đề tài 18 chủ đề ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.07 MB, 36 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Click or tap here to enter text.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

Làm báo cáo

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ... 6

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 6

1. Các khái niệm cơ bản về hạt nhân ... 6

2. Các đại lượng cơ bản trong kỹ thuật hạt nhân ... 7

3. Trạng thái kích thích và sự phát xạ của nguyên tử ... 12

4. Phân loại phản ứng ... 13

5. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân ... 14

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG NÔNG NGHIỆP ... 16

1. Tạo giống mới ... 16

2. Kiểm soát sâu bệnh và cỏ dại ... 23

3. Phân tích dinh dưỡng đất ... 26

4. Phân bón hạt nhân ... 30

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ... 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 34

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Một số phản ứng hạt nhân bảo tồn điện tích, nucleon... 15 Bảng 2.2. Các phản ứng phân rã alpha, phân rã beta và chiếm electron quỹ đạo bảo tồn điện tích và nucleon ... 15

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1. Các mức năng lượng (eV) của nguyên tử Hydro ... 13

Hình 3.1. Cơ chế gây tổn hại DNA thông qua bức xạ ... 18

Hình 3.2. Một số cơ sở máy gia tốc hạt trên thế giới ... 21

Hình 3.3. Số lượng giống đột biến được nghiên cứu cho tới 2020 ... 22

Hình 3.4. Cơ chế tiệt sinh cơn trùng SIT ... 24

Hình 3.5. Cơ chế tiệt sinh di truyền ... 25

Hình 3.6. Cơ chế phương pháp kiểm sốt sinh học ... 26

Hình 3.7. Sơ đồ quá trình NAA với hạt nhân 59Co là mục tiêu ... 28

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

LỜI MỞ ĐẦU

Vật lý là một lĩnh vực mang tính quyết định đối với sự tiến bộ của nhân loại, từ việc hiểu rõ cơ bản về cấu trúc của vũ trụ cho đến ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày. Trong khối lượng kiến thức phong phú của môn học Vật Lý 2, chúng ta được đưa vào thế giới phức tạp hơn của lý thuyết và ứng dụng, mở ra những cơ hội mới và thách thức mới.

Trong q trình học tập bộ mơn Vật lý 2 chúng em đã học được rất nhiều điều mới lạ, bổ ích và để có thể nắm bắt và vận dụng kiến thức một cách dễ dàng hơn thì nhóm chúng em đã làm quen, tìm hiểu về một chủ đề về vũ trụ đó là “Ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp”. Đây là một chủ đề vô cùng thú vị và độc đáo. Và để hiểu rõ hơn về nó thì chúng ta sẽ cùng tìm hiểu ở những phần sau.

Trong ngành nông nghiệp, sự tiến bộ và sáng tạo luôn được đánh giá cao, đặc biệt là khi áp dụng công nghệ để cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong những đề tài nổi bật thu hút sự quan tâm của cả nhà khoa học và những người làm trong lĩnh vực này là ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp. Việc sử dụng bức xạ hạt nhân để kiểm soát sâu bệnh, tăng cường sinh trưởng cây trồng và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn có thể mang lại những lợi ích to lớn cho ngành nông nghiệp và cộng đồng nông dân.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đề tài: “Ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp”

Vào ngày nay, năng lượng nguyên tử đang được ứng dụng rộng rãi và có nhiều đóng góp quan trọng trong việc sản suất năng lượng hay các lĩnh vực đời sống xã hội như y tế. Trong đó, nơng nghiệp là ngành kinh tế đã và đang áp dụng công nghệ hạt nhân để tạo ra các giống cây trồng mới nhằm tăng chất lượng sản phẩm đem lại nguồn thu nhập cho người nông dân Việt Nam nói chung và trên tồn thế giới. Ngồi ra, ứng dụng cơng nghệ hạt nhân cịn giúp ta bảo quản và chế biến sản phẩm, bảo vệ thực vật.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Các khái niệm cơ bản về hạt nhân

Hạt nhân nguyên tử là cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ cực lớn đạt đến 100 triệu tấn/cm3), chiếm khối lượng chủ yếu (gần như là toàn bộ) của nguyên tử. 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 1.6726×10−27 kg (1.007825 u) 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 còn một số hoài nghi trong vật lý hiện đại.

-

Neutron: là loại hạt khơng mang điện tích, có khối lượng bằng 1.6750 × 10−27

kg (1.008665 u) 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

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

điện tử (electron) và một phản Neutrino.

