Bài giảng Điện học (Phần 12) pps

Bài giảng Điện học
(Phần 12)
2.6 Lực hạt nhân yếu; phân rã beta
Mọiquá trìnhhạt nhân mà chúng ta đã nói tới ở trên đều liên quantới sự
sắp xếpcủa các proton và neutron,khôngcó sự thay đổi nào ở tổngsố proton hay
tổng số neutron. Bây giờ hãy xéttỉ lệ neutron vàproton trong cơ thể bạn và trong
hành tinhTrái Đất: neutronvà protonnhiều xấp xỉ bằng nhautrong hạt nhân
cacbon và oxygentrongcơ thể bạn,và cũngnhư trong nikelvà sắtcấu thành nên
đa phần Trái Đất. Tỉ lệ khoảng chừng 50 – 50.Nhưng,như thảo luận chi tiết hơn
trong phần2.10 không bắt buộc, những nguyên tố hóa họcduy nhất đượctạo ra
với số lượngđáng kể trongBig Banglà hydrogen(khoảng 90%)vàhelium(khoảng
10%).Nếu vũ trụ sơ khai hầunhư không có gì cả ngoài các nguyêntử hydrogen,
hạt nhân của chúng chỉ là proton, thì tất cả neutron từ đâu mà có?
Câu trả lời làcó một lực hạt nhân nữa, lựchạt nhânyếu, cókhả năng chuyển
hóa neutronthành proton và ngượclại. Hai phản ứng có khả năng là:
(Cũngcòn có một loại thứ ba gọi là bắt electron,trong đó một proton tómlấy
một trong số các electron củanguyêntử và chúngtạo ra một neutronvà một
neutrino).
Trongkhi phân hủy alphavà sự phân hạch chỉ là sự phân chia lại của những
hạt đã tồn tại trước đó, thì những phản ứngnày liênquantới sự phân hủy một hạt
và hìnhthànhba hạt mới trước đó không tồntại.
Ở đây có ba hạt mới bạn chưa bao giờ gặp từ trước tới giờ.Kí hiệu e
+
dành
cho phản electron,hạt giống hệt electron về mọi mặt, trừ ở chỗ điện tíchcủa nó là
dươngchứ không phải âm. Phản electroncòn được gọi là positron. Không aibiết
tại saoelectron thì phổ biến trong vũ trụ, còn phảnelectron thì lại khan hiếm. Khi
một phản electron chạm phải một electron,chúng hủy lẫnnhau, tạo ra tiagamma,
và đây là định mệnhcủa mọi phản electronsinh ra bởi sự phóng xạ tự nhiên trên
Trái Đất.Phản electronlà một ví dụ của phảnvật chất. Một nguyên tử hoàn toàn
phản vật chấtsẽ gồm các phảnproton, phản electron và phảnneutron. Mặc dù

từng hạt phản vậtchất xuất hiện phổ biến trong tự nhiên dosự phóng xạ tự nhiên
và tia vũ trụ, nhưngchỉ có một vài nguyên tử hoàn toànphản hydrogen đượctạo
ra bằngphươngphápnhân tạo.
Kí hiệu n dànhcho một hạtgọi là neutrino,vàν~ cónghĩa là phảnneutrino.
Neutrino vàphản neutrino đều không có điện tích (vì thế mới có tên).
Giờ chúng ta hãy liệt kê bốn lựccơ bản củavật lí:
 lực hấp dẫn
 lực điện từ
 lực hạt nhânmạnh
 lực hạt nhânyếu
Các lựckhác mà chúngta đã biết,như lực ma sát và lựcthông thường, đều
phátsinh từ tương tác điện từ giữa các nguyên tử, vàdo đó không được xemlà lực
cơ bản của vật lí học.
Ví dụ 2. Phân rã của
212
Pb
Như một ví dụ,hãy xétđồngvị phóng xạ của chì
212
Pb. Nó gồm82 protonvà
130 neutron. Nó phân rãbởiquá trìnhn → p + e
-
+ ν~. Protonmới sinh được giữ
bên trong hạt nhân bằng lực hạt nhân mạnh, nên hạt nhânmới chứa 83 protonvà
129 neutron. Có83 protonkhiến nó là nguyên tố bismuth, nên nó sẽ là nguyên
tử
212
Bi.
Trongmột phản ứng giống như phảnứng này, electronbayra ở tốc độ cao
(thườnggần tốcđộ ánh sáng),và electron thoát ralà thứ khiến chomột lượng lớn
loại phóng xạ này trở nên nguyhiểm.Electronthoátra là cáiđầu tiên máchnước

