BÀI TIỂU LUẬN Môn học Vật Lý Đề tài Vật lý hạt nhân

Đề tài: Vật lý hạt nhân
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG ĐÔ
KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN

BÀI TIỂU LUẬN
Mơn học: Vật Lý

Đề tài: Vật lý hạt nhân

Giáo viên hướng dẫn: Vũ Xuân Xiển
Sinh viên thực hiện:

Lê Kim Việt Anh

Mã SV:

2350136

Lớp:

CNTT523.1 (CNTT K23)

Hà Nội, 2021
MỤC LỤC

1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU

1

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

2

1.

Tên đề tài

2

2.

Mục đích đề tài

2

3.

Bố cục đề tài

2

4.

Phương pháp:

2

PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
NGUYÊN TỬ

3
3

1.

Cấu tạo của hạt nhân:

3

2.

Kích thước hạt nhân

4

3.

Spin hạt nhân:

4

4.

Momen từ hạt nhân:

5

5.

Lực hạt nhân:

6

5.1

Khái niệm

6

5.2

Các đặc điểm của lực hạt nhân

6

5.2.1

Lực hạt nhân là lực tác dụng ngắn:

6

5.2.2

Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích

6

5.2.3

Lực hạt nhân có tính chất bão hòa:

7

5.2.4

Lực hạt nhân là lực trao đổi

7

5.2.5

Lực hạt nhân phụ thuộc Spin của các nucleon

8

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN

9

1.

Các loại tương tác hạt nhân:

9

2.

Các Định luật bảo toàn trong tương tác hạt nhân:

9

3.

Hệ thức năng lượng của phản ứng hạt nhân

CHƯƠNG 3: SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN

10
12

1.

Năng lượng vỡ hạt

12

2.

Phản ứng dây chuyền và sự vỡ hạt nhân Uran:

13

2.1

Định nghĩa:

13

2.2

Đặc điểm

13


2.3

Điều kiện xảy ra phản ứng dây chuyền

14

CHƯƠNG 4: PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT
HẠCH
16
1.

Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch:

16

2.

Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

17

3.

Phản ứng nhiệt hạch điều khiển:

18

PHẦN 3:KẾT LUẬN

20

TÀI LIỆU THAM KHẢO

21


LỜI MỞ ĐẦU
Lời đầu tiên, em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy Vũ Xuân Xiển . Trong
quá trình tìm hiểu và học tập bộ mơn Vật lý, em đã nhận được sự giảng dạy và
hướng dẫn rất tận tình, tâm huyết của thầy. Thầy đã giúp em tích lũy thêm nhiều
kiến thức hay và bổ ích. Từ những kiến thức mà thầy truyền đạt, em xin trình
bày lại những gì mình đã tìm hiểu về vấn đề Vật lý hạt nhân gửi đến thầy.
Tuy nhiên, kiến thức về bộ mơn Vật lý của em vẫn cịn những hạn chế nhất
định. Do đó, khơng tránh khỏi những thiếu sót trong q trình hồn thành bài
tiểu luận này. Mong thầy xem và góp ý để bài tiểu luận của em được hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện
Lê Kim Việt Anh

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1.

Tên đề tài:
“Vật lý hạt nhân”.

2.

Mục đích đề tài:
Nắm vững các số lượng tử của hạt nhân nguyên tử sẽ giúp chúng ta hiểu
sâu sắc những tính chất cơ bản của hạt nhân nguyên tử, từ đó chúng ta có cái
nhìn tổng qt về bữ tranh hạt nhân, hiểu cấu trúc hạt nhân, ứng dụng chúng
vào phục vụ cuộc sống của con người.
Để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân người ta dựa trên những quan niệm đơn
giản hoá về tương tác giữa cá nucleon và dùng những phương pháp gần đúng
để giải bài toán cấu trúc hạt nhân từ đó nảy sinh ra những mẫu hạt nhân khác
nhau. Việc nghiên cứu các đặc trưng của hạt nhân và giải thích chúng thường
gắn liền với việc nghiên cứu các mẫu hạt nhân. Tuy nhiên, cũng chưa có một
mẫu lý thuyết nào có thể mơ tả thành cơng mọi khía canh của cấu trúc và tính
chất hạt nhân. Vì lý do trên mà em đã chọn đề tài: “Vật lý hạt nhân”.

3.

Bố cục đề tài:
Bố cục đề tài chia làm 4 phần chính:

●
●
●

●

4.

Chương 1: Những tính chất cơ bản của hạt nhân nguyên tử.
Chương 2: Tương tác hạt nhân.
Chương 3: Sự vỡ hạt nhân và phản ứng dây chuyền.
Chương 4: Phản ứng nhiệt hạch và năng lượng nhiệt hạch.