2. Các đại lượng cơ bản trong kỹ thuật hạt nhân

2.1. Khối lượng nguyên tử và khối lượng phân tử

Khối lượng nguyên tử được định nghĩa theo khối lượng của nguyên tử 12

6C trung hòa theo một thang đo, trong đó khối lượng của 12

6C được chọn là 12. Ta kí hiệu

( )

ANZ

m là khối lượng của ngun tố có kí hiệu A

NZ và

( )

126

mC là khối lượng của 126C trung hòa. Khối lượng nguyên tử được tính như sau:

iiy

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

RR A (2.2) trong đó R0 =1,1 10 −15(m). Thể tích gần đúng của hạt nhân bằng:

kg m

Mật độ khối lượng hạt nhân cực kì lớn. Thực nghiệm chứng tỏ khối lượng khơng phân bố đều mà tập trung ở giữa tạo thành lõi, cịn ở lớp ngồi mặt, mật độ khối lượng giảm nhanh.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Để xác định kích thước hạt nhân, ngoài những phương pháp dùng hạt đạn bắn phá

hạt nhân, người ta còn dựa vào hệ thức bất định về năng lượng E   . Nội dung của th

phương pháp này như sau: Theo Yukawa, các nucleon thực hiện tương tác với nhau bằng cách trao đổi với nhau các mezon . Có 3 hạt nhân mezon :   −, +, o. Khối lượng của các hạt  nằm trong khoảng (200 – 300) me. Có thể xảy ra các sơ đồ trao đổi sau:

Q trình này tự phát xảy ra khơng cần có năng lượng từ ngồi. Sự trao đổi trên kèm

theo độ biến thiên năng lượng E . Theo cơ học lượng tử thì E chính là độ bất định năng lượng của hệ các nucleon. Độ bất định này (vào cỡ năng lượng nghỉ của hạt ) chỉ tồn tại trong khoảng thời gian:

( )

Thực nghiệm chứng tỏ các nucleon khơng phải có kích thước điểm. Chúng có cấu trúc rất phức tạp. Cụ thể, proton luôn luôn phát ra và hấp thụ các hạt ảo . Như vậy, quanh nucleon luôn tồn tại một đám mây các mezon  ảo. Hạt proton, mà ta thường quan niệm trong thực tế, là một cái lõi (gọi là nucleon “trần”) được bao quanh bằng một đám mây các hạt . Các nucleon tồn tại trong hạt nhân có bán kính R được xác định bởi (2.2).

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Ngồi ra, người ta cũng có thể xác định R bằng cách so sánh năng lượng liên kết của các hạt nhân gương.

2.3. Năng lượng

Theo hệ thức Einstein: 𝐸 = 𝑚𝑐2Năng lượng tương ứng có khối lượng 1u:

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

điều này, một trạng thái kích thích với momen động lượng lớn khó phân rã do sự phát xạ hạt như nơtron và hạt . Nghiên cứu đang thu hút sự chú ý.

Bức xạ gamma (



) bao gồm các photon có bước sóng nhỏ hơn 3.10-11 mét (lớn hơn 1019 Hz và 41,4 keV). Phát bức xạ gamma là một quá trình hạt nhân xảy ra để loại bỏ năng lượng dư thừa của một hạt nhân không ổn định sau hầu hết các phản ứng hạt nhân. Cả hai hạt  và



đều có điện tích và khối lượng, do đó có nhiều khả năng tương tác với các nguyên tử khác trên đường đi của chúng. Tuy nhiên, bức xạ



bao gồm các photon, khơng có khối lượng cũng như điện tích và do đó, xuyên qua vật chất sâu hơn nhiều so với bức xạ

 hoặc



2.5. Phân rã phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ là q trình vật lý biến đổi tự phát của hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân ban đầu được gọi là hạt mẹ, hoặc hạt nhân mẹ. Hạt nhân phóng xạ tương ứng cịn được gọi là mẹ (cha) một. Hạt nhân xuất hiện do biến đổi phóng xạ được gọi là hạt nhân con , hay hạt nhân con. Cùng tên của hạt nhân phóng xạ thu được. Các hạt nhân mẹ và con và các hạt nhân phóng xạ cấu tạo từ chúng được gọi là liên kết di truyền. Nếu hạt nhân con là chất phóng xạ, họ nói về chuỗi biến đổi phóng xạ, hoặc về chuỗi (họ) phóng xạ. Tất cả các nguyên tố trong chuỗi phóng xạ cũng được gọi là những nguyên tố có liên kết di truyền.

Tính chất của các tia phóng xạ:

-

Có khả năng tác dụng sinh lý và hóa học kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào.

-

Có khả năng ion hóa các chất khí.

-

Có khả năng xun thấu, dễ dàng xuyên qua giấy, vải, gỗ và cả những tấm kim loại mỏng.

