt nhân nặng thường biến đổi theo 2 cách:

• phân rã α, và

• phân hạch– Hạt nhân có dư notron so với số notron cần thiết để giữ cho hạtnhân là bền thường phân rã β-, các hạt nhân có dư proton thường phân rã β+ Các hạt nhân bị kích thích có thể phân rãbức xạ γ

• Phương trình phân rã phóng xạ: hạt nhân đồng vị X

Trang 2

• Tia phóng xạ: là các hạt / photon được phát ra trong quá trình

phân rã phóng xạ

VD: hạt anpha (α), hạt beta (β+, β-), hạt gamma (γ, photon)…

• Đồng vị phóng xạ: là đồng vị mà hạt nhân của nó có thể phân rã

phóng xạ

• Đồng vị phóng xạ tự nhiên: > 50, từ trái đất hoặc vũ trụ

• Đồng vị phóng xạ nhân tạo: hàng trăm, từ các phản ứng hạt nhân

• Chất phóng xạ: là chất có chứa các nguyên tử của đồng vị phóng

xạ

• Chuỗi phân rã: nếu hạt nhân con của một đồng vị phóng xạ

cũng là hạt nhân phóng xạ thì sự phân rã của hạt nhân con cùng

với hạt nhân mẹ tạo thành chuỗi phân rã phóng xạ

5,7 y 1,4 10 y



Phát hiện hiện tượng phân rã phóng xạ và đồng vị phóng xạ là các yếu tố chính thúc đẩy sự ra đời của ngành vật lý hạt nhân – kỹ thuật hạt nhân

 Đem lại sự hiểu biết về cấu trúc và các cơ chế - động họctương tác trong hạt nhân

 Thúc đẩy và phát triển các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trongcông nghiệp, nông nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học …

III.2: Định luật phân rã phóng xạ

• Phân rã phóng xạ: một tính chấtđặc trưng cho mỗi đồng vị,

và ở bất kỳ trạng thái hóa – lý nào

 Do cấu trúc bên trong hạt nhâncủa đồng vị quyết định

 Không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài hạt nhân

• Phân rã phóng xạ: sựbiến đổi tự phátcủa hạt nhân đồng vị

không bền, do các tương tác bên trong hạt nhân quyết định

 Là sự chuyển dời trạng thái của một hệ nucleon (hạt nhân) từ trạng

thái đầu đến trạng thái cuối

 Tuân theo các quy luật lượng tử và có bản chất thống kê:

Phân rã phóng xạ là một quá trình xác suất thống kê → không thể

biết chính xác khi nào một hạt nhân đã cho sẽ phân rã

Trên cơ sở xác suất thống kê: có thể biết được gần đúng có bao

nhiêu hạt nhân sẽ phân rã sau một khoảng thời gian nhất định

III.2: Định luật phân rã phóng xạ (tiếp)

~ khoảng thời gian dt

 λ: hằng số tỷ lệ, khác nhau tuỳ thuộc vào từng đồng vị, được gọi

làhằng số phân rã, [ λ ] = 1/s

 dấu (-) thể hiện N(t) giảm theo thời gian: khi t tăng thì N(t) giảm

 Giải phương trình với điều kiện đầu N = N0tại t = 0

 biểu diễn định luật phân rã phóng xạ

 exp(-λt): xác suất để hạt nhân không phân rã sau thời gian t

Trang 3

A Định luật Phân rã phóng xạ:

 Hằng số phân rã λ: xác suất để 1 hạt nhân phóng xạ phân rã trong

một đơn vị thời gian

 hằng số, đặc trưng cho từng đồng vị,

 xác định từ cấu trúc và trạng thái của hạt nhân: độc lập với các

điều kiện bên ngoài (áp suất, nhiệt độ, dạng hợp chất …)

 giá trị càng lớn: đồng vị phân rã càng nhanh (và ngược lại)