Phương pháp:
Tìm kiếm thơng tin.
Đọc hiểu tài liệu.
Sử dụng phương pháp đọc, tổng hợp, phân tích và tổng qt hố trong vật
lý lý thuyết.


PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT
NHÂN NGUYÊN TỬ
Hạt nhân nguyên tử là cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ cực lớn - đạt đến
100 triệu tấn trên một xăng-ti-mét khối), chiếm khối lượng chủ yếu (gần như là
toàn bộ) của nguyên tử.

1.

Cấu tạo của hạt nhân:
Về cơ bản, theo các hiểu biết hiện nay thì hạt nhân ngun tử có kích
thước nằm trong vùng giới hạn bởi bán kính cỡ 10 -15 m, được cấu tạo từ hai
thành phần sau:
● Proton: là loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng bằng

1,67262158.10-27 kg (938.278 MeV/c²) và spin +1/2. Trong tiếng Hy
Lạp, proton có nghĩa là "thứ nhất". Proton tự do có thời gian sống rất
lớn, gần như là bền vĩnh viễn. Tuy nhiên quan điểm này vẫn cịn một
số hồi nghi trong vật lý hiện đại.
● Neutron: là loại hạt không mang điện tích, có khối lượng bằng
1,67492716.10-27 kg (939.571 MeV/c²) và spin +1/2, tức là lớn hơn
khối lượng của proton chút ít. Neutron tự do có thời gian sống cỡ 10
đến 15 phút và sau đó nhanh chóng phân rã thành một proton, một điện
tử (electron) và một phản nơtrino.
Gọi chung hai hạt này là các nucleon.
Hạt nhân có số khối A và số nguyên tử Z sẽ gồm có A nucleon trong đó có
Z proton và N = A – Z nơtron.
Các hạt nhân có cùng Z nhưng số khối A khác nhau được gội là các hạt
nhân đồng vị:
Ví dụ: 42 He ,23He ,11H
Các hạt nhân có cùng A nhưng Z khác nhau gọi là các hạt nhân đồng khối
123
123
Ví dụ: 36S16,36 Sb,
Sb
18
51 , Sb
52

Kí hiệu hạt nhân: A XZ với X là kí hiệu nguyên tố.
Nếu hạt nhâ A X và
1

Y

A2

Z1

có Z1 =A2−Z2 , Z2= A1−Z1

thì hạt nhân Y được gọi là

Z2

hạt nhân gương của hạt nhân X và X, Y được gọi là những hạt nhân đối


xứng.


2.

Kích thước hạt nhân:
Hạt nhân với các thành phần là những vi mô tuân theo quy tắc lượng tử và
không ngừng chuyển động, vì vậy hạt nhân khơng có giới hạn rõ ràng. Với
một mức độ gần đúng nào đó có thể coi phần lớn m hạt nhân tập trung trong
một thể tích hình cầu bán kính R.
Trong thực tế nên hiểu kích thước hạt nhân là kích thước của vùng giới
hạn trong đó có tác dụng của lực hạt nhân.
Có nhiều biện pháp xác định kích thước hạt nhân như: Thông qua tán xạ
notron nhanh trên hạt nhân nguyên tử, phương pháp khảo sát pahnr ứng hạt
nhân với hạt mang điện, phương pháp khảo sát lực hạt nhân.
Từ các biện pháp trên các nhà Vật lý thực nghiệm dã tìm ra biểu thức xác
định bán kính hạt nhân:

1

. A3 với R =1,4.10−15(m )−bán kính Borh
0 , A : số
R=R0 khối

3.

Spin hạt nhân:
Hạt nhân được cấu tạo từ các nucleon. Nucleon là những hạt mang tính
lượng tử, một trong những đại lượng đặc trưng cho tính chất lượng tử của
nucleon (tính chất vận động nội tại) được gọi là spin của nucleon.
Spin của hạt nhân là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất vận động nội
tại của hạt nhân và nó được xác định bởi:
- Tổng spin của các nucleon tạo lên hạt nhân.
- Do sự chuyển động trên quỹ đạo của các nucleon trong lòng hạt nhân
Trong cơ học lượng tử người ta CM được Spin là thuộc tính của tất cả cá
hạt vi mơ. Độ lớn momen Spin nhận giá trị:
S=√s ( s+1) h

