Bài giảng Chương 1 Sơ lược về vật lý hạt nhân và vật lý nơtron PGS.TS Nguyễn Nhị Điền

Chương 1

SƠ LƯỢC VỀ
VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ
VẬT LÝ NƠTRON
PGS TS Nguyễn Nhị Điền

Đà Lạt, 2014

1


Phần 1

NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN
VỀ
VẬT LÝ HẠT NHÂN

2


1. Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của
ngành Vật lý hạt nhân:
 Phát hiện ra tia X:
+ Năm 1895, Wilhelm Roentgen phát
hiện ra tia X-rays mà ngày nay đi
vào lịch sử ứng dụng của ngành y
học.
 Phát hiện ra tia bức xạ:
+ Năm 1896, Henri Becquerel phát
hiện ra tia bức xạ đặc biệt (tia phóng

xạ) của Uranium làm đen kính ảnh.
 Phát hiện ra electron e-:
+ Năm 1897, J. Thomson tìm ra hạt
sơ cấp đầu tiên, là hạt electron
trong thành phần tia cathode.
3


1. Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của
ngành Vật lý hạt nhân:
 Tìm ra nguyên tố phóng xạ:
+ Năm 1898, Marie và Pierre Curie
tìm ra nguyên tố phóng xạ Radium
và Polonium.

+ Năm 1902, Ernest Rutherford giải
thích hiện tượng phân rã phóng xạ.

4


1. Một số sự kiện tiền đề góp phần vào sự ra đời của
ngành Vật lý hạt nhân:
+ Năm 1905, thuyết tương đối của
Albert Einstein ra đời, ông đã tìm ra mối
liên hệ giữa năng lượng E và khối lượng m
của vất chất.

E = mc2 với c = 3.108 m/s
+ Một hạt có khối lượng rất bé có thể chuyển thành một

năng lượng cực kỳ lớn  Ngành Năng lượng hạt nhân ra
đời.
+ Vật lý hạt nhân đã sử dụng triệt để 2 tư tưởng của vật lý
hiện đại là tính lượng tử và tính tương đối.
5


2. Bức xạ ion hoá và tương tác của bức xạ với vật chất:
• Bức xạ ion hoá:
• Là loại bức xạ có khả năng tạo ra sự ion hoá môi trường
vật chất mà nó đi qua.
•Tia X, tia gamma: bức xạ điện từ có bước sóng ngắn
•Tia alpha, beta: hạt mang điện
•Nơtron: là hạt trung hòa, không mang điện
• Tia X phát ra từ cấu trúc điện tử của nguyên tử
• Tia gamma, beta, alpha phát ra do các quá trình biến đổi
của hạt nhân
• Nơtron: là hạt không mang điện, cùng với proton tạo
thành hạt nhân của nguyên tử.
6


2. Bức xạ ion hoá và tương tác của bức xạ với vật chất:
• Tia alpha là hạt mang điện
tích dương nên lệch về phía
cực âm của điện trường. Điện
tích hạt α gấp 2 lần điện tích
của hạt proton, có khối lượng
bằng khối lượng của nguyên
tử heli. Vận tốc khoảng

20.000 km/s.
• Tia beta mang điện tích âm
nên lệch về phía cực dương
của điện trường, đó là các hạt
electron. Vận tốc khoảng
100.000 km/s
• Tia gamma là bức xạ điện từ,
không lệch về cực nào của
điện trường, có bản chất như
tia sáng.  Tốc độ ánh sáng.

7


 Tương tác của hạt alpha và
bêta với vật chất:
• là các hạt mang điện nên gây
ion hoá mạnh
• nhanh chóng mất năng lượng
khi tương tác nên khả năng
xuyên sâu kém. Một tờ giấy đủ
ngăn chùm hạt alpha năng
lượng 1.5 MeV

 Tương tác của nơtron với vật chất:

- tán xạ, mất năng lượng dần, đặc biệt đối với
nguyên tố nhẹ.
- kích hoạt nơtron: bị hấp thụ bởi hạt nhân tạo
thành đồng vị phóng xạ và phát các bức xạ

gamma, bêta, alpha.
- kích hoạt nơtron là cách để tạo ra đồng vị
phóng xạ trong Lò phản ứng hạt nhân.
59Co(n, γ)60Co
8


 Tương tác của tia X và tia
gamma với vật chất:
• hấp thụ quang điện: hấp
thụ toàn bộ năng lượng và
phát ra điện tử.
• tán xạ compton: tán xạ với
điện tử, truyền một phần
năng lượng cho điện tử.
• tạo cặp: tương tác với
trường điện từ của hạt
nhân, tạo cặp electronpositron.
• Khả năng xuyên sâu lớn.

