Như vậy, nếu hạt nhân Uranium tách thành 2 hạt nhân nhẹ hơn với khối lượng mỗi hạt bằng một nửa khối lượng của Uranium, thì có sự tăng năng lượng liên kết của hệ. Năng lượng liên kết trư[r]
Trang 1Chương 1
SƠ LƯỢC VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ
VẬT LÝ NƠTRON PGS TS Nguyễn Nhị Điền
Đà Lạt, 2014
Trang 2Phần 1
NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN
VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN
Trang 3 Phát hi ện ra tia X:
+ Năm 1895, Wilhelm Roentgen phát
hiện ra tia X-rays mà ngày nay đi
vào lịch sử ứng dụng của ngành y
học.
Phát hi ện ra tia bức xạ:
+ Năm 1896, Henri Becquerel phát
hiện ra tia bức xạ đặc biệt (tia phóng
xạ) của Uranium làm đen kính ảnh.
Phát hiện ra electron e - :
+ Năm 1897, J Thomson tìm ra hạt
sơ cấp đầu tiên, là hạt electron
trong thành phần tia cathode.
1 Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân:
Trang 41 Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân:
+ Năm 1902, Ernest Rutherford giải
thích hiện tượng phân rã phóng xạ.
Tìm ra nguyên tố phóng xạ:
+ Năm 1898, Marie và Pierre Curie
tìm ra nguyên tố phóng xạ Radium
và Polonium.
Trang 5+ Năm 1905, thuyết tương đối của
Albert Einstein ra đời, ông đã tìm ra mối
liên hệ giữa năng lượng E và khối lượng m
của vất chất.
E = mc 2 với c = 3.10 8 m/s
+ Một hạt có khối lượng rất bé có thể chuyển thành một năng lượng cực kỳ lớn Ngành Năng lượng hạt nhân ra đời.
+ Vật lý hạt nhân đã sử dụng triệt để 2 tư tưởng của vật lý hiện đại là tính lượng tử và tính tương đối.
1 Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân:
Trang 6• Bức xạ ion hoá:
•Là loại bức xạ có khả năng tạo ra sự ion hoá môi trường vật chất mà nó đi qua.
•Tia X, tia gamma: bức xạ điện từ có bước sóng ngắn
•Tia alpha, beta: hạt mang điện
•Nơtron: là hạt trung hòa, không mang điện
•Tia X phát ra từ cấu trúc điện tử của nguyên tử
của hạt nhân
•Nơtron: là hạt không mang điện, cùng với proton tạo
thành hạt nhân của nguyên tử.
2 Bức xạ ion hoá và tương tác của bức xạ với vật chất:
Trang 7• Tia alpha là hạt mang điện
tích d ương nên l ệch về phía
cực âm của điện trường Điện
tích hạt α gấp 2 lần điện tích
của hạt proton, có khối lượng
bằng khối lượng của nguyên
tử heli Vận tốc khoảng
20.000 km/s.
• Tia beta mang điện tích âm
nên lệch về phía cực dương
của điện trường, đó là các hạt
electron Vận tốc khoảng
100.000 km/s
• Tia gamma là bức xạ điện từ,
không lệch về cực nào của
điện trường, có bản chất như
2 Bức xạ ion hoá và tương tác của bức xạ với vật chất:
Trang 8 Tương tác của hạt alpha và
bêta với vật chất:
• là các hạt mang điện nên gây
ion hoá mạnh
• nhanh chóng mất năng lượng
khi tương tác nên khả năng
xuyên sâu kém Một tờ giấy đủ
ngăn chùm hạt alpha năng
lượng 1.5 MeV
- tán xạ, mất năng lượng dần, đặc biệt đối với nguyên tố nhẹ.
- kích hoạt nơtron: bị hấp thụ bởi hạt nhân tạo thành đồng vị phóng xạ và phát các bức xạ
gamma, bêta, alpha.
