Chuong 4 Phan ung hat nhan VLLT2

Electron có vai trò quan trọng đối với cấu trúc nguyên tử: Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ của nguyên tử, do đó chúng quyết định các tính chất của nguyên tử[r]

Chương 4:

CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 4.1 Các phản ứng hạt nhân

4.1.1 Phương trình phản ứng hạt nhân

1 Phản ứng hạt nhân đầu tiên do E Rutherford thực hiện năm 1919 Ông dùng hạt

 có năng lượng 7,7 MeV bắn phá hạt nhân Nitơ (7N14) và thu được hạt nhân Oxy

và một hạt proton bay ra Sở dĩ phải thừa nhận đây là một phản ứng giữa hạt  vàhạt nhân Nitơ là vì năng lượng của hạt  lớn hơn nhiều năng lượng của hàng ràothế của hạt nhân Nitơ đối với hạt  (bằng 3,6MeV): hạt  đã thâm nhập vào tronghạt nhân Nitơ Kết quả của tương tác này là đã tạo nên một hạt nhân mới (Oxy –

8O17)

Như vậy, ta có thể nói rằng phản ứng hạt nhân xảy ra khi một hạt (nơtron,proton, đơton, hạt  hay một hạt nhân khác) đi vào miền tác dụng của lực hạt nhân(ở khoảng cách cỡ 1015m) Trong quá trình phản ứng có sự sắp xếp lại điện tích vàcác nuclon của hạt nhân và các hạt khác do sự xuất hiện của hạt nhân mới

Phản ứng hạt nhân có thể viết dưới dạng một phản ứng hóa học như sau:

Thí dụ: phản ứng hạt nhân giữa hạt  và hạt nhân Nitơ nói trên có phương trình

Phản ứng hạt nhân là một phương thức biến đổi nhân tạo hạt nhân

4.1.2 Phân loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân được phân loại theo hạt tới (hạt đạn), hạt bay ra và hạttạo thành

a Phản ứng tán xạ: hạt tới và hạt bay ra cùng loại Trong công thức (4.1), a và b là

cùng một hạt Phương trình phản ứng là:

Nếu hạt nhân giật lùi X nằm ở trạng thái cơ bản thì ta có tán xạ đàn tính.Nếu hạt nhân giật lùi X nằm ở trạng thái kích thích thi ta có tán xạ khôngđàn tính

b Phản ứng trực tiếp: hạt đạn bắn một nuclon hay nhường một nuclon cho hạt

4.2 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

1 Tất cả các phản ứng hạt nhân phải tuân theo định luật bảo toàn điện tích và địnhluật bảo toàn số nuclon, tức là điện tích tổng cộng (số Z tổng cộng) và số nuclon

tổng cộng (số khối A) trong vế trái và trong vế phải của phương trình (4.1) phảibằng nhau.

Thí dụ các phản ứng nói trong phần (4.1) đều phải thỏa mãn định luật nói trên

2 Định luật bảo toàn năng lượng:

Xét trường hợp phản ứng thu được một hạt nhân lùi và một hạt bay ra:

Năng lượng bao gồm năng lượng tĩnh và động năng của các hạt Định luậtbảo toàn năng lượng viết như sau:

M1c2+M1V12 +m1c2+m1v12 =M2c2+M2V22 +m2c2+m2v22 (4.6)

Trong đó: M1, m1, V1, v1 là khối lượng và vận tốc của hạt nhân bia và hạt đạn M2,

m2, V2, v2 là khối lượng và vận tốc của hạt nhân giật lùi và hạt bay ra Trong hệquy chiếu phòng thí nghiệm, nhân bia đứng yên, do đó V1 = 0 Động năng của hệ

trước phản ứng: E1= 1

2m1v12(4.7)

Động năng của hệ sau phản ứng:

E2= 1

2M2V22 + 1

2m2v22 (4.8)Trong một hạt phản ứng hạt nhân năng lượng có thể bị hấp thụ hay được giảiphóng

Rõ ràng, năng lượng được giải phóng khi động năng của hệ sau phản ứng E2 lớnhơn động năng của hệ trước phản ứng E1, tức ta có:

Q=E2− E1> 0 (4.9)

Ta nói rằng phản ứng toả nhiệt.