I = B Io exp(-µ.d.x)
 Cần che chắn bằng vật liệu
nặng.
9


3. Cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân:
- Năm 1911, mẫu nguyên tử có hạt nhân của E. Rutherford
ra đời, đánh dấu thời điểm khởi đầu của Vật lý HN (dùng hạt
alpha bắn phá nguyên tử, phát hiện sự tồn tại hạt nhân kích

thước cỡ 10-12cm).
- Nguyên tử gồm: Hạt nhân & các điện tử (J. Thomson đã
tìm ra hạt e- từ năm 1897).
- Hạt nhân gồm: Các proton (p) và các nơtron (n), hay còn
gọi chung là các hạt nucleon (giả thuyết của Ivanenko &
Heisenberg năm 1932).
- Proton có điện tích dương (Rutherford tìm ra năm 1914).
Nơrton là hạt trung hòa không mang điện (James Chadwick
tìm ra năm 1932).
10


3. Cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân:

Điện tử: e- = 1,602x10-19 culông,
me- = 9,11x10-28 g

Nguyên tử

Hạt nhân: mp = 1836 me-, mn = 1838
me-. Hạt nhân có số khối A, số proton
bằng số nguyên tử Z (thứ tự trong
bảng tuần hoàn), và số nơtron là N
 (A = Z + N).

11


 Nguyên tử (atom) bao gồm hạt nhân ở giữa, là hạt có kích

thước nhỏ, khối lượng lớn, mang điện tích dương, được bao
quanh bởi đám mây của các electron tích điện âm chuyển
động trên các quỹ đạo xung quanh hạt nhân.

Trong hạt nhân gồm có các proton và các neutron, gọi chung là
các nucleon.
Tổng số các proton trong hạt nhân gọi là nguyên tử số (atomic
number) của nguyên tử và ký hiệu là Z.
Số neutron trong hạt nhân ký hiệu là N. Tổng cộng số
nucleon trong hạt nhân là A = Z + N, gọi là số khối của
nguyên tử (atomic mass number).
12


Các nguyên tử mà hạt nhân của nó có cùng số proton nhưng
khác số neutron gọi là các đồng vị (isotopes).
Ví dụ: Oxygen có 3 đồng vị bền (stable isotopes) là 16O, 17O, 18O
và 5 đồng vị không bền hay gọi là đồng vị phóng xạ
(radioactive isotopes) 13O, 14O, 15O, 19O và 20O.
Đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit), viết tắt là amu,
bằng 1 phần 12 khối lượng của nguyên tử 12C trung hòa, tức là:
1 amu = (1/12) x m (12C) = 1.66053.10-27 kg

(1.1)

13


4. Bán kính của hạt nhân và nguyên tử:
Bán kính trung bình của nguyên tử, trừ một vài nguyên tử nhẹ

nhất, khoảng 2.10-8 cm. Hạt nhân được xem như hình cầu có
bán kính theo công thức:
R = r0. A1/3

(1.2)

r0 = (1.2 – 1.5).10-13 cm
Từ công thức (1.2) cho thấy, thể tích V của hạt nhân tỷ lệ thuận
với A. Tỷ số A/V, số nucleon trên mỗi đơn vị thể tích là bằng
hằng số. Mật độ của vật liệu hạt nhân là: (xem mp ≈ mn)
Am p
m
ρ=
=
4 3
V
πr0 A
3

=

mp
4 3
πr0
3

≈ 1014 kg/m3
14

5. Khối lượng và năng lượng:
Theo công thức của A. Einstein’s:
W = mc2

(1.3)

với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng.
Đơn vị của năng lượng trong hệ SI là Joule (J). Một loại đơn vị
khác hay sử dụng trong công nghệ hạt nhân là electron-volt, ký
hiệu là eV.
1 eV = 1.60219.10-19 J

(1.4)

Mối quan hệ giữa đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass
unit) và eV:
1 amu = 1.66053.10-27 kg = 931.481 MeV

(1.5)

với 1 MeV = 106 eV.
15


Khi vật thể chuyển động, khối lượng của nó tăng tương đối so
với người quan sát theo công thức sau:
m0
m=
(1.6)
2

2
1 − v /c
ở đó m0 là khối lượng nghỉ (rest mass) và v là vận tốc của nó.
Động năng E là sự khác biệt giữa năng lượng toàn phần W và
năng lượng của khối lượng nghỉ (rest-mass energy):
m0
2
2
2 - m c2
E = mc – m0c =
c
(1.7)
0
2
2
1 − v /c
Trong trường hợp không tương đối, tức là khi v << c, thì động
năng sẽ là: E = m0 (1+1/2(v2/c2)) c2 – m0c2
E = ½.mv2

(1.8)
16


6. Năng lượng liên kết:
Độ hụt khối (mass defect):
∆M = Zmp + Nmn – M(Z,A)

(1.9)

với mp và mn là khối lượng của proton và neutron tương ứng,
và M(Z, A) là khối lượng của hạt nhân đó.
Sự tương đương năng lượng của độ hụt khối được gọi là năng
lượng liên kết (binding energy) EB của hạt nhân:
EB = [Zmp + Nmn – M(Z, A)] c2

(1.10)

Năng lượng liên kết trung bình ε của mỗi nucleon đối với A chỉ
ra trong Hình 1.1:
ε = EB

(1.11)

A
17


ε=

EB
(MeV)
A

9,0
8,5

ε (MeV)

8,0

7,5
0

8
6
4
2
0

50

0 10 20 30
A

100

150 200

250

A

Hình 1.1. Năng lượng liên kết của mỗi nucleon là hàm
của số khối nguyên tử A.