- kích hoạt nơtron là cách để tạo ra đồng vị phóng xạ trong Lò phản ứng hạt nhân
59 Co(n, γ) 60 Co
Trang 9 Tương tác của tia X và tia
gamma với vật chất:
• hấp thụ quang điện: hấp
thụ toàn bộ năng lượng và
phát ra điện tử.
điện tử, truyền một phần
năng lượng cho điện tử.
• tạo cặp: tương tác với
trường điện từ của hạt
nhân, tạo cặp
electron-positron.
• Khả năng xuyên sâu lớn. I = B Io exp(-µ.d.x) Cần che chắn bằng vật liệu
nặng.
9
Trang 10- Năm 1911, mẫu nguyên tử có hạt nhân của E Rutherford
ra đời, đánh dấu thời điểm khởi đầu của Vật lý HN (dùng hạt alpha bắn phá nguyên tử, phát hiện sự tồn tại hạt nhân kích thước cỡ 10 -12 cm).
- Nguyên tử gồm: Hạt nhân & các điện tử (J Thomson đã
- Hạt nhân gồm: Các proton (p) và các nơtron (n), hay còn gọi chung là các hạt nucleon (giả thuyết của Ivanenko &
Heisenberg năm 1932).
- Proton có điện tích dương (Rutherford tìm ra năm 1914) Nơrton là hạt trung hòa không mang điện (James Chadwick
3 Cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân:
Trang 113 Cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân:
Điện tử: e - = 1,602x10 -19 culông,
m e- = 9,11x10 -28 g
Hạt nhân: m p = 1836 m e- , m n = 1838
m e- Hạt nhân có số khối A, số proton bằng số nguyên tử Z (thứ tự trong bảng tuần hoàn), và số nơtron là N
(A = Z + N).
Nguyên tử
Trang 12Trong hạt nhân gồm có các proton và các neutron, gọi chung là các nucleon
Nguyên tử (atom) bao gồm hạt nhân ở giữa, là hạt có kích thước nhỏ, khối lượng lớn, mang điện tích dương, được bao quanh bởi đám mây của các electron tích điện âm chuyển
động trên các quỹ đạo xung quanh hạt nhân
Tổng số các proton trong hạt nhân gọi là nguyên tử số (atomic number) của nguyên tử và ký hiệu là Z.
Số neutron trong hạt nhân ký hiệu là N Tổng cộng số
nucleon trong hạt nhân là A = Z + N, gọi là số khối của
nguyên tử (atomic mass number)
Trang 13Các nguyên tử mà hạt nhân của nó có cùng số proton nhưng khác số neutron gọi là các đồng vị (isotopes)
Ví dụ: Oxygen có 3 đồng vị bền (stable isotopes) là 16 O, 17 O, 18 O
và 5 đồng vị không bền hay gọi là đồng vị phóng xạ
(radioactive isotopes) 13 O, 14 O, 15 O, 19 O và 20 O
Đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit), viết tắt là amu, bằng 1 phần 12 khối lượng của nguyên tử 12 C trung hòa, tức là:
1 amu = (1/12) x m ( 12 C) = 1.66053.10 -27 kg (1.1)
Trang 144 Bán kính của hạt nhân và nguyên tử:
Bán kính trung bình của nguyên tử, trừ một vài nguyên tử nhẹ nhất, khoảng 2.10 -8 cm Hạt nhân được xem như hình cầu có bán kính theo công thức:
r 0 = (1.2 – 1.5).10 -13 cm
Từ công thức (1.2) cho thấy, thể tích V của hạt nhân tỷ lệ thuận với A Tỷ số A/V , số nucleon trên mỗi đơn vị thể tích là bằng
hằng số Mật độ của vật liệu hạt nhân là: (xem mp ≈ mn)
V
m
A
πr 3 4
Am
3 0
p
3 0
p
πr 3 4 m
Trang 155 Khối lượng và năng lượng:
Theo công thức của A Einstein’s:
v ới c = 3.10 8 m/s là vận tốc ánh sáng.
