Giáo trình Vật lý nguyên tử hạt nhân GS.Cao Chi R.Gautreau W Savin

• ý tưởng: Bắn phá nguyên tử bằng đạn có năng lượng cao, sao cho tương tác với nguyên tử mất mát năng lượng không đáng kể - tính tương tác đó -> cấu trúc nguyên tử P/P cơ bản trong các t

• Tài liệu tham khảo:

1 Nguyễn Minh Thủy, Giáo trình VLNT(LT và BT)

2 Lê Chân Hùng, Lê Trọng Tường, Vật Lý Nguyên Tử và

Hạt Nhân, NXBGD, 2000

3 Giáo trình Vật lý nguyên tử hạt nhân của GS.Cao Chi

4 R.Gautreau và W Savin Vật lý hiện đại NXBGD 2003

5 D Halliday, VL Đại cương, tập 6, NXBGD 1998

6 Một số sách tiếng Anh (hỏi trực tiếp GV)

Ch 1 Cấu trúc nguyên tử theo thuyết cổ điển

• 1903 J.J

Thomson-• mô hình nguyên tử N1

-Hình cầu d cỡ 10-10 m,

- Điện tích dương phân bố đều

giống bánh ga tô với các quả khô nằm rải rác (điện tích +), xung quanh là các điện tử.

- Điện tích âm và dương trung hoà.

0

A

1.1.Thí nghiệm Rutherford

• Để CM mẫu Thomson bằng thực nghiệm

• ý tưởng: Bắn phá nguyên tử bằng đạn có năng lượng cao, sao cho tương tác với nguyên tử (mất mát năng lượng

không đáng kể) - tính tương tác đó -> cấu trúc nguyên tử

(P/P cơ bản trong các thí nghiệm Nghiên Cứu nguyên tử- hạtnhân sau này)

Điều kiện: - Chùm hạt tới (đạn) có cùng động năng, cỡ MeV

-Bia (các nguyên tử) mỏng: coi đạn tương tác 1-1 với nguyên

tử trong bia

- Có máy đếm các hạt tán xạ theo mọi phương

Sơ đồ thí nghiệm.

• Đạn - chùm hạt nhân He(+2e) (nguồn phóng xạ tự nhiên)

• Bắn vuông góc với bia- lá kim loại mỏng

• Màn huỳnh quang ZnS, phát sáng tại điểm có hạt chạm

vào- máy đếm ghi nhận, theo các phương tán xạ

Kết quả thí nghiệm: Phần lớn các hạt đi thẳng, tuy nhiên có

nhỏ (Rutherford gọi là hạt nhân)

• => Mô hình nguyên tử N2 (Rutherford):

- Điện tích +Ze tập trung ở tâm nguyên tử, chiếm thể tích nhỏ, nhưng mang hầu như toàn bộ khối lượng của ng.tử.

- Điện tử chuyển động xoay quanh hạt nhân

Phù hợp với thực nghiệm.

Lý thuyết tán xạ hạt trên nguyên tử- Công thức

từ thí nghiệm Rutherford

• Tính toán định lượng kết quả TN

• Hạt có m lớn (7300 lần e) -> tán xạ là do t/t Coulomb với hạt

nhân ( +Ze)

• chuyển động theo quỹ đạo

Hypecbon-• khoảng cách tới gần a : khi hạt tới gần hạt nhân nhất, b- khoảng nhằm

• K.c.tới gần cực tiểu: khi va chạm xuyên tâm- tới gần,

dừng lại và quay ngược trở lại: động năng ban đầu hoàn

toàn chuyển thành thế năng Coulomb)=>

• Mô men động lượng ban đầu:

với là khối lượng rút gọn và vận tốc tương đối ban

đầu



0 cot 2

0

2

k Ze a

E



9 1

9.10 / 4



b  g



2 0

0

2

k Ze a

E



• Xác suất để thấy hạt này ở lối vào của ống đếm cắt 1 tiết

diện trên đới cầu này là:

N số hạt nhân/ 1 đ.v.d.t., và là diện tích

của C và đới cầu s

• Ta tính P (coi tán xạ là Coulomb- điện tích điểm):

• Đặt một dãy ống đếm ở các góc -> ta thu được phân bố hạttheo góc.

• N' - số ng.tử trên 1 đ.v thể tích bia (=N.d), d- bề dày bia, cường độ tới (số hạt /1s)

I-• Ta tìm Số hạt đi vào 1 đ.v diện tích ống đếm/1s , tại 1 góc xác định:

INd k Z e INd k Z e n

ý tưởng về hạt nhân nguyên tử

• Từ TN Rutherford, nhận thấy:

Tại khoảng nhằm giới hạn (~ xuyên tâm),

số hạt có thăng giáng (do gần hạt

nhân-chịu tương tác mạnh- )

• khi b> bgh thực nghiệm phù hợp với tính toán

Rutherford-t/t Coulomb- với 1 điện tích dương duy nhất tại tâmnguyên tử)

• khi b~bgh hạt có thể bị hãm và lọt vào trong hạt nhân

(nên số hạt bị giảm) => tồn tại t/t mạnh của hạt nhân

• Suy ra kích thước hạt nhân~ khoảng tới gần cực tiểu:



2

1.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford

• Nguyên tử gồm 1 hạt nhân chiếm thể tích cực nhỏ ở chínhgiữa (mang điện tich dương và hầu như toàn bộ khối

lượng)

• Quanh hạt nhân có các e chuyển động, tổng điện tích âm

bằng điện tích dương (=số Z trong bảng Menđêlêep)

• ĐL cơ học=> e chuyển động theo quỹ đạo elip, giống như

1.3.Quang phổ nguyên tử Hidro

• TN cho các bước sóng trong phổ

Phổ vạch của nguyên tử, không thể giảI thích được bằng

thuyết cổ điển

1.4.Thuyết Bohr

• Từ hạn chế của Mẫu R., Bohr (1913) dựa trên quan điểm

lượng tử Plank và Einstein=> hai định đề:

• Đ.Đề 1 Trạng thái dừng: * Ng tử chỉ tồn tại ở trạng thái

dừng có năng lượng xác định và gián đoạn E1, E2, E3,

Trong tr thái dừng, các e không bức xạ mà chỉ chuyển độngtrên quỹ đạo tròn (q.đạo lượng tử), có bán kính thoả mãn

điều kiện về giá trị mô men động lượng:

• Đ.Đề 2 Về cơ chế hấp thụ, bức xạ năng lượng: Ng tử chỉhấp thụ hay bức xạ n lượng dưới dạng bức xạ điện từ khi

nó chuyển từ trạng thái dừng này sang tr thái dừng khác

1.5.Cấu trúc nguyên tử theoThuyết Bohr

Mẫu nguyên tử Hyđro: e chuyển động tròn

quanh hạt nhân Lực hút Coulomb là lực hướng tâm:

Năng lượng của ng.tử:

Bohr=> Quỹ đạo có bán kính và vận tốc:

Sơ đồ

(b) Hình 1.8 (a)

1.6 Cấu trúc nguyên tử tương tự Hidro: He+, Li++

Mẫu ion :1 e chuyển động tròn quanh hạt nhân He + , Li ++ , có điện dương

là +Ze =>như Hiđro, chỉ thay e bằng Ze

Quỹ đạo có bán kính và vận tốc:

n=1,2,3 gián đoạn- số lượng tử chính

2 2

2 2

n

n

n r

KZme KZe v

n

K Z me E

n

 



1.7 Sự kích thích, ion hoá nguyên tử

• Bohr : Ng tử thường tồn tại ở trạng thái cơ bản, E1

• Khi nhận đủ năng lượng nó có thể chuyển lên mức cao

hơn, E2, E3 , gọi là mức kích thích, không bền ~ 10-8 s,

sau đó chuyển về E thấp hơn và phát xạ photon

• Để kích thích nguyên tử :

-Cho va chạm với hạt khác, truyền cho ng.tử động năng (Eđ< E2-E1 thì không kích thích được)

- Cho ng.tử hấp thụ một photon, có E=E2-E1

Nếu kích thích đủ lớn, e có thể lên mức cao nhất- vượt ra khỏing.tử => ng tử mất e thành ion (gọi là bị ion hoá)



• Bohr tiên đoán tính chất lượng tử, lưỡng tính sóng hạt của vật chất bằng 2 định đề, nhưng chưa đưa được cơ sở của chính

tính chất đó, cho nên nhược điểm cơ bản của thuyết Bohr là tính không nhất quán Các khái niệm cổ điển và lượng tử mâu thuẫn với nhau lại được dùng một cách đồng thời Chẳng hạn electron chuyển động theo quỹ đạo tròn (theo cổ điển) nhưng không bức xạ sóng điện từ (theo Bohr) Thực ra Bohr đã sử

dụng tính chất sóng của điện tử khi nói đến mômen quỹ đạo bị lượng tử hoá, chỉ nhận các giá trị gián đoạn, nhưng ông chưa biết nguồn gốc của nó là sóng gì Thực vậy, nếu coi electron là một sóng (mà chương sau ta sẽ gọi là sóng De Broglie) thì tính

ổn định quỹ đạo của nó trong nguyên tử ứng với sóng đứng, do

đó độ dài quỹ đạo phải chứa một số nguyên lần bước sóng:

vài lời về LT Bohr

Thực ra Bohr đã sử dụng tính chất sóng của điện tử khi nói đến mômen quỹ đạo bị lượng tử hoá, chỉ nhận các giá trị gián đoạn,

nhưng ông chưa biết nguồn gốc của nó là sóng gì

Thực vậy, nếu coi electron là một sóng (mà chương sau ta sẽ gọi là sóng De Broglie) thì tính ổn định quỹ đạo của nó trong nguyên tử ứng với sóng đứng, do đó độ dài quỹ đạo phải chứa một số nguyên

• Ở thuyết Bohr, những quy tắc lượng tử được gắn cho một mô hình cổ điển không theo một logic nào, cho nên nó dẫn đến sự mẫu thuẫn và bế tắc không thể tiếp tục phát triển được Tuy nhiên, sự tiên đoán của thuyết Bohr dù chỉ có giá trị lịch sử

tạm thời nhưng những ý tưởng cách mạng

• Thành công của Bohr vẫn được coi là chiếc cầu nối không thể thiếu để chuyển từ vật lý cổ điển sang vật lý lượng tử