Ngược lại, nếu

Q=E2− E1< 0 (4.10)Tức là động năng của hệ sau phản ứng nhỏ hơn động năng của hệ trước phản ứng

Ta nói rằng phản ứng thu nhiệt

Từ (4-6) ta có:

a Đối với phản ứng toả nhiệt:

Q=E2− E1=[M1+m1]c2−[M2+m2]c2

> 0 (4.11)Hay là [M1+m1]>[M2+m2]

Khối lượng nghỉ tổng cộng của hệ trước phản ứng lớn hơn khôi lượng nghỉ tổng cộng của hệ sau phản ứng.

b Đối với phản ứng thu nhiệt:

Tương tự ta có:

Q=E2− E1 =[M1 +m1]c2−[M2 +m 2]c2< 0 (4.11)Hay là [M1+m1]<[M2+m2]

Khối lượng nghỉ tổng cộng của hệ trước phản ứng nhỏ hơn khối lượng nghỉ tổng cộng của hệ sau phản ứng.

Trường hợp Q = 0 tức là động năng của hệ không thay đổi, ta có phản ứng tán xạđàn tính

Thí dụ về phản ứng thu nhiệt là:

3Li  1H  2( 2He )Thí dụ về phản ứng thu nhiệt là:

Định luật bảo toàn xung lượng

Trong phản ứng hạt nhân với bia đứng yên, ta có

m v1 1 M V2 2 m v2 2

Đối với phản ứng phức hợp, ta có thể coi khối lượng của hạt nhân hợp phần Mc

xấp xỉ bằng tổng khối lượng của hạt nhân ban đầu, tức là Mc= M1+m1

Khi đó năng lượng của hạt nhân hợp phần

2

1 2

4.3 Hiện tượng phân hạch

4.3 1 Nơtron

Nơtron được phát hiện năm 1932 đã nhanh chóng được sử dụng làm hạt đạn

do nơtron có vai trò quan trọngtrong các phản ứng phân chia hạt nhân, ta nói kĩhơn về hạt này

a Khối lượng nơtron

Nơtron là hạt không mang điện, ta không thể đo khối lượng của nó khối phổ

kế Aston được Một cách đo khối lượng của nơtron là dùng phản ứng hạt nhân.Thí dụ, dùng lượng tử tác dụng lên đơtron ta sẽ thu được proton và nơtrontheo phản ứng sau: D + p +n (4.16)

Năng lượng tối thiểu để tách các nucleon ra khỏi nhân của đơtron là 2,225MeV.Năng lượng này bằng năng lượng liên kết của hạt nhân đotoni và tương ứng vớimột khối lượng 0,00239u biết khối lượng của đơtron la =2.01355u vàcủa protron là =1,00727u, ta tính được khối lương của nơtron:

+ M = 1,00866u (4

Hiện nay người ta đo được khối lượng chính xác hơi của nơtron, bằng

Mn=1,0086652u (4.18)

b/ Thời gian sống - chu kỳ bán rã của nơtron

Nơtron sẽ tự do phân rã theo công thức : n (4.19)

Phép đo chính xác chu kỳ bán rã của nơtron cho = 11,7 min (4.20)

c/ Các nguồn nơtron

• Nguồn phóng xạ từ các nhân phóng xạ tự nhiên như radi, poloni hay plutoni cónăng lượng trong khoảng 4,8 -7,7MeV nên dẽ dàng vượt qua rào thế của hạt nhânbêrili gây ra phản ứng ( , n) theo công thức :

•Trong một số phản ứng hạt nhân ( sẽ nói kĩ hơn dưới đây) xuất hiện nơtron

•Trong các máy gia tốc các hạt tích điện, như p, D, bắn vào bia là các nhân nhẹ cóphát ra nơtron:

Li7(p,n)Be7 , D(D,n)He3 , T(D,n)He4

Các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của nơtron

Các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của nơtrontheer hiện dưới dạng tán xạ đàntính, tán xạ không đàn tính và hấp thụ nơtron Một tác dụng khác của nơtron lênhạt nhên là gây lên phân chia hạt nhân

Nơtron được chia thành 3 loại tùy theo năng lượng E n :

+ Nơtron nhiệt (E n <1eV) + Nơtron trung gian (1eV < E n <0,1MeV) và + Nơtron nhanh (E n > 0,1MeV).