Trong đó lượng tử số s nhận các giá trị gián đoạn có thể là số nguyên hoặc
bán nguyên. Đối với các nucleon thì s = ½.
Trong hạt nhân các nucleon phải chuyển động trên một quỹ đạo xác định,
⃗

do vậy nó cũng có momen xung lượng quỹ đạo L
⃗⃗Jk =⃗Lk + ⃗Sk

Momen xung lượng toàn phần của hạt nhân:
⃗

⃗
⃗
J=∑ Jk=∑ Lk +∑ Sk với k : là số nucleon
k

k

k


Đại lượng này có hình chiếu lên trục 0Z là : JZ = mh


Với m là số lượng tử từ nó nhận các giá trị m = -j, -j+1,…, j-1, j. nếu ta cho
trước j ta có: 2j+1 giá trị của m.
Điều đó cho thấy có 2j +1 cách định hướng.
Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng hạt nhân có số A chẵn thì Spin của nó là
nguyên. Hạt nhân có số khối Aler thì Spin của nó là số bán ngun.
Đối với các hạt nhân chẵn – chẵn thì ở trạng thái cơ bản Spin = 0. Điều
này cho tháya trong hạt nhân các nucleon cùng loại có momen xung lượng
tồn phần ngược chiều nhau thì sẽ liên kết nhau tạo thành 1 cặp.
Thực nghiệm cũng chỉ ra rằng Spin của các hạt nhân chẵn – lẻ hay lẻ chẵn nằm trong khoảng từ 1/2 đến 9/2.
Pauli đã chỉ ra rằng những hạt nhân có Spin ngun (0, 1, 2,… ví dụ
photon có Spin = 1) tương ứng với trạng thái chẵn và tuân theo thống kê
BôZơ – Anhxtanh và chúng được gọi là các hạt Bozon. Các Bozon ở mỗi
trạng thái lẻ và tuân theo thống kê Fecmi – Đirăc. Những hạt này được gọi là
các hạt Fecmion.
Do bị nguyên lý pauli ràng buộc nên trong mỗi trạng thái ứng dụng với 4
số lượng tử là n, 1, m, j chỉ có thể chứa 1 hạt.

4.

Momen từ hạt nhân:
Nhờ các máy quang phổ có độ phân giải cao người ta đã phát hiện ra rằng
có thể tách các vạch quang phổ của nguyên tử thành những dãy vạch.
Có dãy tới 10 – 15 vạch, khoảng cách giữa các vạch đó thường khơng
vượt quá 0,1 – 0,2 A0. Hiện tượng này gọi là cấu trúc siêu tinh vi của nguyên
tử. Để giải thích điều đó Pauli đã đưa ra giả thiết là sự tách vạch đó gây bởi
tương tác của momen từ của hạt nhân với từ trường do lớp vỏ electron gây
ra.
Theo Pauli hạt nhân có momen từ và nó tương tác với từ trường do lớp
electron gây nên. Năng lượng tương tác bổ xung này là nguồn gốc sự tách
vạch. Số vạch phụ thuộc vào số Spin hạt nhân, độ lớn khoảng năng lượng
giữa các mức phụ thuộc vào độ lớn momen từ.
Momen từ của hạt nhân một mặt do memen riêng của các nucleon, mặt
khác do lòng phát sinh và chuyển động quỹ đạo của các proton gây nên.
Trước hết ta xét theo quan điểm bán cổ điển, theo lý thuyết điện từ cổ
điện, momen từ của một hệ tích điện chuyển động có dạng:
=

1

∫[⃗r , ⃗V ] ρdV = 2 ∫[r⃗ , ⃗V ] ρdV ¿ Ψ �¿ dV ¿

2cV

2

2cV

Momen từ xác định tương tác của hệ với trường ngoài năng lượng tương
⃗

tác bằng:u=−⃗μ .H
Mặt khác momen xung lượng toàn phần:
⃗⃗

⃗
P=M ∫[⃗r ,V ] ρdV ¿ Ψ �¿2 dV M : khối lượng nucleon ¿
V

e

⃗

Vậy ta có: μ=⃗ 2 . P
Mc

Tức là momen từ tỉ lệ với momen xung lượng. Theo cơ học lượng tử thì
momen xung lượng bị lượng tử hố vì vậy nếu gọi I là số lượng Spin hạt
⃗

⃗

nhân thì P=l h

5.

Lực hạt nhân:

5.1

Khái niệm:
Lực hạt nhân (hay là sự tương tác giữa nucleon với nucleon hoặc là
phần dư của lực tương tác mạnh) là lực tương tác giữa hai hay nhiều
nucleon. Nó là nguyên nhân gây ra sự gắn kết của các proton và các
neutron ở trong hạt nhân nguyên tử.
Các proton trong hạt nhân mang điện dương nên đẩy nhau. Nhưng hạt
nhân nguyên tử vẫn bền vững vì các nuclon được liên kết với nhau bởi
các lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân.