 đồng vị bền: λ = 0

 Thời gian sống trung bình của hạt nhânτ:

o Thời gian sống t: hạt nhân phân rã tại thời điểm t

o Tại t: dN(t) hạt nhân phân rã

 Tốc độ phân rã Q, còn được gọi là độ phóng xạ

 thứ nguyên: phân rã / s → 1 Bq (Becquerel) = 1 phân rã/s

là khoảng thời gian để số hạt nhân đồng vị phóng xạ giảm xuống

còn một nửa so với tại thời điểm đầu

 Từ phương trình phân rã

 Xác suất phân rã của hạt nhân đồng vị phóng xạ

 Xác suất để một hạt nhân đồng vị bất kỳkhông phân rãtrong

khoảng thời gian t:

(phù hợp ý nghĩa của hằng số phân rã λ)

 Hàm phân bố xác suất để hạt nhân đồng vị phóng xạ phân rã theothời gian:

p(t)dt = {x/suất để hạt nhânkhông phân rãtrong khoảng t/g (0,t) }

×{x/suất để hạt nhânphân rãtrong khoảngdttiếp theo }

Trang 4

A Định luật phân rã phóng xạ:

 Thời gian sống trung bìnhτcủa hạt nhân đồng vị phóng xạ

 Xác suất để một hạt nhân phân rã trong khoảng thời gian dt tại

thời điểm t:

 Thời gian sống trung bình của hạt nhân đồng vị bằng:

B Hoạt độ của một mẫu chất phóng xạ, A:

là số hạt nhân biến đổi (phân rã) trong mẫu chất phóng xạ trong một đơn vị thời gian tại thời điểm t.

 Từ phương trình

với A0= A(0) là hoạt độ của mẫu tại thời điểm đầu t = 0

 Đơn vị đo hoạt độ

 Hệ SI: 1 Bq (Becquerel) = 1 phân rã/s

 Cũ: Ci (Curie) 1 Ci = 3,7×1010Bq (~ 1 gram radi)

B Hoạt độ của một mẫu chất phóng xạ

Từ phương trình:

Hoạt độ của mẫu chất

phóng xạ thuần nhất

giảm theo thời gian

theoquy luật hàm mũ

0

A t  A e

B Hoạt độ của một mẫu chất phóng xạ

 Quan hệ giữa hoạt độ phóng xạ A và khối lượng m của mẫu

đồng vị phóng xạ thuần nhất

với: NA= số Avogadro = 6,023×1023ng.tử/mol

M = nguyên tử gam (mol) của đồng vị

 1 Ci của triti1T3(T1/2= 12,6 năm; λ = 1,74×10-8/s) là hoạt độ của1,06×10-4 g đồng vị triti

 1 Ci của đồng vị92T238(T1/2= 4,47×109năm; λ = 4,88×10-18/s) làhoạt độ của mẫu uran có khối lượng là 3106 g

Trang 5

B Hoạt độ của một mẫu chất phóng xạ:

 Hoạt độ phóng xạ riêng SA của mẫu chất phóng xạ

là hoạt độ quy chuẩn theo thể tích hoặc theo khối lượng của mẫu

 Đơn vị đo: Ci/g; Ci/cm3; Bq/g; Bq/cm3…

 Mẫu thuần nhất: chỉ một đồng vị phóng xạ thì SA theo khối lượng

C Đo chu kỳ bán rã T1/2và hằng số phân rã λ :

 Có ý nghĩa thực tiễn quan trọng

 Xác định λ: từ đồ thị đo hoạt độ A(t) biến đổi theo thời gian củamẫu chất đồng vị thuần nhất

λ chính là độ dốc củađường thẳng

1/ 2

ln 2 T

 