Đơn vị của năng lượng trong hệ SI là Joule (J) Một loại đơn vị khác hay sử dụng trong công nghệ hạt nhân là electron-volt, ký hiệu là eV
1 eV = 1.60219.10 -19 J (1.4) Mối quan hệ giữa đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit) và eV:
1 amu = 1.66053.10 -27 kg = 931.481 MeV (1.5) với 1 MeV = 10 6 eV.
Trang 16Khi vật thể chuyển động, khối lượng của nó tăng tương đối so với người quan sát theo công thức sau:
ở đó m 0 là khối lượng nghỉ (rest mass) và v là vận tốc của nó
2 2
0
/c v 1
m
−
2 2
0
/c v 1
m
−
Động năng E là sự khác biệt giữa năng lượng toàn phần W và năng lượng của khối lượng nghỉ (rest-mass energy):
Trong trường hợp không tương đối, tức là khi v << c, thì động năng sẽ là: E = m 0 (1+1/2(v2/c2)) c 2 – m 0 c 2
Trang 176 Năng lượng liên kết:
Độ hụt khối (mass defect):
với m p và m n là khối lượng của proton và neutron tương ứng,
và M(Z, A) là khối lượng của hạt nhân đó.
Sự tương đương năng lượng của độ hụt khối được gọi là năng lượng liên kết (binding energy) E B của hạt nhân:
E B = [Zm p + Nm n – M(Z, A)] c 2 (1.10)
Năng lượng liên kết trung bình ε của mỗi nucleon đối với A chỉ
ra trong Hình 1.1:
A
EB
Trang 18Hình 1.1 Năng lượng liên kết của mỗi nucleon là hàm
của số khối nguyên tử A.
9,0
8,5
8,0
7,5
0 50 100 150 200 250 A
V) 6 4 8
2 0
0 10 20 30 A
ε = (MeV)
A
EB
Trang 19Từ Hình 1.1 cho thấy rằng, đường cong của ε tăng theo A từ 1 đến khoảng 50 và sau đó là biến thiên theo hàm giảm khi A tăng.
Tính chất này của đồ thị năng lượng liên kết là rất quan trọng trong việc xác định các nguồn có thể của năng lượng hạt nhân.
Các hạt nhân mà có năng lượng liên kết của mỗi nucleon lớn là những hạt nhân đặc biệt bền hoặc được bao rất chặt.
Hình 1.1 cũng chỉ ra rằng hạt nhân trung bình là bền vững nhất, trong khi đó hạt nhân nhẹ và hạt nhân nặng lại kém bền hơn Như vậy, năng lượng liên kết có thể được giải phóng hoặc
là từ hạt nhân nhẹ do tổng hợp nhiệt hạch (fusion) hoặc từ hạt nhân nặng do phân hạch hạt nhân (fission).
Trang 20Ta hãy xem xét một ví dụ về sự phân hạch của hạt nhân
238 U Năng lượng liên kết của mỗi nucleon của 238 U là khoảng 7.5 MeV , trong khi nó vào khoảng 8.4 MeV đối với hạt nhân có số khối A = 119 (tức là 238/2) Như vậy, nếu hạt nhân Uranium tách thành 2 hạt nhân nhẹ hơn với khối lượng mỗi hạt bằng một nửa khối lượng của Uranium, thì có
sự tăng năng lượng liên kết của hệ.
Năng lượng liên kết trước phản ứng là 7.5 MeV Năng lượng liên kết sau phản ứng là 8.4 MeV Độ hụt khối là 0.9 MeV cho mỗi nucleon Độ hụt khối toàn phần là 238 × 0.9 MeV = 214 MeV Cho bức tranh gần như giá trị 200 MeV giải phóng khi có một phân hạch 235 U.