5.2 Các đặc điểm của lực hạt nhân:
5.2.1 Lực hạt nhân là lực tác dụng ngắn:
Lực hạt nhân là loại lực mạnh nhất trong các lực đã biết, nhưng chỉ
tác dụng khi khoảng cách giữa hai nuclon bằng hoặc nhỏ hơn kích
thước hạt nhân, nghĩa là lực hạt nhân có bán kính tác dụng khoảng 1015 m.
5.2.2

Lực hạt nhân khơng phụ thuộc vào điện tích:
Thực nghiệm cho thấy, tương tác giữa proton – proton, giữa
neutron – neutron, giữa proton – neutron là hoàn toàn giống nhau, nếu
các nucleon ở trong cùng những trạng thái như nhau.
Xét tương tác giữa proton – proton: Phương pháp trực tiếp để khảo
sát lực này là dựa vào thí nghiệm tán xạ proton – proton. Trong thí
nghiệm, người ta cho chùm proton phát ra từ máy gia tốc, va chạm vào
một bia chứa nhiều hiđrô tức là chứa proton. Từ phân bố góc của các
hạt nhân tán xạ, có thể rút ra kết luận về tính chất lực tác dụng giữa hai


proton, lực này có thể biểu diễn gần đúng bằng đường cong thế năng

trên hình.


■ Từ đồ thị này cho thấy ở khoảng cách xa, các proton đẩy nhau
với lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Tới khoảng cách xấp xỉ 3.10-15 m có sự chuyển đột ngột của
đường cong thế năng từ dương thành âm, chừng tỏ bắt đầu
xuất hiện lực hạt nhân giữa một cặp proton: đó là lực hút rất
mạnh ở khoảng cách gần vào bậc fecmi. Lực tương tác giữa
một neutron và một proton có thể được nghiên cứu bằng thí
nghiệm tương tự: Cho chùm neutron tán xạ trên một bia chứa
proton. Từ đồ thị ta thấy ở khoảng cách xa, khơng có lực giữa
hai hạt, nhưng tới khoảng cách xấp xỉ 2 fecmi, thì xuất hiện
lực hút mạnh. So sánh hai đường cong thế năng nói trên, có
thể thấy hai lực hút thuộc cùng một bản chất. Điều đó chứng
tỏ rằng tương tác hạt nhân khơng liên quan đến điện tích.
■ Đối với tương tác giữa một cặp neutron, ta khơng thể tiến
hành thí nghiệm tán xạ trực tiếp như hai trường hợp trên vì
khơng thể tạo được bia chứa neutron tự do. Tuy nhiên bằng
những phương pháp thực nghiệm gián tiếp khác, cũng thu
được những kết quả tương tự như các trường hợp trên.
●

●

Lực hạt nhân có tính chất bão hịa:
■ Mỗi nuclon chỉ tương tác với một số nuclon ở lân cận quanh
nó, chứ khơng tương tác với mọi nuclon của hạt nhân.
Lực hạt nhân là lực trao đổi:
■

Theo Hideki Yukawa, tương tác giữa hai nuclon được thực
hiện bằng cách trao đổi một loại hạt gọi là mê-zơn (π ). Hạt
mê-zơn (π ) có khối lượng vào cỡ 200 ÷ 300 lần khối lượng
của electrơn. Có ba loại mê-zơn (π ): π+¿, π ,π ¿
■ Ví dụ tương tác neutron – proton có thể thực hiện theo một
trong các quá trình sau:
0

■ n+ p↔ ¿

−¿ ¿


hay n+ p↔ ¿
● và tương tác giữa hai hạt đồng nhất p – p; n – n có thể xảy ra theo:
■

○ p+ p↔( p +π 0)+ p↔ p+( π0+ p) ↔ p+ p
○ n+ n↔( n+π 0)+n↔n+( π 0+ n) ↔n+n

■ Trong các q trình đó đều cho thấy một nuclon biến đổi và
tạo thành mê-zôn(π). Mê-zôn này sẽ bị nuclon thứ hai nuốt.
●

Lực hạt nhân phụ thuộc Spin của các nucleon:
■ Thí nghiệm về tán xạ neutron nhiệt (10-1 ÷10-3 ) eV trên
octhơhiđrơ (phân tử hiđrơ trong đó hai proton có mơmen spin
song song) và parahiđro (phân tử Hyđrơ trong đó hai proton
có momen spin đối song) cho biết xác suất xảy ra tán xạ
neutron trên các hạt nhân octhohiđrô lớn hơn xác suất xảy ra

tán xạ neutron trên các hạt nhân parahiđrô khoảng 30 lần. Kết
quả đó chứng tỏ lực hạt nhân phụ thuộc nhiều vào sự định
hướng tương hỗ của mômen spin các hạt tương tác.
■ Từ những đặc tính trên, cho phép ta đi đến kết luận: Tương
tác hạt nhân là một loại tương tác rất mạnh, về bản chất khác
hẳn với các tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ. Đối với
tương tác hạt nhân, một proton và một neutron có thể xem là
tương đương với nhau. Trong lý thuyết lượng tử còn có thể
quan niệm proton và neutron như là hai trạng thái điện tích
khác nhau của cùng một hạt. Cho tới nay, vấn đề bản chất lực
hạt nhân vẫn chưa được biết một cách đầy đủ và còn được tiếp
tục nghiên cứu.


● CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN
●

●

●

●

Các loại tương tác hạt nhân:
○ Tương tác hạt nhân chia làm ba loại: va chạm đàn hồi, va chạm
không đàn hồi và phản ứng hạt nhân.
○ Trong va chạm đàn hồi, trạng thái nội tại của các hạt tương tác
không thay đổi nhưng động lượng và động năng của hạt thay đổi.
■ A+a→a+A
○ Trong va chạm khơng đàn hồi, có sự thay đổi trạng thái nội tại của

các hạt tương tác.
● A + a → a’ + A*
○ Trong đó: A* chỉ hạt nhân ở trạng thái năng lượng bị kích thích a’
chỉ hạt ở trạng thái khác
○ Trong phản ứng hạt nhân, có sự thay đổi bản chất các hạt tương tác.
● A +a → b + B
○ Phản ứng trên có thể được kí hiệu A(a,b)B có nghĩa là hạt a bắn vào
hạt nhân A sẽ làm phát ra hạt b và sinh ra hạt nhân B.
○ Ví dụ: phản ứng biến đổi nguyên tố
○ 14N +¿4 He →1 H +¿17 O ¿¿ hay 14 N ¿
○ 7 2H +¿2 2 H →11 H +¿83 H ¿¿ hay 2 7H ¿
1
1
1
1
1
○ Phản ứng được chia thành 2 loại:
○ - Phản ứng hạt nhân tự phát: quá trình tự phân rã của một hạt nhân
không bền vững thành các hạt nhân khác. Ví dụ: q trình phóng xạ.
○ - Phản ứng hạt nhân kích thích: q trình các hạt nhân tương tác
với nhau tạo ra các hạt nhân khác. Ví dụ: phản ứng phân hạch –
phản ứng nhiệt hạch

Các Định luật bảo toàn trong tương tác hạt nhân:
○ Định luật bảo toàn số nuclon (số khối A): Trong phản ứng hạt nhân,
tổng số nuclon của các hạt tương tác bằng tổng số nuclon của các hạt
sản phẩm.
● AA + AB = AC + AD
○ Định luật bảo tồn điện tích (ngun tử số Z): các hạt nhân trong
phản ứng chỉ tương tác với nhau, không tương tác với vật nào khác

nên họp thành


● một hệ kín (hay hệ cơ lập) về điện. Điện tích của một hệ kín là khơng đổi,
nghĩa là “Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số
các điện tích của các hạt sản phẩm”.
● ZA + ZB = ZC + ZD
○ Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (bao gồm động năng và
năng lượng nghỉ): “Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương
tác bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm”.
● WA + WB = WC + WD
○ Định luật bảo toàn động lượng: Vectơ tổng động lượng của các hạt
tương tác bằng vectơ tổng động lượng của các hạt sản phẩm.
●

●

→

→

→

→

→

→

→

→

○ pA + pB= pC + pD
○ Định luật bảo tồn mơmen động lượng:
●

●

○ JA + JB=JC+ JD
○ Khơng có định luật bảo tồn khối lượng (nghỉ) của hệ trong vật lí
hạt nhân.
●

Hệ thức năng lượng của phản ứng hạt nhân:
○ Sự hụt khối của từng hạt nhân kéo theo sự khơng bảo tồn khối
lượng trong phản ứng hạt nhân.
○ Xét phản ứng hạt nhân: A + B → C + D và giả thuyết các hạt A và B
đứng yên. Tổng số nuclon không đổi trong phản ứng nhưng vì A, B,
C và D có độ hụt khối khác nhau nên tổng khối lượng m0 của các
hạt nhân A + B có thể khác tổng khối lượng m của các hạt nhân sinh
ra C + D
○ Giả sử m < m0. Hệ ban đầu có năng lượng nghỉ E 0 = m0C2, về sau có
năng lượng nghỉ E = mc2. Năng lượng toàn phần được bảo toàn, vậy
phản ứng phải tỏa năng lượng ΔE=(m−m0) c2 , dưới dạng động năng
của các hạt C và D hoặc photon γ . m bé hơn m0 là do các hạt sinh ra
có độ hụt khối lớn hơn các hạt ban đầu, nghĩa là bền vững hơn.
○ Vậy, một phản ứng trong đó các hạt sinh ra có tổng khối lượng bé
hơn các hạt ban đầu, nghĩa là bền vững hơn, là phản ứng tỏa năng
lượng.