 Khi tiến hành đo, không nhất thiết đo trực tiếp hoạt độ A(t)của

mẫu mà chỉ cần đo đại lượng tỷ lệ tuyến tính với hoạt độ kA(t),

với k là hệ số tỷ lệ

 Đồ thị bán loga của kA(t) cũng là đường thẳng có độ dốc –λ

 Đại lượng đo thường là tốc độ đếm số hạt phát xạ được ghi

bởi detector đặt cách nguồn phóng xạ một khoảng cách thích

hợp

 Phương pháp đo trên chỉ hiệu quả cho các đồng vị phóng xạ có

thời gian bán rã không quá ngắn và không quá dài: tốc độ

đếm hạt suy giảm là đáng kể trong thời gian làm thí nghiệm đo

đạc

 Đối với các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã dài hay quá ngắn

cần sử dụng các phương pháp đo khác

 Đối với các đồng vị phóng xạ cóchu kỳ bán rã rất dàithì phảixác định λ qua phép đo trực tiếp hoạt độ A0và khối lượng mẫu

U238có T1/2= 4,47×109năm

 Đối với các đồng vị phóng xạ cóchu kỳ bán rã rất ngắn(đồng

vị phóng xạ có T1/2~ 10-12s) thì hằng số phân rã λ của trạng tháiphân rã được xác định bằng cách phân tích phổ năng lượng củahạt phát xạ, cần sử dụng máy phân tích biên độ đa kênh MCA với detector có độ phân giải năng lượng cao

A 0

Trang 6

III.3: Phương thức phân rã phóng xạ

 Hạt nhân đồng vị phóng xạ tự phát phân rã, biến đổi thành một hạt

nhân con bền hơn, cóthể theo một hoặc nhiều phương thức

(các nhánh phân rã) vớixác suất (tỷ lệ rẽ nhánh) khác nhau

 Phân rã anpha (α)

 Phân rã beta (β- , β+, bắt điện tử quỹ đạo EC)

 Phân rã gamma và biến hoán trong (γ, IC)

 Phân hạch tự phát (f)

 Phát xạ nucleon (phát notron, p)

 Sơ đồ phân rã phóng xạcủa một đồng vị mô tả các nhánh phân rã

cùng các thông tin chi tiết: chu kỳ bán rã, năng lượng hạt, loại hạt…

 Năng lượng và cơ chế phân rãα, β, γ được phân tích trong các

phần sau

III.3: Phương thức phân rã phóng xạ (tiếp)

 Mọi quá trình phân rã phóng xạ đều phảithỏa mãn các định luật bảo toàntrong tự nhiên:

 Định luật bảo toàn điện tích

 Định luật bảo toàn số nucleon A

 Định luật bảo toàn số notron N và proton ZTrừ phân rã beta và bắt điện tử

 Định luật bảo toàn năng lượng (toàn phần)

 Định luật bảo toàn động lượng

 Định luật bảo toàn momen góc toàn phần

 Định luật bảo toàn tính chẵn lẻTrừ phân rã beta và bắt điện tử

 …

i Phân rã beta trừ (β-: hạt điện tử)

Hạt nhân mẹ biến đổi bằng cáchphát xạ một hạt electron(hạtđiện tử) và một hạt phản neutrino

 Phương trình phân rã:

 Điện tử phát xạ trong phân rã beta được gọi là điện tử hạt nhân

 Thực chất: phân rã β- là quá trình một hạt notron trong hạt nhânbiến đổi thành hạt proton bằng cách phát ra hạt điện tử và hạtphản neutrino

Trang 7

ii Phân rã beta cộng (β+: positron)

Hạt nhân mẹ biến đổi bằng cáchphát xạ một hạt positron và một

hạt neutrino

 Thực chất: phân rã β- là quá trình một hạt proton trong hạt nhân

biến đổi thành hạt notron bằng cách phát ra hạt positron và hạt

iii Bắt điện tử (EC: electron capture)

Hạt nhân mẹ biến đổi bằng cáchbắt một điện tử quỹ đạo lớp trong (K, L …)và phát ra một hạt neutrino

 Thực chất: là quá trình một hạt proton trong hạt nhân mẹ bắtđiện tử quỹ đạo và biến đổi thành hạt notron, đồng thời phát rahạt neutrino

 Trong phân rã beta, số Z và số N thay đổi một đơn vị nhưng số A

(tổng số Z + N) không thay đổi

 Các hạt nhân con được tạo thành trong phân rã beta thường ở

trạng thái kích thích

c Phân rã gamma (γ)