-

Tỏa nhiệt khi phóng xạ. Khi phóng xạ, khối lượng chất phóng xạ giảm dần và lượng chất đó biến thành chất khác. Cho nên q trình phóng xạ thực chất là q trình biến đổi hạt nhân.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

2.6. Độ phóng xạ

Trong q trình phóng xạ, số hạt nhân của chất phóng xạ sẽ giảm theo thời gian. Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã của các phóng xạ là N. Sau thời

gian dt , số các hạt nhân của các phóng xạ giảm đi dN− . Độ giảm dN− tỷ lệ với N và với

thời gian dt theo hằng số phân rã  :

3. Trạng thái kích thích và sự phát xạ của nguyên tử

Các electron của nguyên tử bao quanh hạt nhân chuyển động theo các quỹ đạo xác định. Trong số đó, có một số electron liên kết mạnh hơn với nguyên tử. Ví dụ, chỉ cần 7,38 eV để tách electron ngoài cùng ra khỏi nguyên tử Pb (Z = 82), trong khi để tách electron trong cùng (electron lớp K) cần năng lượng là 88 keV. Việc tách electron khỏi nguyên tử được gọi là ion hóa nguyên tử, và năng lượng để tách gọi là năng lượng ion hóa của nguyên tử.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Với ngun tử trung hịa, electron có thể tồn tại ở các quỹ đạo (trạng thái) khác nhau. Trạng thái năng lượng thấp nhất của các nguyên tử được gọi là trạng thái cơ bản. Khi một nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái cơ bản, ngun tử đó đang ở trạng thái kích thích. Trạng thái cơ bản và các trạng thái kích thích khác nhau có thể được mơ tả bằng sơ đồ phân mức năng lượng, ví dụ như Hình 2.1 cho mô tả trạng thái của nguyên tử hydro. Trạng thái năng lượng cao nhất tương ứng với trạng thái khi electron bị tách hoàn toàn khỏi nguyên tử, và lúc này ngun tử bị ion hóa.

Hình 2.2. Các mức năng lượng (eV) của nguyên tử Hydro

Một nguyên tử khơng thể tồn tại mãi ở trạng thái kích thích, nó sẽ chuyển về các trạng thái năng lượng thấp hơn, và do đó sau cùng nguyên tử sẽ trở về trạng thái cơ bản.

Khi chuyển dịch từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn, nguyên tử sẽ phát ra một photon với năng lượng đúng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái. Ví dụ, khi nguyên tử hydro ở trạng thái kích thích thứ nhất 10,19 eV chuyển về trạng thái cơ bản, nó phát ra 1 photon có năng lượng đúng bằng 10,19 eV.

4. Phân loại phản ứng

Khi hai hạt nhân (hoặc nucleon và hạt nhân) gần nhau đến khoảng cách 10-15 m (bán kính hạt nhân) thì xuất hiện hiện tượng tương tác mạnh, dẫn tới sự biến đổi của hạt nhân. Quá trình này gọi là phản ứng hạt nhân. Trong phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng lượng và xung lượng của hai hạt, đồng thời sinh ra một số hạt khác. Tuỳ theo hạt tới gây tương tác, người ta có thể chia ra thành các loại tương tác sau:

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

-

Phản ứng dưới tác dụng của neutron.

-

Phản ứng dưới tác dụng của hạt tích điện.

-

Phản ứng dưới tác động của tia  (Quang phản ứng). Và theo quan điểm về cơ chế tương tác, có thể chia ra làm 3 loại:

-

Phản ứng qua giai đoạn trung gian bằng cách tạo hạt nhân hợp phần.

-

Phản ứng bằng tương tác trực tiếp.

-

Phản ứng tiền cân bằng (tức giữa hai phản ứng trên). Ký hiệu phản ứng:

+ → +

aAbB viết tắt A a b B ( , )Trong đó: a, A là các hạt tham gia phản ứng

b, B là các hạt sản phẩm của phản ứng.

5. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

5.1.

Định luật bảo tồn điện tích và số nucleon

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng trong tất cả các trường hợp thì tổng số điện tích của các hạt tham gia phản ứng bằng tổng điện tích của các sản phẩm của phản ứng. Trong phản ứng hạt nhân thơng thường (khơng sinh phản hạt) thì số nucleon bảo tồn. Bảng 2.1 trình bày một vài phản ứng hạt nhân làm ví dụ cho định luật bảo tồn điện tích và nucleon.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Bảng 2.1. Một số phản ứng hạt nhân bảo tồn điện tích, nucleon

14177N 8O p

Sự bảo toàn số nucleon dẫn tới quá trình 𝑝 + 𝑒− → 2𝛾 bị cấm.