○ Ngược lại, nếu m > m0 thì E > E0 phản ứng khơng thể tự nó xảy ra
được mà phải cung cấp cho các hạt A và B năng lượng W dưới dạng
động năng của hạt A chẳng hạn bắn A vào B.
○ W lớn hơn

ΔE=E−E

0

vì các hạt sinh ra có động năng:


○ W =ΔE+ Wđ
○ Vậy, một phản ứng hạt nhân sinh ra các hạt có tổng khối lượng lớn
hơn các hạt ban đầu (kém bền vững) là phản ứng thu năng lượng.
●
●
●

●

■

m0

E


E

0

●

m
●

W

…
.
.
…
.
E
.
m…< m0
.
.

đ

W

E
●

m0

E

0

E

m
●

m
>
m
0

●

○ Do đó xét phản ứng hạt nhân: a + X →
Y + b Năng lượng Q của phản ứng được
định nghĩa:
2
■ Q=[
a (m +m
X )−(mb +m )] c
○ Theo định luật bảo tồn năng lượng thì:

● Ka+ma

● c2+ m

■

● c2=K

X

+mb

●

b

Q=[(ma+mX )−(mb+mY ) ] c2
● ¿ KY + Kb−K a

Y

● c2+ K

● + mY c

2

○ Q > 0 : phản ứng toả
nhiệt. Q < 0 : phản
ứng thu nhiệt.
○ Nếu phản ứng thu nhiệt (Q < 0), ta phải cung cấp năng lượng cho hệ
từ bên ngoài bằng cách truyền động năng cho các hạt tương tác.
Năng lượng nhỏ nhất cần thiết để gây ra phản ứng thu nhiệt gọi là
năng lượng ngưỡng của phản ứng và được tính theo cơng thức:

●

(

Kng ⋅tn= 1+

)∣Q∣

mM
a
X

○ Đối với phản ứng toả nhiệt thì năng lượng ngưỡng bằng khơng,
nghĩa là phản ứng hạt nhân có thể xảy ra dưới tác dụng của hạt tới
có năng lượng nhỏ bao nhiêu cũng được.


● CHƯƠNG 3: SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN
ỨNG DÂY CHUYỀN
●

●

Năng lượng vỡ hạt:

○ Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ bao giờ cũng
nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng toả ra tương ứng với
độ hụt khối gọi là năng lượng vỡ hạt hay năng lượng phân hạch.
○ Thí dụ bắn nơtron chậm vào hạt nhân 235U thì nó sẽ vỡ thành hai
mảnh M, N và giải phóng hai, ba nơtron.
235
n + U → M + N + kn (k = 1, 2, 3)

○92 Hai mảnh M, N là những hạt nhân của nhiều chất khác nhau tuỳ theo
điều kiện của ohanr ứng. Xác xuất hiện hai hạt nhân M, N phụ thuộc
vào số nucleon của chúng.
○ Trong đó:
○ Mass number: số khối.
○ Percent fission yield: phần trăm sản lượng phân hạch.
○ Hình bên biểu diễn sự
phụ thuộc của xác suất
vào số A của hạt nhân
mới hình thành. Đồ thị
chỉ rằng xác suất cực tiểu
khi A
● =118 (bằng nửa số nucleon hạt
nhân Uran).
○ Vậy rất ít khi xảy ra phản
ứng trong đó hai nhân M,
N có khối lượng bằng
nhau.
○ Xác xuất cực đại khi A≈140.
● Thí dụ phản ứng:
n+235U → 139 Xe+95 Sr+ 2n là một phản ứng dễ xảy ra nhất.
■
92
92
38
●

●

●

○ Trong mọi trường hợp, phản ứng vỡ nhân Uran bao giờ cũng toả
năng lượng:
Wt=c2[ (mn+mUran)−(m M+ mN +kmn)]
○ Wt gọi là năng lượng phân hạch của hạt nhân Uran. Năng lượng đó có
giá trị khoảng: W ≈ 200MeW. Năng lượng này được phân bố như
sau:
●


○ Các mảnh phân hạch:
162MeV Nơtron: 6MeV
Tia γ:
Nơtrino:

6MeV
11MeV

Phân rã β các mảnh: 5MeV
Bức xạ γ các mảnh:

1.

5MeV

Phản ứng dây chuyền và sự vỡ hạt nhân Uran:
Năm 1939, các nhà vật lý Đức Hahn và Strassman đã phát hiện ra rằng,
dưới tác dụng của neutron chậm, hạt nhân 235U92bị vở thành hai mảnh có khối
lượng gần bằng nhau. Các mảnh vở này có động năng khá lớn và là những
đồng vị phóng xạ khá mạnh. Ngồi ra trong phản ứng cịn phát ra một vài

neutron nữa, gọi là neutron thứ cấp (neutron bắn vào hạt nhân gọi là neutron
sơ cấp). Ông gọi đó là sự phân hạch.
1.1

Định nghĩa:
Sự phân hạch là hiện tượng một hạt nhân (loại rất nặng) hấp thụ một
neutron rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình. Neutron chậm, có động
năng tương đương với động năng trung bình của chuyển động nhiệt (dưới
0,1 eV) dễ bị hấp thụ hơn neutron nhanh.