Hạt nhân mẹ ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản hay

về trạng thái kích thích năng lượng thấp hơn bằng cáchphát ra một photon (bức xạ điện từ) được gọi là tia γ

Trang 8

d Phân rã biến hoán trong (IC – internal conversion)

Hạt nhân mẹ ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản hay

về trạng thái kích thích năng lượng thấp hơn bằng cáchtruyền trực

tiếp năng lượng kích thích cho một điện tử quỹ đạo ở lớp trong

và bứt điện tử ra khỏi nguyên tử

 Điện tử phát xạ: điện tử biến hoán trong

 Một điện tử ở lớp ngoài hơn: nhanh chóng nhảy xuống chiếm

chỗ trống → phát tia X đặc trưng / điện tử Auger kèm theo

 Về bản chất: phân rã biến hoán trong cũng là một quá trình khử

trạng thái kích thích của hạt nhân mẹ → cạnh tranh quá trình

 Các trạng thái kích thích của hạt nhân trong trường hợp nàythường trong thời gian rất ngắn: chu kỳ bán rã ngắn, nói chung

< 10–9s

 Một số trạng thái kích thích có chu kỳ bán rã dài hơn, thời gianphân rã lên tới vài giờ hay vài ngày: được gọi là cáctrạng thái giả bền hay trạng thái isomer → lý do: sự chênh lệch về spin giữa 2 trạng thái chuyển mức lớn

 Được ký hiệu bằng trạng thái m Ví dụ: Tc99m(T1/2= 6,01 h)

 Sự phân rã của chúng được gọi là các chuyển dời isomer

 Trong phân rã γ và biến hoán trong IC: loại hạt nhân không thayđổi → Z và N không thay đổi

e Phân hạch tự phát

Một số hạt nhân đồng vị nặng giàu notron có thể phân rã bằng cách

tự phát vỡ thành 2 mảnh hạt nhân nhẹ hơn, thường là các hạt

nhân trung bình phân rã anpha hoặc beta, và kèm theo phát vài

 Ví dụ: các hạt nhân là sản phẩm phân hạch của92U235

Trang 9

 Một đồng vị có thể phân rã phóng xạ theo nhiều phương thức cạnh

tranh khác nhau (các nhánh phân rã) Ví dụ:

 Mỗi phương thức phân rã (i) có hằng số phân rã riêng i

 Tỷ lệ phân nhánh fi được định nghĩa theo:

 Xác suất để đồng vị phân rã theo nhánh i

 Tương ứng với mỗi nhánh phân rã (hằng số phân rã riêng i) có chu

kỳ bán rã riêng T1/2i

Chu kỳ bán rã hiệu dụng :

i i

f  



1 2,i i

ln 2

T 



i i

 Là sơ đồ phân bố của hạt nhân mẹ và hạt nhân con (các sản phảm

sau phân rã của hạt nhân mẹ) theo hệ tọa độ (nguyên tử số, năng

lượng) và cho thông tin về các kênh phân rã

Sơ đồ phân rã của Ra-226

88Ra  86Ra  

Cu-64 phân rã theo 3 nhánh:

+, - và EC

Trang 10

Sơ đồ phân rã của Co-60:

có 2 chuyển dời γ

Sơ đồ phân rã giản lược của Mo-99:

tạo trạng thái isomer của hạt nhân con

 Những đặc trưng phân rã phóng xạ của một đồng vị phóng xạ :

- Hằng số phân rã 

- Chu kỳ bán rã (chu kỳ bán hủy) T1/2

- Thời gian sống trung bình  của một hạt nhân đồng vị phóng xạ

- Các phương thức phân rã cạnh tranh và tỷ lệ phân nhánh

- …

Sơ đồ phân rã của các hạt

III.4: Năng lượng và cơ chế phân rã phóng xạ

 Xét quá trình phân rã phóng xạ của hạt nhân mẹ X: biến đổi thành hạtnhân con Y và phát hạt a