Người ta còn gọi chung nơtron nhiệt và nơtron trung gian là noetron chậm

Tuỳ theo năng lượng En mà phản ứng giữa nơtron và hạt nhân bia có thể là đàntính, không đàn tính hay hấp thụ

Với nơtron chậm, phản ứng là tán xạ đàn tính Khi đó chỉ có sự trao đổi nănglượng (động năng) giữa nơtron và hạt nhân.

Trong quá trình tán xạ không đàn tính, nơron truyền cho hạt nhân một phần nănglượng bằng với năng lượng kích thích của hạt nhân Sau đó hạt nhân dính kèm theobức xạ  Phản ứng hấp thụ nơtron dẫn tới các trường hợp là hấp thụ nơtron vàbức xạ tia  (tức là phản ứng (n, )), hoặc là hấp thụ nơtron và bức xạ hạt  (phảnứng (n,  )) Có thể đồng thời xảy ra tất cả hoặc một số trường hợp nêu trên

4.3.1 Phản ứng phân hạch hạt nhân.

1 Hiện tượng phân hạch hạt nhân.

Vào năm 1938, hai nhà hoá học Đức là Hahn và Strassman trong một thí nghiệmnhằm giải thích chính xác hơn dãy phóng xạ đã phát hiện tượng ngoài mong đợi:

sự phân hạch hạt nhân urani 235 thành hhai nhân nhẹ hơn (nhân bari) nằm ở giữabảng tuần hoàn Mendeleev

0

1n+23592U → Z A1X+ Z A1Y +k 01n+ ΔE

Hiện tượng phân hạch là hiện tượng một hạt nhân loại rất nặng , hấp thụ một notron chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình.

2 Cơn chế phân hạch hạt nhân

Cơ chế phân phân hạch hạt nhân được mô tả nhờ mẫu giọt hạt nhân Hình 7.1 là sơ

đồ phân hạch hạt nhân Theo

mẫy giọt, có hai lực tác dụng

trong hạt nhân Theo mẫu giọt,

có tác dụng trái ngược nhau:

Coulomb của các prôtôn đẩy

nhau, có xu hướng phá vỡ giọt

a Hạt nhân không biến dạng

b Hạt nhân biến dạng ít

d Hai mảnh phân chia

a Hạt nhân

bị biến dạng nhiều

kích thích đó có thể trở về trạng thái ban đầu dạng cầu và hạt nhân bức xạ tia  Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng ngưỡng Wn thì hạt nhân tiếp tụcbiến dạng thành hình quả tạ rồi bị lực đẩy Coulomb làm vỡ ra thành hai mảnh.

3 Điều kiện có sự phân hạch.

Người ta xác định khả năng phân hạch của một hạt nhân (A,Z) bằn tỉ số

2

Z

A , gọi là

số phân chia hạt nhân

Điều kiện để có sự phân chia là: K =

2

Z

A > 18 (4.21)Giá trị nhỏ nhất của A đối với nhân có Z = A/2 là 72, nghĩa là chỉ có nhân có khốilượng ít nhất bằng 72 đvklnt thì mới có thể có sự phân chia hạt nhân Đó là với sốnhân có Z = A/2, tức là có số nơtron bằng số proton Thực tế khi các số nhân có Acàng lớn thì số nơtron càng nhiều hơn số prôtôn Do đó quá trình phân hạch hạtnhân bắt đầu từ nhân với A »100