1.2

Đặc điểm:

Trong quá trình phân hạch, trung bình có từ 2 đến 3 neutron thứ cấp
phát ra. Các neutron thứ cấp có năng lượng từ 0 đến 10 MeV, nhưng phần
lớn tập trung trong khoảng 1 → 2 MeV. Các mảnh vở phát ra trong quá
trình phân hạch rất khác nhau. Sự vỡ làm hai mảnh bằng nhau có xác suất
bé.
Các mảnh vỡ nói chung rất thừa neutron nên chúng khơng bền vững và
235
¿
144
89
1
phóng xạ β−¿¿ liên tiếp.Ví dụ: 1n +¿
U92 →236 U
Ba
0
92 →

56 +¿ Kr
36 +3 n¿¿
0


Hai mảnh vỡ phóng xạ β−¿¿ liên tiếp.
Phản ứng phân hạch tỏa ra một năng lượng lớn và phát ra một số
neutron thứ cấp, lớn hơn số neutron sơ cấp. Năng lượng giải phóng từ
phản ứng phân hạch vào khoảng 200 MeV. Năng lượng này được phân bố
như sau:
Động năng của các mảnh phân hạch ≈ 170 MeV
Động năng của các neutron thứ cấp ≈ 5 MeV
Năng lượng của tia β−¿¿ và γ khoảng 15 MeV
Năng lượng của v trong phân rã β−¿¿ khoảng 10 MeV

Từ một phản ứng phân hạch đầu trên, các phản ứng phân hạch khác lại
được phát triển tiếp tục, vì số neutron thứ cấp mới sinh ra lại bị các hạt
nhân Urani khác hấp thụ để phân hạch…, cho tới khi toàn bộ nhiên liệu
hạt nhân được sử dụng hết. Chỉ trong một thời gian ngắn, số phản ứng
tăng lên theo cấp số nhân và năng lượng tỏa ra vô cùng lớn. Phản ứng tiếp
diễn và tự duy trì như thế được gọi là phản ứng dây chuyền. Phản ứng dây
chuyền có thể xảy ra rất nhanh (như trong bom hạt nhân) hoặc có thể điều
khiển được (như trong lò phản ứng hạt nhân).
1.3

Điều kiện xảy ra phản ứng dây chuyền:
Trong thực tế, không phải mọi neutron sinh ra đều có thể xảy ra sự
phân hạch, bởi vì nếu có nhiều neutron bị mất mát đi do nhiều nguyên
nhân khác nhau. Muốn có phản ứng dây chuyền xảy ra phải xét tới số
nhân neutron trung bình k cịn lại sau mỗi phân hạch (họi là hệ số nhân

neutron)


Nếu k < 1 thì hệ thống gọi là dưới hạn, phản ứng dây chuyền không
xảy ra.
Nếu k = 1 thì hệ thống gọi là tới hạn: phản ứng dây chuyền tiếp diễn
nhưng không tăng vọt, năng lượng tỏa ra khơng đổi và có thể kiểm sốt
được. Đó là chế độ hoạt động của lò phản ứng hạt nhân trong các nhà máy
điện nguyên tử.
Nếu k > 1 thì hệ thống gọi là vượt hạn: dòng neutron tăng liên tục theo
thời gian, không khống chế được phản ứng dây chuyền, năng lượng tỏa ra
có sức tàn phá dữ dội. Trường hợp này đã được sử dụng để chế tạo bom
nguyên tử.
Số neutron bị mất mát do thốt ra ngồi so với số neutron sinh ra càng
nhỏ nếu khối lượng urani càng lớn. Để giảm tối thiểu số neutron do mất
mát vì thốt ra ngồi nhằm đảm bảo k ≥ 1 thì khối lượng nhiên liệu hạt
nhân phải đạt giá trị tối thiểu, gọi là khối lượng tới hạn mth. Với 235U thì
mth = 50 kg, cịn với 210Po thì mth = 5 kg.


CHƯƠNG 4: PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG
LƯỢNG NHIỆT HẠCH
Ngoài hiện tượng tỏa năng lượng khi phá vỡ hạt nhân nặng, cịn có hiện
tượng toả năng lượng khi kết hợp các hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng
hơn.
Thực vậy, nếu kết hợp các đồng vị của hiđrô để tạo thành hạt nhân Hêli, thì
các phản ứng đó sẽ tỏa năng lượng.
H +¿12 H →24 He +n+17,5 MeV ¿31H +¿2 1H →4 2He +γ +19,2 MeV ¿

3

1

Li +¿21 H →242 He +22,2 MeV ¿37Li +¿21 H →224 He+n+ 15,1 MeV ¿

6
3

Những phản ứng đó gọi là phản ứng kết hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt
hạch. Năng lượng tỏa ra gọi là năng lượng nhiệt hạch. Năng lượng nhiệt hạch
lớn hơn năng lượng phân hạch nhiều lần.
Ví dụ: 1kg hỗn hợp đồng vị hiđrô nặng tỏa ra năng lượng 9,2.10 7 Kw.h gấp 4
lần năng lượng do một kg U235 tỏa ra (2,3.107Kw.h).