 Định luật bảo toàn năng lượng trong quá trình phân rã

 Năng lượng phân rã Q là năng lượng tỏa ra trong quá trình phân rã

 Điều kiện về năng lượng để xảy ra phân rã phóng xạ

Trang 11

III.4.1: Phân rã anpha 

 Các hạt nhân đồng vị nặng: có quá nhiều proton thường không bền,

thường phát ra một hạt  (hạt nhân ) để biến đổi thành hạt nhân

bền hơn

 Có khoảng 200 đồng vị phân rã anpha đã biết

- Hầu hết có Z > 82; một số đồng vị đất hiếm có A trong khoảng

- Riêng nhóm đất hiếm phân rã : Trất thấp và T1/2 lớn

VD: (neodymi): T= 1,905 MeV và T1/2 = 2,291015 năm

 Các hạt  phát xạ từ một đồng vị thường gồm nhiều nhóm năng

lượng khác nhau: phổ năng lượng gián đoạn(phổ vạch)

8

4Be

4He

144

60Nd

 Các hạt nhân đồng vị nặng: có quá nhiều proton thường không bền, thường phát ra một hạt  (hạt nhân ) để biến đổi thành hạt nhânbền hơn

 Có khoảng 200 đồng vị phân rã anpha đã biết

- Hầu hết có Z > 82; một số đồng vị đất hiếm có A trong khoảng

144

60Nd

1 Năng lượng trong phân rã anpha

 Xét hạt nhân mẹ X ở trạng thái nghỉ, có khối lượng M, phân rã  tạo

thành hạt nhân con Y ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái kích thích

 Năng lượng phân rã anpha Q:

- Nếu hạt nhân con ở trạng thái cơ bản:

- Nếu hạt nhân con ở trạng thái kích thíchE*

- Điều kiện năng lượng của phân rã : Q> 0

 Năng lượng của hạt anpha Qvà hạt nhân lùi (hạt nhân con Y)

- Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng:

 hạt  phát xạ cónăng lượng xác định(đơn năng)

 nếu hạt nhân con được tạo thành ở vài trạng thái kích thích: cáchạt  cóvài năng lượng rời rạctương ứng  phổ năng lượngrời rạc gồm vài nhóm năng lượng

Trang 12

Sơ đồ mức năng lượng trong phân rã anpha của Ra-226

Nhóm hạt  chính: nhóm có tỷ lệ phát

xạ lớn nhất

2 Quy luật phân rã anpha

 Geiger Muller (1911) nghiên cứu tính chất phân rã phóng xạ củacác đồng vị nặng trong tự nhiên đã nhận thấy rằng: các đồng vịphân rã  cónăng lượng phân rã lớn thì có chu kỳ bán rã ngắn

và ngược lại

 Định luật Geiger – Nuttall:

- Hằng số phân rã  giữa các trạng thái cơ bản của các hạt nhânchẵn – chẵn thay đổi có hệ thống theo quy luật sau

a và b là các hàm số phụ thuộc vào Z

- T1/2() của các hạt nhân lẻ – lẻ và chuyển dời giữa các trạng tháikích thích thường lớn hơn của hạt nhân chẵn – chẵn bên cạnh

và giữa các trạng thái cơ bản

 Định luật Geiger – Nuttall đã được giải thích thành công bằngCHLT năm 1928: vai trò và sự đúng đắn của CHLT

của các hạt nhân chẵn – chẵn phù hợp định luật Geiger – Nuttall

Các điểm có cùng Z dường như nằm trênmột đường thẳng

log T    a b log Q

3 Lý thuyết phân rã anpha

 Mẫu giọt tiên đoán: các hạt nhân có Z > 72 có thể phân rã  và Q

tăng lên theo giá trị Z nhưng không giải thích được khoảng giá trịrộng của hằng số phân rã  và quy luật Geiger – Nuttall

