CHƯƠNG 8. VẬT LÝ HẠT NHÂN.pdf

Bi giảng Vật lý đại cơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Trờng ĐH Bách khoa H nội
Ch−¬ng 8
VËt lý h¹t nh©n

T
ự
đ
ọc về Cấu tạo v Các tính chất cơ bản
của hạt nhân nguyên tử: Khối lợng, các nuclon
Kích thớc hạt nhân: R=r
0
.A
1/3
m.
r
0
=(1,2-1,5) 10
-15
m gọi l bán kính điện
Spin hạt nhân:
h
r
.)1j(j|J|
i
+=
Lực hạt nhân, năng lợng liên kết
Phóng xạ: Hiện tợng, định luật, đo lờng, an
ton phóng xạ, phóng xạ nhân tạo.

Tơng tác hạt nhân.
Các tính chất cơ bản của hạt
nhân nguyên tử
Proton (p) m
p
=1,007825u, e
p
=1,6.10
-19
C
Nơtron (n) m
n
=1,008665u, Không có điện tích
Số khối A=N+Z Z -Số p, N- Số n -> Số
nuclon
Ký hiệu
z
X
A
2
He
4
Hạt nhân đồng vị: Cùng Z khác N
Đồng vị của hydro
p
1
H
1
p
n

1
H
2
p
n
n
1
H
3
u=1,66.10
-17
kg
Đồng khối: Cùng A khác Z 60 cặp
16
S
36
18
Ar
36
51
Sb
123
52
Te
123
Hạt nhân gơng: Số p của hạt nybằngsố
n của hạt kia
p
n
n

1
H
3
p
n
2
He
3
p
Kíchthớc hạt nhân
Khảo sát bằng tán xạ nơtron 20-50eV: R~10
-14
m
đối với Pb, U; R~6.10
-15
m đối với Fe
Bằng phản ứng hạt nhân với hạt tích điện:(lực
đẩy culông) R=1,4.10
-15
.A
1/3
m.
So sánh liên kết các hạt nhân gơng: năng lợng
do proton cao hơn nơtron v lực đẩy culông
0
2
4
1
R
Ze

5
6

R=1,3.10
-15
.A
1/3
m.
Kết quả tổng hợp: R=r
0
.A
1/3
m.
r
0
=(1,2-1,5) 10
-15
m gọi l bán kính điện
Khối lợng riêng của
hạt nhân:
317
3
p
m/kg10
3/R4
A.m
=

=
Spin hạt nhân: Các nuclon có momen spin v orbital

iii
SLJ
r
r
r
+=
Của nuclon thứ i
Của cả hạt nhân:

=
i
i
JJ
r
r
h
r
.)1j(j|J|
i
+=
A chẵn j=0,1, 2, 3
A lẻ j=1/2, 3/2, 5/2 số LT
spin HN
Mômen từ hạt nhân do mômen
từ của các nuclon tạo thnh

++=
N
i
n

S
z
i
P
S
z
i
P
L
iii
rrrr
nơtron không có
điện tích nên không
có mômen từ orbital
T/J10.05,5
m2
e
27
P

==
h
Magneton hạt nhân-đơn vị
mômen từ hạt nhân
Mômen từ hạt nhân = 1000
-1
mômen từ điện tử.
Cộng hởng từ hạt nhân ứng dụng trong khám
bệnh.
T/C bão ho: chỉ với nuclon cạnh

Lựctraođổimezon có khối lợng 200-300
m
e
, Có 3 loại:
+

0

-
Phụ thuộc vođịnhhớng của spin hạt nhân
Tác dụng gần 10
-15
m.
Không phụ thuộc vođiệntích
Lực hạt nhân:
nuclonnuclon


•Khèil−îng, n¨ng l−îngliªnkÕt
h¹t nh©n
§¬n vÞ khèi l−îng u=m
C12
/12 = 1,66.10
-27
kg
uc
2
=931,44MeV
§é hôt khèi: ΔM=Zm
p

+(A-Z)m
n
-M
N¨ng l−îng liªn kÕt W
LK
= ΔM.C
2
8
N¨ng l−îng liªn kÕt riªng ε= W
LK
/A
A
ε MeV
40 120 140
1
He
•
1
H
2
->
1
H
3
->
2
He
4
:
1,1 ->2,8->7MeV