Bảo toàn số nucleon dẫn tới bảo toàn số khối A. Như vậy có thể đưa thêm khái niệm điện tích nucleon (𝐵𝑛 = 𝐵𝑝 = 1). Xét trong hạt nhân, điện tích sẽ bằng với số khối A, được gọi là điện tích Barion.

5.2.

Định luật bảo tồn năng lượng và xung lượng

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Trong phản ứng hạt nhân, mô men động lượng của các hạt đang tương tác và hình chiếu của nó lên một phương được bảo toàn.

5.3.

Định luật bảo toàn chẵn lẻ

Spin và độ chẵn lẻ là hai đặc trưng lượng tử của hàm sóng =JJ . Trong đó  là độ chẵn lẻ và J là spin của hạt nhân. Độ chẵn lẻ gắn liền với tính chất của hàm sóng  .

5.4.

Định luật bảo toàn spin đồng vị

Các hạt cùng một họ mezon hay barion có khối lượng gần bằng nhau ghép lại thành một đa tuyến đồng vị. Trong một đa tuyến, các phần tử tương tác mạnh với nhau (hadron), chúng tương tác mạnh như nhau với các phần tử ngoài đa tuyến.

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG NƠNG NGHIỆP

Cơng nghệ hạt nhân trong nơng nghiệp áp dụng bức xạ và cơng nghệ phóng xạ để cải thiện năng suất và bền vững ngành nông. Các giống cây trồng mới được phát triển thông qua gây đột biến gen, cải thiện khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt và sâu bệnh. Bức xạ ion hóa giúp tiệt trùng thực phẩm, kéo dài thời gian bảo quản mà khơng cần hóa chất. Kỹ thuật thả phóng xạ vơ sinh hóa cơn trùng đực, giảm thiểu dịch hại mà không ảnh hưởng đến môi trường. Cơng nghệ này cịn hỗ trợ nghiên cứu về dinh dưỡng, đất và nước, cũng như khử trùng nước hiệu quả. Việc ứng dụng hạt nhân trong nông nghiệp tăng cường bảo vệ mơi trường và giảm hóa chất độc hại, nhưng cần tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn an toàn để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

1. Tạo giống mới

1.1. Giới thiệu chung

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Trong sản xuất nông nghiệp, cơng tác chọn tạo giống cây trồng mới có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, bởi đây là khâu đầu tiên quyết định đến năng suất và chất lượng của cây trồng. Tuy nhiên quá trình chọn lọc giống mang tính đột biến trong tự nhiên diễn ra trong nhiều năm, có thể là hàng trăm năm, thậm chí là hàng triệu năm. Ngày nay nhờ có những cơng nghệ hiện đại có thể tác động biến dị bằng năng lượng hạt nhân giúp rút ngắn quá trình đột biến tự nhiên hàng triệu năm xuống chỉ cịn tính theo tháng giúp đem lại những giống cây trồng năng suất, chất lượng cao, giúp đảm bảo an ninh lương thực và an tồn thực phẩm.

Mặc dù các cơng nghệ tiên tiến như chỉnh sửa gen đã mang lại nhiều phương pháp hiệu quả để tạo ra các giống cây trồng, nhưng việc tăng cường sự đa dạng của tế bào chất thông qua đột biến vẫn là điều không thể thiếu trong chọn giống cây trồng hiện nay. Kỹ thuật nhân giống đột biến sử dụng các phương pháp đột biến nhân tạo để thu được các giống cây trồng mới, chủ yếu thơng qua đột biến hóa học hoặc bức xạ. Đột biến hóa học là phương pháp sử dụng các phản ứng sinh hóa giữa tác nhân hóa học và vật chất di truyền, kết quả chủ yếu là các biến đổi gen. Mặc dù gây đột biến hóa học rất dễ thực hiện nhưng lại có tác động khơng nhỏ đến mơi trường và an tồn sinh học. Trong khi đó, đột biến bức xạ là đột biến có khả năng mang đến các dạng di truyền phức tạp hơn và nhiều kiểu hình đột biến có lợi hơn. Nhân giống đột biến sử dụng công nghệ bức xạ đã ra đời và phát triển được gần 100 năm, cải tạo thành công cây trồng thông qua việc tăng sự biến đổi di truyền. Nhân giống cây trồng đột biến bằng công nghệ bức xạ là một phương pháp nhân giống cây trồng được thực hiện bằng cách sử dụng tia bức xạ ion hóa để tạo ra các biến đổi di truyền trong gen của cây. Phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra các biến thể cây mới với các đặc tính mong muốn, như sự chịu nhiệt, kháng bệnh, tăng năng suất hoặc cải thiện chất lượng sản phẩm.

1.2. Nguyên lý và phương pháp thực hiện

Quá trình nhân giống cây trồng đột biến bằng công nghệ bức xạ thường gồm các bước sau:

</div>