 Lý thuyết cổ điển không giải thích được tại sao phân rã  có thể xảy

ra khi hạt  bị phát xạ có động năng rất nhỏ so với rào thế Culombđối với nó tại biên của hạt nhân mẹ:

 Các tính chất của phân rã  đã được giải thích bằng CHLT gần nhưđồng thời bởi Ganov và bởi Gurney – Condon (1928):

- Phân rã  xảy ra do hiệu ứng xuyên hầm của hạt  qua rào thếCulomb

Trang 13

 Lý thuyết phân rã  của Ganov và Gurney – Condon (1928):

- Giả thiết: hạt  được hình thành sẵn trong hạt nhân, chuyển

động xung quanh một thể tích cầu xác định cho hạt nhân con Y

 mô hình mẫu hạt nhân 1 hạt

- Thế năng tương tác giữa hạt 

và hạt nhân dư Y có dạng:

Q = năng lượng phân rã 

a = tổng bán kính của hạt 

và hạt nhân con Y

Hiệu ứng xuyên hầm của hạt anpha

o Hạt  tồn tại trong giếng thế tạo bởi lực hạt nhân và lực Culomb

o Biên độ hàm sóng của hạt  lớn ở trong giếng thế và có một xácsuất truyền qua rào thế nhỏ

 Lý thuyết mẫu hạt nhân một hạt: hằng số phân rã  của phân rã 

với: f = tần số hạt  tới được rào thế;  v/a (v: vận tốc của hạt )

P = xác suất truyền qua rào thế của hạt  (CHLT)

Kết quả tính phù hợp với thực nghiệm trên các hạt nhân phân rã 

2m

G      V r  Q dr;  2G

 Nhận xét từ công thức tính T 1/2của lý thuyết phân rã :

- Sự thay đổi nhỏ của T dẫn đến sự thay đổi lớn của T1/2

- Kết quả phù hợp với định luật Geiger – Nuttall, đặc biết đối với cáchạt nhân chẵn – chẵn phân rã  của 3 chuỗi phóng xạ tự nhiên, chuyển dời giữa các trạng thái cơ bản  khẳng định hiệu ứng xuyênhầm của phân rã 

- Phân rã  chỉ xảy ra khi Tđủ lớn: xác suất đủ lớn

 NếuT< 2 MeV: 1/2 quá lớn không quan sát được phân rã 

 Hầu hết các hạt nhân cóZ < 82 có Q> 0 và T< 2 MeV: thực tếkhông quan sát được phân rã 

- Giải thích được phân nhánh chính của phân rã  : có cường độ lớn nhấtthường cónăng lượng cao nhất Nhưng có nhiều trườnghợp nhánh chính không ứng với nhóm có năng lượng cao nhất

- Chưa tính đến độ biến dạng lớn của các hạt nhân nặng, mật độ trạngthái cuối …

Trang 14

Thế tương tác của hạt 

đối với hạt nhân U-238

Hình thành hạt , giải phóng năng

lượng liên kết  28,3 MeV

Năng lượng liên kết của (2n + 2p)

trong hạt nhân mẹ  24,4 MeV

Bốn lần năng lượng liên kết trung

bình của nucleon trong hạt nhân mẹ

4 Momen góc và tính chẵn lẻ trong phân rã anpha

 Xét trạng thái (l, ) của hạt nhân mẹ và nhân con trong phân rã :

 Trạng thái (l, ) của hạt  bị phát xạ (spin của hạt  là j = 0):

I= l; = (– 1)I

 Các quy tắc chọn lọc đối với trạng thái cuối phụ thuộc vào momengóc quỹ đạo của hạt  bị phát xạ, theo định luật bảo toàn momengóc và bảo toàn tính chẵn lẻ :

 hạn chế một số trạng thái cuối có thể có trong phân rã 

 Hiệu ứng momen góc quỹ đạo của hạt  bị phát xạ:

hạt  bị phát xạ có momen góc quỹ đạo là phải chụi thêm một

rào thế ly tâm  tăng độ cao và độ dày của rào thế đối với hạt 

cản trở hạt nhân mẹ phát hạt : giảm xác suất hiệu ứng xuyên hầm

quỹ đạo của hạt (hạt nhân )

 việc phát xạ hạt  có momen góc quỹ đạo l  0 sẽ không thuận lợi

 Việc phân rã  kém thuận lợi hơn đối với các hạt nhân A–lẻ và

hạt nhânlẻ–lẻngay cả khi phát xạ hạt  có momen góc quỹ đạo

l = 0.