•120->240: 8MeV->7MeV
•40 -> 140: 8MeV-8,6MeV
Phóng xạ:
+

-

Không bền vững -> Bền vững
0M)MM(M
2
2
2A
2Z
A
Z
>=+


W= M.C
2
thnh động năngcủa các sản phẩm
phân rã
Định luật phân rã
Thời điểm t số hạt nhân N
Thời điểm t+dt số hạt nhân N-dN
-dN=Ndt
-dN/N= dt
N=N
0
e

- t
=>N
0
/2= N
0
e
- T1/2
T
1/2
=ln2/
t
N
N
0
/2
T
1/2
H=N độ phóng xạ =
số phân rã trong 1s
Z
X
A
->
Z-2
Y
A-4
+
2
He
4

Z
X
A
->
Z+1
Y
A
+e
-
Pb
209
Bi
209
Ra
225
(15 ngy)
Np
237
(2,3.10
6
năm)
Am
241


Pb
206

U
238

(4,5.10
9
năm)
(1,6.10
3
năm)
Ra
226
U(92)
Ra(88)
Pb(82)
Pb
208

Th
232
(1,4.10
10
năm)
Ra
224
Pb
207


U
235
(7,1.10
8
năm)

Ra
223
(11 ngy)
Sơ đồ phân rã của
4 họ phóng xạ tự
nhiên
Quy tắc dịch chuyển, họ phóng
xạ tự nhiên
A=4n+1
A=4n
A=4n+2
Ac A=4n+3
Cân bằng phóng xạ: Sau t thời gian T
1
>>
t>>T
2
tốc độ phân rã của hạt nhân con bằng
tốc độ phân rã của hạt nhân mẹ
Độ phóng xạ của nguồn gồm chuỗi 3 hạt nhân
X
1
-> X
2
-> X
3
=> H=
1
N
1

+
2
N
2
+
3
N
3
Cân bằng phóng xạ bền cho 1 chuỗi nối tiếp nhau

1
N
1
=
2
N
2
=
3
N
3
= =
n
N
n
Phóng xạ nhân tạo:
Bắn phá bằng n:
11
Na
23

>
11
Na
24
=
12
Mg
24
+
-
Bắn phá bằng :
5
B
10
>
7
N
13
=
6
C
13
+ e
+
Bắn phá bằng n :
27
Co
59
->
27

Co
60
Kích thích
27
Co
60
Kích thích ->
27
Co
60
cơ bản+
Phân rã v hạt nơtrino
p > n + e
+
+
e
spin 1/2 1/2 1/2 1/2
n > p + e
+
+
-
e
spin 1/2 1/2 1/2 1/2
Đơn vị đo phóng xạ
C/kg: Tạo 1C điện tích trong 1kg không khí
Rơnghen (R): 1R=2,57976.10
-4
C/kg
C/kgs: Bức xạ có liều lợng 1C/kg trong 1s
R/s

Gray Gy=J/kg: 1J hấp thụ bởi 1kg vật bị rọi
Rad: rd = 10
-2
J/kg
Mức cho phép < 0.017R/ngy lmviệctrực
tiếp, < 0.0017R/ngy lmviệctrong khu vực
phóng xạ v < 0.00017R/ngy cho c dân
• Møc phãng x¹ cho phÐp
H(Sv-Sievert) =D(Gy- Gray)*Q Gy=1J/kg
Q - HÖ sè phÈm chÊt
Tia X, h¹t β 1
N¬tron <10KeV 3
N¬tron >10KeV 10
Proton 10
H¹t α 20
☛ HÖ sè phÈm chÊt cμng cao
cμng nguy hiÓm !
Mức phóng xạ cho phép mSv/năm
Lm việc trực tiếp:
Ton thân, Bộ phận SD,mắt 50
Da ton thân 300
Tay, chân 750
Dân c:
Tonthân 5
Bộ phận sinh dục 1,7
Tuyệt đối không để tia phóng xạ (tia X, ,
+
,

-

, ) chiếu trực tiếp lên cơ thể.
Tuân thủ đúng, đầy đủ các hớng dẫn khi vận
hnh máy có phóng xạ.