18


Từ Hình 1.1 cho thấy rằng, đường cong của ε tăng theo A từ 1

đến khoảng 50 và sau đó là biến thiên theo hàm giảm khi A
tăng.
Tính chất này của đồ thị năng lượng liên kết là rất quan trọng
trong việc xác định các nguồn có thể của năng lượng hạt nhân.
Các hạt nhân mà có năng lượng liên kết của mỗi nucleon lớn là
những hạt nhân đặc biệt bền hoặc được bao rất chặt.
Hình 1.1 cũng chỉ ra rằng hạt nhân trung bình là bền vững
nhất, trong khi đó hạt nhân nhẹ và hạt nhân nặng lại kém bền
hơn. Như vậy, năng lượng liên kết có thể được giải phóng hoặc
là từ hạt nhân nhẹ do tổng hợp nhiệt hạch (fusion) hoặc từ hạt
nhân nặng do phân hạch hạt nhân (fission).
19


Ta hãy xem xét một ví dụ về sự phân hạch của hạt nhân
238U. Năng lượng liên kết của mỗi nucleon của 238U là
khoảng 7.5 MeV, trong khi nó vào khoảng 8.4 MeV đối với
hạt nhân có số khối A = 119 (tức là 238/2). Như vậy, nếu hạt
nhân Uranium tách thành 2 hạt nhân nhẹ hơn với khối
lượng mỗi hạt bằng một nửa khối lượng của Uranium, thì có
sự tăng năng lượng liên kết của hệ.
Năng lượng liên kết trước phản ứng là 7.5 MeV. Năng lượng
liên kết sau phản ứng là 8.4 MeV. Độ hụt khối là 0.9 MeV cho
mỗi nucleon. Độ hụt khối toàn phần là 238 × 0.9 MeV = 214
MeV.  Cho bức tranh gần như giá trị 200 MeV giải phóng
khi có một phân hạch 235U.
 Năng lượng liên kết khác nhau trước và sau khi phân
hạch ~ 0.9 MeV / nucleon
 238 nucleons giải phóng ~200 MeV.
20

7. Phân rã phóng xạ và các loại
phóng xạ có trong môi trường sống:

– Năm 1902, Ernest Rutherford
giải thích hiện tượng phân rã
phóng xạ.
– Các biến đổi hạt nhân kèm
theo phát bức xạ gamma,
alpha, beta.
– Chu kỳ bán hủy T1/2 là khoảng
thời gian hoạt độ nguồn giảm
còn một nửa.
– Đơn vị năng lượng bức xạ là
eV, keV, MeV.

T1/2 = 30,17 năm

T1/2 = 5,27 năm
21


Phóng xạ có trong môi trường sống của con người có
nguồn gốc từ:
1. Phóng xạ tự nhiên
2. Phóng xạ nhân tạo
Các Đồng vị phóng xạ (ĐVPX) tự nhiên: Chiếm khoảng 82%
trong môi trường, gồm:

- 40K, U, Th
- Be-7 có nguồn gốc từ tia vũ trụ.

Phân rã của 40K:
22


Mạch phân rã phóng xạ của 238U, 235U và 232Th.
23


 Phóng xạ tự nhiên gia tăng do các ngành Công nghiệp
phi hạt nhân:
+ Thăm dò và khai thác dầu khí:
♦ Hàm lượng các ĐVPX 226Ra, 228Ra ở mức cao trong nước thành tạo
địa chất
♦ Khi khoan thăm dò và khai thác, quá trình đồng kết tủa sunfat kép
Ba - Ra gia tăng → tăng mức phóng xạ trong nước, đặc biệt là trong trầm
tích biển:
BaSO4 (trong dung dịch khoan, trong nước biển) + 226,228Ra →
Ba(Ra)SO4 ↓ → Trầm tích, hải sản.
+ Sản xuất và sử dụng phân bón phốt phát
+ Sản xuất nhiệt điện dùng than
+ Vận chuyển của các ĐVPX tự nhiên do sông chảy qua vùng mỏ
Uran.
24

5

Phóng xạ nhân tạo
– Năm 1934, các đồng vị phóng xạ nhân tạo của
phosphor và nitơ đã được tạo ra khi chiếu nhôm và
Bo bằng hạt alpha của nguồn polonium bởi
Frederic Joliot và Iren Curie.
– Phát minh này đã mở ra kỷ nguyên của phóng xạ
nhân tạo.
– Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Ci, 1 Ci = 37 GBq
– Bq là số phân rã trong 1 giây.
Các bội số của Bq: kBq (Kilo, E+3), MBq (Mega, E+6),
GBq (Giga, E+9), TBq (Tera, E+12), PBq (Peta,
E+15), Ebq (Exa, E+18)
25