1.

Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch:
Vì các hạt nhân đồng vị Hidro đều là những hạt tích điện dương, nên
muốn tạo ra phản ứng nhiệt hạch, phải cung cấp cho các hạt nhân một động
năng đủ lớn để vượt hàng rào thế năng Coulomb tiến lại gần nhau đến
khoảng cách nhỏ hơn 30.10-15 m. Khi đó lực hạt nhân sẽ phát huy được tác
dụng và phản ứng nhiệt hạch sẽ xảy ra.
Ở khoảng cách đó, thế năng tương tác giữa các hạt nhân đơtêri là:
(1,6.1 0 )2
−19

Wt=

e2
4 π ε0 r

=

=7,7.10−14 J ≈ 0,5 MeV

4 π .8,85 .10−12.3 .1

0−15

Như vậy, muốn đẩy 2 hạt nhân dotron lại gần nhau, cần phải tốn một công
7,7.10-14 J. Tuy nhiên, có thể cung cho các hạt nhân dotron năng lượng nhỏ
hơn 0,5 MeV. Chúng vẫn xuyên qua hàng rào thế năng do hiệu ứng đường
ngầm. muốn chuyển năng lượng cần thiết đó cho một số lớn hạt nhân dotron
thì chỉ cần tạo nên nhiệt độ cao. Theo công thức: W =3 kT thì 1eV tương
2 11.400 K. Do
đương với năng lượng của chuyển động nhiệt ở nhiệt độ gần
đó, muốn cho các dotron có năng lượng 0,5 MeV cần có nhiệt độ xấp xỉ 1010


K. Thực ra chỉ cần nhiệt độ 108 K là phản ứng nhiệt hạch đã xảy ra rồi.


Nguyên nhân là theo định luật phân bố vận tốc của Maxwell, mặc dù ở
nhiệt độ không cao lắm vẫn có một số hạt có năng lượng trung bình khá lớn
để bảo đảm số phản ứng cần thiết xảy ra. Thành thử muốn thực hiện phản
4

ứng tổng hợp hạt nhân
là phản ứng nhiệt hạch).

He
2

phải tạo ra những nhiệt độ cao (vì lẽ đó mà có tên

Ngồi điều kiện nhiệt độ cao, để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra thì mật
độ hạt phải đủ lớn và thời gian duy trì nhiệt độ cao phải đủ dài. Kết hợp hai
điều kiện đó Lo-sơn đã chứng minh hệ thức:

nτ ≥(1014 ÷ 1 016 ) s

nêu
lên điều
3

cm

kiện cơ bản để xảy ra phản ứng nhiệt hạch.

2.

Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển:
Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu
độ, có thể dùng bom hạt nhân để tạo ra nhiệt độ đó, nhưng phản ứng nhiệt
hạch xảy ra sẽ chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn (cỡ 10 6s) rồi tắt hẳn. Vì
vậy phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong điều kiện đó gọi là phản ứng nhiệt hạch
không điều khiển.

Dotri và Triti

Sơ đồ nguyên tắc hoạt động bom nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch khơng điều khiển, được thực hiện làm bom khinh
khí. Nhiên liệu nhiệt hạch là Liti Hydrua (LiH) hay Liti nặng Hiđrua LiD ở
trạng thái rắn. Nhiên liệu nhiệt hạch dễ sản xuất vì Li có nhiều trong thiên
nhiên, cịn Dotri thì lấy ở nước biển bằng điện phân. Nếu mỗi quả bom hạt
nhân tương đương 20000 tấn thuốc nổ Trinitronoluen thì quả bom khinh khí
có thể tương đương với triệu tấn thuốc nổ đó.
Bom H (cịn được gọi là bom nhiệt hạch hay bom khinh khí) là loại bom
làm bằng Hidro, mơ phỏng các q trình giải phóng năng lượng hạt nhân trên
mặt trời. Nguyên tắc hoạt động của nó có nhiều khác biệt so với nguyên lý
của bom nguyên tử. Ở bom nguyên tử (bom A), năng lượng bùng phát khi
các đồng vị nặng Uranium hoặc Plutonium phân rã thành các đồng vị nhẹ
hơn. Trong khi đó, ở bom nhiệt hạch, năng lượng xuất hiện từ sự bùng nổ của


các hạt nhân Hydro khi chúng chuyển thành Helium. Bởi vì nhiên liệu của