Chương 9 Phản ứng hạt nhân

Chương 9: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
§1. KHÁI NIỆM VỀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Dùng một hạt đạn đã biết bắn phá hạt nhân bia:
phản ứng xảy ra khi hạt đạn đi vào miền tác dụng
của hạt nhân bia(~10
-15
m), có sự sắp xếp lại điện
tích và các nuclon của hạt nhân làm xuất hiện hạt
nhân mới(hạt nhân lùi)
Phương pháp tạo phản ứng hạt nhân: Dùng chùm
hạt (đạn) bắn phá hạt nhân (bia)
Một số hạt đạn thường dùng: D, t, h(
2
He
3
), α, …

•
Tán xạ đàn tính: Trạng thái nội tại của các hạt
tương tác không thay đổi nhưng động lượng và
động năng các hạt lại thay đổi.
a + X → X + a
Phản ứng hạt nhân được phân chia theo hạt tới,
hạt bay ra và hạt lùi:
+ Tán xạ
+ Phản ứng trực tiếp
+ Phản ứng phức hợp

•
Phản ứng trực tiếp: là tương tác của hai hạt, dẫn

đến xuất hiện các hạt mới:
a + X → Y + b
Trong đó kí hiệu a là hạt đạn, X là hạt nhân bia, Y là
hạt nhân sản phẩm (hạt nhân lùi) và b là hạt nhẹ
bay ra sau phản ứng
X (a , b) Y
Tán xạ không đàn tính: Trạng thái nội tại của các
hạt tương tác không thay đổi nhưng động lượng và
động năng các hạt lại thay đổi.
a + X → X’ + a’
Trong đó: X * chỉ hạt nhân ở trạng thái năng lượng
kích thích; a′ chỉ hạt a ở trạng thái khác

Thí dụ
19 18
9 9
17 20 19
8 10 10

F p F d
O h Ne Ne n
 
+ +
 
 
+ → → +
 
 
 
 

M M
•
Phản ứng phức hợp: Hạt tới và hạt nhân bia tạo
thành một hạt nhân hợp phần (thời gian sống ~10
-6
s)
rồi tiếp tục phân rã thành hạt nhân khác.
Có thể có nhiều phản ứng khác nhau cho một hạt
nhân hợp phần và cũng có thể từ một hạt nhân hợp
phần có nhiều cách phân rã khác nhau (các kênh
phân rã)

Tiết diện hiệu dụng hạt nhân: mỗi hạt nhân được gắn
với một tiết diện, gọi là tiết diện hiệu dụng theo
hướng vuông góc với phương tới của các hạt đạn a.
Bia được xem là đủ mỏng sao cho không có một hạt
nhân nào bị che lấp.
Diện tích của tiết diện được chọn sao cho nếu một
hạt đạn tới nào lọt vào tiết diện này thì phản ứng hạt
nhân xảy ra
§2. TIẾT DIỆN HIỆU DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT
NHÂN

Xác suất gây phản ứng:
t
n NSd
p Nd
n S
= = =
t

n
p
n
=
Đơn vị: 1barn = 10
−24
cm
2
= 10
−28
m
2

d: Độ dày của bia
S: Diện tích của bia
N: Mật độ hạt nhân – số hạt nhân của bia trong
1 đơn vị thể tích

Tiết diện tán xạ hiệu dụng σ:
( )
0
1
N d
t
N N e
σ
−
= −
Thí dụ: Tìm tiết diện hiệu dụng của bia nếu số
neutron bị tán xạ trên bia thí nghiệm bằng 10

-6
%
chùm tới. Bia có khối lượng riêng 4,1.10
3
kg/m
3
, số
khối A=30, dày d=10
-8
m
d: Độ dày của bia
N
0
: Số hạt tới bia
N
t
: Số hạt tới bị tán xạ
N: Mật độ hạt nhân của bia theo thể tích

Giải:
8
1
10
Nd
σ
−
≈
6 8
0
8

8
1 10 % 10
1 10
10
N d
t
N d
N
e
N
e
N d
σ
σ
σ
− − −
− −
−
= − = =
⇒ = −
⇒ ≈
A A
n NA
m A
N N
ρ
= ⇒ =
Mặt khác
Vậy
8

10 0,121 barn
A
A
N d
σ
ρ
−
≈ =

§3. CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1. Định luật bảo toàn số nuclôn
2. Định luật bảo toàn điện tích
3. Định luật bảo toàn động lượng
4. Định luật bảo toàn mômen động lượng bao gồm
cả bảo toàn mômen spin của hạt nhân
5. Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng
toàn phần không thay đổi trước và sau phản ứng
X (a,b) Y

X + a → b + Y
( )
b Y a
Q D D D= + −
2 2 2 2
( ) ( ) ( )
a a X b b Y Y
m c D M c m c D M c D+ + = + + +
Bảo toàn năng lượng
2

( ) ( )
a x b Y
Q
m M m M
c
= + − +
Q>0: Phản ứng tỏa năng lượng
Q<0: Phản ứng thu năng lượng
Q=0: Tán xạ đàn tính

Thí dụ
4 14 17 1
2 7 8 1
He N O H+ → +
Năng lượng
∆
m = m
α
+ m
N

−
(m
H
+ m
O
)
= (4,00386 + 14,00753)
−
(1,000813 + 17,00450)

=
−
0,00124 đvklnt
nên Q =
−
0,00124.931 =
−
1,16 MeV
Phản ứng thu năng lượng 1,16 MeV

§4. NEUTRON
Dùng γ bắn phá deuton
1. Khối lượng
E
γ min
=2,225MeV tương đương độ hụt khối
∆m=0,00239 u
+ D p n
γ
+ →
m
n
=1,0086652 u

4. Phân loại neutron
•
Neutron chậm:
E < 1 eV: neutron nhiệt
1 eV < E < 0,1 MeV: neutron trung gian
•

Neutron nhanh: 0,1 MeV < E
Neutron chậm: tán xạ đàn tính
Neutron nhanh: - Tán xạ không đàn tính
- Hấp thụ

Neutron tự do
2. Thời gian sống – Chu kỳ bán rã
Chu kỳ bán rã: T=11,7 phút
n p e
υ
+ −
→ + +
%
16,88 phút
0,693
T
τ
= =
Thời gian sống:

(α,n), (γ,n), phân chia tự phát của hạt nhân
3. Các nguồn neutron
•
(α,n): α từ phóng xạ tự nhiên (4,8-7,7MeV) bắn
phá nhân Be
Be
9
(α,n) C
12
252

98
248
96
3 4

X Y n
Cf
Cm
α
+ + ÷
+
Z
]
•
Phân chia hạt nhân:
E= (1-13MeV)
•
(γ,n):
Be
9
(γ,n) Be
8
, D (γ,n) H
•
Máy gia tốc: Li
7
(p,n) Be
7
, D

(D,n) He
3
, T(D,n) He
4

§5. MÁY GIA TỐC
Tự đọc