cho các nhàkhoa học đầu nhữngnăm 1900 về sự tồn tại của loại phóngxạ này. Vì
họ không biết các hạt phát ra là electron,nên họ gọi chúnglà hạt beta, và loại phân
rã phóngxạ này do đó có tên làphân rãbeta.Một thuật ngữ sángsủa hơnnhưng
kém thôngdụnggọi haiquá trìnhnày là phân hủyelectron và phân hủy positron.
Neutrino hayphản neutrino phát ra trong một phảnứng đẹp như thế bỏ qua
hết mọi vật chất, vìnó khôngcó điệntích nên nó được miễn trừ lực điện, và nó
cũng vẫn tách khỏi tươngtác hạtnhân mạnh.Chodù là nó bay ra thẳng xuống đất,
thì hầu như nhất địnhnó sẽ đi qua toàn bộ Trái Đấtmà không tươngtác với bất kì
nguyêntử nào theobấtkì kiểu nào.Nósẽ bayrangoài khônggianxathẳmmãimãi.
Hành vi của neutrino khiến nó cực kìkhó phát hiện, và khi phân rã beta lần đầu
tiên đượcphát hiện, không ai nhận raneutrinotồn tại.Ngàynay chúng ta biết
neutrinomanghết một số năng lượngsinhra trong phảnứng, nhưng vào lúc đó,
người ta thấyhình như nănglượng toàn phần sauphản ứng (không tínhđến năng
lượng của neutrino)lớn hơn nănglượng toàn phầntrướcphản ứng,vi phạm sự
bảo toànnănglượng. Các nhà vật lí đã sẵn sàng ném nguyên lí bảo toàn năng
lượng rangoài cửa sổ như một định luật cơ bản của vật lí khibằngchứng gián
tiếp dẫn họ tới kết luận rằngneutrinotồntại.
Vấn đề neutrino Mặt Trời
Những hạt neutrino này là gì ? Tại saotrước đây bạn chưa hề nghenói tới
chúng ?Khôngphải vìchúngkhanhiếm – khoảng một tỉ neutrinođi xuyênqua cơ
thể bạn trong mỗi microgiây, nhưng cho đến gần đâyhầunhư người ta chẳng biết
gì về chúng. Được tạo ra như một hiệu ứng phụ của phản ứnghạtnhân cungcấp
năng lượngcho Mặt Trời và nhữngngôi sao khác, nhữngmảnh vậtchấtma quỷ
này được cho là hạtcó số lượng nhiều nhấttrong vũ trụ. Nhưng chúng tương tác
quá yếu với vật chất thông thườngnên hầunhư toàn bộ neutrinođi vào Trái Đất ở
phía bên này sẽ đi ra phía bên kiahành tinh của chúng ta màkhônghề bị làm cho
chậmlại.
Cái nhìntrộm thật sự của chúngta vào tính chất của neutrinohaylảng tránh
đến từ một máy dò khổnglồ đặt trong một mỏ thiếc ở NhậtBản, s. Mộtđội các nhà
vật lí quốc tế đã trang bị cho hầm mỏ phủ kín những bộ cảm biếnánh sáng, và rồi

lấp đầytoàn bộ mọi thứ trong nước tinh khiết đến mức bạn có thể nhìn xuyên qua
nó một trăm mét, sovới chi vài mét nước vòi chảy bình thường. Dòngneutrino liên
tục đi qua 50triệu lít nước, giống như chúngđã gây ngập lụtmọi thứ khác xung
quanh chúng ta,và đa số chúng khôngbao giờ tương tác với mộtphân tử nước.
Tuy nhiên, mộtphần trăm rất nhỏ thật sự tự hủytrong nước, và lóe sángnhỏ xíu
mà chúng tạo racó thể phát hiện bởi các ống chân không có kích thước bằng quả
bóng chuyềnbãi biển nằm sắp hàng trong hầm mỏ tối đen. Đa số neutrinoxung
quanh chúng tađến từ Mặt Trời, nhưng vì những lí dokĩ thuật, loại máy dò kiểu
nước này lại nhạy hơn với những neutrinokém phổ biến nhưngcó năng lượng
tính caohơn tạo rakhi các tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển củaTrái Đất.
Neutrino đượcbiết là có ba “mùi”, có thể phân biệt chúng bằng những hạt
sinh ra khichúngva chạm với vật chất. Một“neutrino mùi electron”tạo ra một
electronbình thườngkhi chúng phânhủy, còn hai loại kia tạo ra những hạt kì lạ
hơngọi là hạtmu và tau. Hãynghĩ ba loại neutrino là sôcôla, vani và dâu. Khi bạn
mua một nón kem sôcôla, bạn mongrằng nósẽ giữ vị sôcôla khi bạn ăn nó. Kếtquả
khôngmongđợi từ thí nghiệmở Nhật Bảnlà một số neutrinothay đổi mùivị giữa
thời gian khichúng được tạo rabởi tia vũ trụ và thời điểm khichúng nhấp nháy
chứng tỏ tồn tại trong nước.Trongchừng mực nào đó, nó giống như nón kem
sôcôla của bạnđã tự chuyển hóa một cách kì diệu sangvị dâu khi bạnquaylưng
sang chỗ khác.
Làm thế nào các nhà vật lí tìmhiểuđược sự thay đổi mùi vị đó ? Thí nghiệm
đó phát hiện một số neutrinophátsinh trong bầukhí quyển phía trên Nhật Bản, và
cũng có nhiều neutrinođến từ nhữngphầnxa xôi trên TráiĐất. Một neutrinotạo
ra phíatrên Đại Tây Dương đến Nhật Bản từ dưới lòngđất,và thí nghiệm đó có thể
phân biệt những neutrino xuyên từ dưới lênnày với neutrinođịa phương xuyêntừ
trên xuống. Họ tìmthấy hỗnhợp neutrino đến từ phía dưới khác với hỗnhợp
neutrinođến từ phía trên, vớimột số neutrinomùi electronvà mùi tau rõ ràng
biến đổi thành neutrinomùimu trong hànhtrình củachúngxuyênqua Trái Đất.
Những neutrinođến từ phía trên không cóthời gian để biến đổi mùi trong hành
trìnhngắn hơnnhiềucủa chúng.