Đối với nhân có hệ số phân chia càng lớn (lớn hơn 18) thì khả năng xảy ra hiệntượng phân hạch càng nhiều: chỉ cần cung cấp cho cho nhân một năng lượng nàođấy cũng đủ vượt năng lượng ngưỡng để có được phản ứng phân hạch hạtnhân.Các hạt nhân có thể phân hạch do hấp thụ nơtron hoặc phân hạch tự phát Thí

 s, nghĩa là rất rễ phân chia tự phát

5 Phân chia tự phát và phân chia do tác dụng của nơtron

a/ Sự phân chia tự phát của các hạt nhân nặng bắt đầu từ A = 100 do hiệu ứngđường hầm*) Tuy nhiên xác suất xảy ra là bé đối với các nhân có hệ số phân chianhỏ Xác suất càng lớn khi hệ số phân chia k càng lớn Giá trị của k đến mộtngưỡng (»50) thì sự phân chia tự phát hầu như tức thời

b/ Khi cho hấp thụ nơtron vào một hạt nhân nặng tạo ra năng lượng kích hoạt đủlớn so với năng lượng ngưỡng Wn = 7MeV Nếu nhân này hấp thụ một một nơtronnhiệt (năng lượng không đáng kể từ 0,025 – 0,5eV) thì năng lượng kích thích bằng:

c2(M238 + mn – M239) = 6MeV nhỏ hơn ngưỡng phân hạch, quá trình phân chia hạtnhân 92U238 không xảy ra Muốn có phân chia hạt nhân 92U238 phải dùng nơtronnhanh có năng lương lớn hơn 1MeV Trái lại, với hạt nhân 92U235 có năng lượngngưỡng Wn = 6,6MeV, chỉ cần dùng nơtron nhiệt là đủ vì: c2(M235 + mn – M236) =6,8MeV.

5.Các mảnh hạt nhân phân hạch

Khi hạt nhân bị phân hạch, có nhiều kênh phản ứng đực tạo thành vì những xácsuất khác nhau Hình 8-2 cho ta đường cong ứng với các mảnh khác nhau của phânhạch hạt nhân urani 235 do hấp thụ nơtron nhiệt Trục tung ứng với xác suất bắtgặp mảnh phân chia trong lần phân chia Các mảnh phân chia có số khối A nằmtrong khoảng từ 70 đến 160 Đồ thị cho thấy có hai mảnh phân chia ứng với xắcsuất lớn nhất: nhóm hạt nhẹ với A từ 80 đến 110 và nhóm có số khối từ 125 đến

155 Các mảnh nhẹ và nặng chiếm chiếm tới 99% số mảnh bị phân chia Tỉ lệ cácmảnh phân chia đối xứng (phân chia thành hai mảnh khối lươngj xấp xỉ bằng nhau)

là rất nhỏ (A = 100  125), chỉ cỡ 1%

Như vậy thông thường nhân bị phân thành một nhân nặng và một nhân nhẹ

Số kênh phân hạch có thể đến 30 Các mảnh

có hoạt tính phân rã  - cao bởi vì nó quá

bão hoà nơtron

Các mảnh vỡ thường rất thừa electron 

phóng xạ β − liên tiếp

Thí dụ trường hợp phân chia 92U235 thành

38Sr94 và 54Xe140(xác suất khoảng 7%) Nhân

38Sr94 có số nơtron nhiều hơn proton là 6,

Các mảnh của phân hạch hạt nhân gọi là sản phẩm phân chia

Hai chuỗi phóng xạ β − này tận cùng bằng các đồng vị bền 14057

La và 4295

Mo

- ∆E tỏa ra cực kỳ lớn

- Số notron thứ cấp lớn hơn số notron sơ cấp

 là cơ sở để thực hiện phản ứng dây chuyền

4.3.2 Phản ứng dây chuyền.

a Nhận xét chung:

- Không phải mọi notron đi vào hạt nhân đều gây nên sự phân hạch hạt nhân

- Những hạt nhân không phân hạch phát ra tia gamma chứ không phóng xạ notron

 Sự phát triển của phản ứng dây chuyền không phải phụ thuộc vào số notronsinh ra trong phản ứng vỡ hạt nhân, mà phụ thuộc vào hệ số “Tái sản xuất” notron

hạch hạt nhân sinh ra nhiều notron

nhưng phản ứng dây chuyền chỉ thực

hiện được với nhưng điều kiện nhất

định

Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền:

* Công thức bốn thừa số:

f = e.n.p.k.

f: hệ số nhân notron

e: hệ số phân chia do notron nhanh (hệ số phân chia nhanh) (» 1,03  1,1)

n: hệ số tái sản xuất notron

P: Xác xuất thoát cộng hưởng (xác suất để notron chậm không bị bắt bởi U238)K: hệ số sử dụng notron nhiệt trong lò

