Bài giảng Vật lý 2: Chương 8a - Lê Quang Nguyên

• Khối lượng một hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo nên nó.. • Độ chênh lệch khối lượng đó được gọi là độ hụta[r]

Trang 1

Vật lý hạt nhân

Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen

nguyenquangle59@yahoo.com

Nội dung

1 Mở đầu

2 Tính chất cơ bản của hạt nhân

3 Hiện tượng phóng xạ

4 Phản ứng hạt nhân

5 Năng lượng hạt nhân

1 Mở đầu – 1

• 1896 – Becquerel khám phá hiện tượng phóng

xạ của các hợp chất Uranium

• Rutherford chứng tỏ tia phóng xạ gồm ba loại:

tia alpha, beta và gamma

• 1911 – Rutherford, Geiger and Marsden thực

hiện tán xạ hạt alpha trên nguyên tử, từ đó

thiết lập mô hình nguyên tử gồm hạt nhân +

electron

• 1919 – Rutherford phát hiện phản ứng hạt

nhân: hạt nhân oxygen + alpha hạt nhân

nitrogen

1 Mở đầu – 2

• 1932 – Chadwick phát hiện hạt neutron Ivanenko đưa ra mô hình hạt nhân gồm proton

và neutron

• 1933 – Fredéric Joliot và Irène Curie khám phá hiện tượng phóng xạ nhân tạo

• 1935 – Yukawa: lực hạt nhân được thực hiện thông qua trao đổi các hạt π-meson

• 1938 – Hahn và Strassman khám phá sự phân hạch hạt nhân

• 1942 – Fermi thực hiện lò phản ứng hạt nhân

có điều khiển đầu tiên

Trang 2

1 Mở đầu – 3

H Becquerel E Rutherford J Chadwick

O Hahn E Fermi H Yukawa D Ivanenko

Frederic & Irene

2 Tính chất cơ bản của hạt nhân

a Cấu trúc

b Kích thước

c Momen spin và momen động

d Momen từ hạt nhân

e Lực hạt nhân

f Năng lượng liên kết

2a Cấu trúc hạt nhân

• Hạt nhân cấu tạo từ các nucleon

(proton, neutron)

• Ký hiệu:

• Ví dụ:

Z

A

X

X: ký hiệu hóa học Z: số proton (bậc số nguyên tử)

A = Z + N: số khối

13

27

Al Al: nhôm Z = 13

A = 27

2a Cấu trúc hạt nhân (tt)

• Khối lượng nucleon:

Proton 1,6726 × 10-27 1,007825 938,79

Neutron 1,6750 × 10-27 1,008665 939,57

Electron 9,101 × 10-31 5,486 × 10-4 0,511

1u = 1,660559 × 10-27 kg = 931,5 MeV/c2 Nguyên tử C12 có khối lượng bằng 12u

Trang 3

2b Kích thước hạt nhân

• Năm 1911, Rutherford dùng

các hạt α bắn phá hạt nhân,

qua đó ước lượng bán kính hạt

nhân:

• Vậy:

– thể tích hạt nhân tỷ lệ với số

khối A

– mọi hạt nhân đều có khối

lượng riêng gần bằng nhau

1 3

0

15

10 -15 m

2c Momen spin và momen động

• Giống như electron, các nucleon cũng có spin bằng ½

• Momen động của một nucleon bằng tổng momen động quỹ đạo và momen động spin

• Momen động của hạt nhân bằng tổng momen động của các nucleon Nó có độ lớn:

• j = 1, 2, 3, nếu A chẵn,

• j = 1/2, 3/2, 5/2, nếu A lẻ

( 1)

J=ℏ j j+

2d Momen từ hạt nhân

• Momen từ hạt nhân bằng tổng các momen từ

của các nucleon

• Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic

Resonance – NMR):

– Trong một từ trường các momen từ hạt nhân

hướng cùng chiều hay ngược chiều với B

– Kích thích bằng một từ trường xoay chiều có tần

số radio

– Khi cộng hưởng, các photon bị hấp thụ mạnh để

đảo chiều momen từ

– Ứng dụng: chụp ảnh bằng cộng hưởng từ hạt

nhân (Magnetic Resonance Imaging – MRI)

2d Momen từ hạt nhân (tt)

thần kinh thị giác

Trang 4

2e Lực hạt nhân – 1

• Các nucleon hút nhau bằng

lực hạt nhân để giữ cho hạt

nhân bền vững

• Lực hạt nhân có các tính chất

– phạm vi tác dụng ngắn ~

10−15 m,

– phụ thuộc định hướng spin,

– không phải lực xuyên tâm,

– là lực trao đổi: các nucleon

tương tác bằng cách trao

đổi các π-meson (Yukawa)

H Yukawa

• Hai người trượt tuyết luôn “liên kết” với nhau

để có thể ném banh qua lại

• Các nucleon “liên kết”

bằng cách trao đổi một

trong ba hạt π-meson:

π+ có điện tích +e,

π− có điện tích –e,

π0 trung hòa

p

n

p

π+

p↔ +n π+ n↔ +p π−

0

p↔ +p π

• Trong thời gian ngắn Δt,

nucleon có độ bất định ΔE

• đủ lớn để tạo ra một hạt

π-meson có khối lượng cho bởi:

• Trong thời gian Δt, hạt

truyền qua tầm tác dụng của

lực hạt nhân r:

• Vậy π-meson có khối lượng:

• Với r ~ 1,5 × 10-15m ta có:

• Thực nghiệm xác nhận khối

lượng của π-meson

E t

∆ ∆ >ɶ ℏ

2

∆ =

c t∆ =r

mπ >ɶ ℏ rc

28

2,33 10

2f Năng lượng liên kết – 1

• Khối lượng một hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo nên nó

• Độ chênh lệch khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân

• Năng lượng cần để tạo nên hạt nhân là năng lượng liên kếtcủa hạt nhân

• Chính độ hụt khối tạo nên năng lượng liên kết của hạt nhân:

2

lk

W = ∆Mc

Trang 5

• Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết

tính trên một nucleon

• Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân

càng bền

lk

W

A

ε =

Các hạt nhân bền nhất có A ≈ 60 Hầu hết hạt nhân có ε ≈ 7 – 8,6 MeV

Câu hỏi áp dụng 2.1

Tìm năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ,

biết khối lượng của nó là 92,9063768u

93

41Nb

Trả lời câu hỏi 2.1

• Độ hụt khối của hạt nhân:

• Năng lượng liên kết riêng:

41 p 93 41 n Nb

41 1,007825 52 1,008665 92,9063768

M

0,865028

∆ =

2

M c A

ε = ∆ ⋅

0,865028 931,5

8,66 93

MeV

1u = 931,5 MeV/c2

Trang 6

3 Hiện tượng phóng xạ

a Hiện tượng

b Cơ chế phóng xạ

c Định luật phóng xạ

d Các họ phóng xạ

e Phóng xạ nhân tạo

3a Hiện tượng

• Hiện tượng phóng xạ là

sự phân rã tự nhiên của các hạt nhân không bền, phát ra:

• Tia alpha: hạt nhân

• Tia beta: electron hay positron (phản hạt của electron)

• Tia gamma: photon năng lượng cao

4

2He

Chỉ có thể xuyên qua một tờ giấy

Có thể xuyên qua một lá nhôm dày vài

mm

Có thể xuyên qua một bản chì dày vài

cm

3a Hiện tượng (tt)

• Phóng xạ tuân theo các định luật bảo toàn:

năng lượng, động lượng, momen động lượng,

điện tích và số khối

• Ví dụ:

– Phóng xạ α

– Phóng xạ β

– Phóng xạ γ

238 234

4

1

0

90Th→ 91Pa *+− e

1

Pa *→ Pa hf+

A giảm 4

Z giảm 2

A không đổi

Z tăng 1

Trạng thái kích thích

3b Cơ chế phóng xạ

• Phóng xạ α: do các hạt α chui ngầm

ra khỏi rào thế hạt nhân

• Phóng xạ β+ hay β–: do sự biến đổi qua lại giữa proton và neutron

• Phóng xạ γ: do hạt nhân chuyển từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái có năng lượng thấp hơn

1

1 1

0 0

1

e

p→ + +n e ν

1

1 0

0 1

1

e

n→ p+ − e+ν

neutrino: rất nhẹ, trung hòa, spin ½ phản neutrino

Pauli đã tiên đoán sự tồn tại của neutrino từ năm 1931 nhờ định luật bảo

năm 1957 thì các nhà khoa học quan sát được hạt này

Trang 7

Một hạt nhân Ra226 đang đứng yên thì phân rã α

Phát biểu nào sau đây là đúng?

(a) Hạt α có động năng lớn hơn hạt nhân con

(b) Hạt nhân con có động năng lớn hơn hạt α

(c) Hạt nhân con có động năng bằng hạt α

• Theo định luật bảo toàn động lượng, hạt nhân

con và hạt α có động lượng bằng nhau và

ngược chiều

• Động năng = ½ (động lượng)2/(khối lượng)

• Hạt α nhẹ hơn nên có động năng lớn hơn

• Câu trả lời đúng là (a)

Coi khối lượng của một hạt nhân có số khối A là A

(u)

Hạt nhân Ra226 đứng yên phóng xạ ra hạt α với

động năng 4,78 (MeV) Năng lượng toàn phần tỏa

ra từ phản ứng là:

(a) 0,487 (MeV) (b) 4,87 (MeV)

• Năng lượng toàn phần tỏa ra gồm động năng

của hạt α và của hạt nhân con:

1

m

Q

α

1

X

m

α α

4

A

α

=  + =

−

4,78 MeV 226 Câu trả lời đúng là (b)

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	2,47 MB