Trang 15

III.4.2: Phân rã beta: -, +, bắt điện tử

 Các phân rã beta, bao gồm-, + và bắt điện tử quỹ đạo (EC)có

các đặc điểm chung như sau:

 Làm cả số Z và N thay đổi 1 đơn vị, nhưng số A không thay đổi

 Là phương thức để một đồng vị không bền (do có quá nhiều

notron hoặc proton) “trượt xuống” theo đường parabol khối

lượng của hạt nhân đồng khối để trở thành một hạt nhân đồng

– phân rã bắt điện tử quỹ đạo (EC): p + e- n + 

 Đều phát xạ kèm theo phát hạt neutrino  hay phản neutrino



 Phân rã-xảy ra với cả notron cóliên kếttrong hạt nhân và notrontự

do (T1/2của notron tự do  10 phút)

 Phân rã+ và EC chỉ xảy ra với proton có liên kết trong hạt nhân

 Do bị cấm về năng lượng đối với p tự do và p trong hạt nhân1H1

(mp< mn)

 Khi p trong hạt nhân, các quá trình phân rã xảy ra được do đượccung cấp thêm năng lượng từ tương tác hạt nhân

 Hạt nhân đồng vị có quá nhiềuproton: thường phân rã

-Hạt nhân đồng vị có quá nhiềunotron: thường phân rã+ và/hoặc EC

 cạnh tranh: tạo cùng hạt nhân con

 Một số hạt nhân đồng vị phân rã beta theo cả 3 kênh-, + vàEC

 Các kết quả đo: năng lượng phân rã và chu kỳ bán rã nằm trong giảirất rộng:

Q= 0,018 MeV  16,6 MeV; T1/2() = 10–2s  1015năm

 Neutrino và phản neutrino có những tính chất cơ bản sau:

 Khối lượng nghỉ m 0 (thực nghiệm: m< 10–4me)

Điện tích Z= 0 Spin s= 1/2 Momen từ = 0

 Có tiết diện tương tác với vật chất rất nhỏ (do không có điện tích và

khối lượng): quãng chạy tự do rất lớn ( 1016km trong chất rắn và

 1010km trong hạt nhân)  Rất khó phát hiện

 Sự tồn tại của neutrino được tiên đoán lần đầu tiên khi Pauli (1931)

nghiên cứu phân rã beta

Năm 1934 Fermi xây dựng thành công lý thuyết phân rã beta dựa

trên giả thiết về neutrino của Pauli

Năm 1936 Laypunski và các năm tiếp theo: chứng mình được sự

tồn tại của hạt neutrino và hạt phản neutrino  lý thuyết và thực

nghiệm

1 Năng lượng trong phân rã beta

 Kết quả đo phân bố năng lượng của các e- phát ra từ hạt nhânphân rã - : phổ liên tục từ 0 đến một giá trị cực đại nào đó  Gâyngạc nhiên lớn

 Khối lượng của hạt nhân mẹ và hạt nhân con đều cố định năng lượng Tphải cố định (tương tự như phân rã )Vậy tại sao Tlại liên tục? Có sự vi phạm định luật bảo toànnăng lượng và động lượng?

 Hạt nhân mẹ và hạt nhân con là các hạt nhân đồng khối, có spin cùng là nguyên hoặc bán nguyên, trong khi e- có spin bánnguyên  vi phạm định luật bảo toàn momen góc?

 (spin nguyên/bán nguyên)  (spin nguyên/bán nguyên)  1/2

??????

ZX  Z 1Y 1

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	1,19 MB