* Điều kiện để duy trì phản ứng dây chuyền f ≥ 1

- Nếu f < 1 phản ứng dây chuyền không xảy ra

- Nếu f = 1 phản ứng dây chuyền duy trì với tốc độ không đổi

- Nếu sau một phân hạch có f notron có thể gây phân hạch tiếp, ta có phản ứng dâychuyền

+ Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ nhất là f1

+ Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ hai là f2

+ Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ n là fn

Nếu f > 1 thì số hạt nhân bị phân hạch tăng lên rất nhanh, năng lượng giải phốngrất lớn

- tăng k: + loại tạp chất hấp thụ nhiều notron chậm trong urani

+ dùng chất làm chậm ít hấp thụ notron (như doteri, graphit, )

§ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN – NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

- Công suất của lò được khống chế bởi các

thanh điều khiển

- Hệ số nhân notron xấp xỉ lớn hơn 1 chút ít,

và năng lượng phân hạch tỏa ra từ từ

2 Nhà máy điện nguyên tử

Nhà máy điện nguyên tử là một lò phản ứng hạt nhân kết hợp với nhà máy nhiệtđiện thông thường.

Hệ Tuốc Bin phát

Hòa mạng Vào lưới

điện

Hệ thống điều khiển, kiểm tra

- Tuy một phản ứng kết hợp hạt nhân tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phânhạch, nhưng năng lượng tỏa ra trên một đơn vị khối lượng thì phản ứng nhiệt hạch(hay sự tổng hợp hạt nhân).

- Phản ứng tổng hợp hạt nhân khó xảy ra hơn nhiều so với phản ứng phân hạch, vìlực đẩy Cu lông  Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao (ví dụ: tronglòng các sao, mặt trời, )

- Phản ứng nhiệt hạch là một trong những nguồn năng lượng của mặt trời và cácsao

2 Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển và điều khiển được

a Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

- Phản ứng nhiệt hạch xảy ra chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn ( cỡ 10-6s) rồitắt hẳn gọi là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

- Ứng dụng làm bom nhiệt hạch (hay còn gọi là bom khinh khí – bom H)

b Phản ứng nhiệt hạch điều khiển được

*) Nhận xét:

Muốn tạo được một lò phản ứng nhiệt hạch duy trì và điều khiển được là điều làcực kì khó khăn Phản ứng theo chu trình proton – proton chỉ thành công ở trongmặt trời vì ở đó mật độ proton là cực kì lớn Phản ứng này không phù hợp đối vớimột lò phản ứng nhiệt hạch ở mặt đất vì mật độ proton không lớn, làm phản ứngxảy ra rất chậm chạp

Các phản ứng đáng chú ý nhất để có sử dụng trên trái đất là các phản ứng : 1

2D+12D ⃗❑23He+01n+3 , 27 MeV

+ Nhiệt độ plama (T) cao: Khi ở nhiệt độ cao, khí Đơteri sẽ bị ion hóa hoàn toànthành plama trung hòa gồm các hạt nhân Doteron và các electron (trạng thái gồmcác hạt nhân thuần túy và các electron tự do gọi là plama).

Khi plasma ở nhiệt cao thì các Dotetron va chạm sẽ có đủ năng lượng xuyên qua

bờ rào thế culong Trong các phòng thí nghiệm, người ta tạo ra được plama ở nhiệt

Nhận xét: Từ tiêu chuẩn Lawson: n.t > 1020 sec.m-3

 Có thể lựa chọn hoặc việc giữ được nhiều hạt trong thời gian ngắn hoặc giữđược ít hạt trong thời gan dài

- Phương pháp giữ và cách nhiệt plama:

Một trong những kĩ thuật đó là: lò phản ứng tổng hợp thử nghiệm buồng từ hìnhphỏng xuyến – tên viết tắt là Tokamak Từ trường giữ plama là một vỏ bao cácđường sức Các hạt mang điện của chất plama sẽ chuyển động theo những đườngcong dưới tác dụng của từ trường, từ trường càng mạnh thì bán kính chính khúccủa đường cong quỹ đạo càng nhỏ Hạt tích điện gặp từ trường thì chuyển độngcong nên quật trở lại, không dụng vào thành bình