Điều nàyđượchiểu là bằngchứng chothấy neutrino liên tụcbiếnđổi tớilui
giữaba mùi.Trên cơ sở lí thuyết, người ta tin rằng một sự dao độngnhư thế chỉ có
thể xảy ra nếu như neutrino có khối lượng. Ở đây chỉ có thể cómột ước tínhthôvề
khối lượng đó:hìnhnhư neutrinocókhối lượng đâu đó trong khoảnglân cận một
phần tỉ khối lượng củamộtelectron, haykhoảng 10
-39
kg.
Nếu khối lượng neutrinoquá nhỏ như vậy, nó có còn là vật chấtkhông ? Nó
có ý nghĩa với các nhà thiên văn học. Neutrinolà những hạtduy nhất có thể dùng
để khảo sát những hiện tượngnhất định. Vídụ, chúnglà máy dò trựctiếpduy nhất
mà chúng ta cóđể kiểm tra mô hìnhcủa chúng ta về lõi của MặtTrời củachúng ta,
nguồnnăng lượngcho mọi sự sống trên Trái Đất. Một khi các nhà thiên văn có
được sự nắm bắt tốt về những tínhchất cơ bản của neutrino,họ có thể bắt đầu
nghĩ một cách nghiêm túc việc sử dụng chúng chomục đích thiên văn học. Như
trong năm2006, khối lượngneutrino đã được xác nhận bằngmộtthí nghiệm dựa
trên máy gia tốc, và những quansátneutrino đã vàđang hoạtđộngtrongvài năm
ở Nam Cực, sử dụng khối băngtự nhiên khổng lồ theo kiểu giốngnhư nước dùng
trong thí nghiệm ở Nhật Bản.
Câu hỏi thảo luận
A. Trongcác phản ứng n → p + e
-
+ ν~ và p → n +e
+
+ ν, hãy kiểmtra điện
tích đượcbảo toàn.Trong phân rãbeta, khimột trong nhữngphảnứng nàyxảyra
với một neutronhayproton trongmộthạt nhân,một hay nhiều tia gammacũng có
thể được phát ra.Hiện tượng này cóảnh hưởngtới sự bảo toàn điện tích ? Cókhả
năng chomột số electron nữađược giải phóngmà không viphạm sự bảotoàn điện
tích haykhông?
B. Khi mộtphàn electronvà một electron hủy nhau, chúng tạo ra haitia

gamma.Điệntích cóđược bảo toàntrong phản ứngnày ?
u/ 1. Nguồn gốcnăng lượngMặtTrời của chúng ta là sự nhiệt hạch hạt nhân,
nên sự nhiệthạch hạt nhân cũng là nguồn cungcấpnăng lượng chomọi sự sống
trên Trái Đất,trong đó có cánhrừng nhiệt đới này ở Fatu-Hiva,2. 3. Sự giải phóng
năng lượnglần đầu tiênbởi sự nhiệthạch hạt nhân bằng công nghệ của con người
là vụ thử Ivy Mike năm 1952tại EnewetakAtoll. 4. Dãymáy dò tia gammanày có
tên là GAMMASPHERE.Khi hoạt động,dãy này đónglại, và mộtchùm iontạo ra bởi
một máy gia tốchạt vachạm với bia tại tâm của nó,tạo ra phản ứng nhiệt hạch hạt
nhân. Nghiên cứutia gammacóthể cung cấpthông tin về cấu trúc của hạt nhân
nóng chảy, những trạngthái thườngkhông tìm thấytrong tự nhiên.5. Sự phân
hạch hạt nhân hứahẹnmột nguồn nănglượng sạch, vôtận.Tuy nhiên, mụctiêu
của năng lượng nhiệt hạch hạt nhân có thể thực hiện về mặt thương mại vẫncòn
khónắm được, donhững khó khăn kĩ thuật, như việc giam giữ bằng từ một khối
plasma (khíion hóa) ở một nhiệt độ và mật độ đủ cao. Hìnhnày chothấy lò phản
ứng thí nghiệmJET, với thiết bị mở phíabêntrái, và đang hoạt động ở phía bên
phải.