BÀI GIẢNG CẤU TRÚC HAT NHÂN PGS TS luong duyen phu

CẤU TRÚC HẠT NHÂN
ĐÀ LẠT, 3 - 2006


CHƯƠNG I

CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
§1.1 MỞ ĐẦU
Hai loại: HN bền và HN không bền
Các đặc trưng của hạt nhân bền:
A, Z, M, Eb, R, J , , Q,  , T(T3).
Các đặc trưng bổ sung của hạt nhân không bền: các kênh
biến đổi, T1/2 ( ), năng lượng của các hạt tạo thành


§1.1 THÀNH PHẦN HẠT NHÂN
Năm 1932, D. Ivanenko và W. Heisenberg nêu giả thuyết
về cấu tạo HN: proton và neutron.
Proton do E. Rutherford tìm ra năm 1919, ký hiệu là p.
Neutron được J. Chadwick tìm ra năm 1932, có ký hiệu là
n.
Khối lượng:
mp = 1,672 623.10-24 g = 1836,15 me
mn = 1,674 929.10-24 g = 1838,68 me
Điện tích: Zp = +1, Zn = 0.
Tên chung: nucleon.


Đơn vị khối lượng nguyên tử (viết tắt là đvklnt)

1

12
1 đvklnt =
khối lượng nguyên tử 6 C =
12
= 1,660 540.10-24 g = 931,494 MeV.
Theo đơn vị này, khối lượng của các hạt nhân được biểu thị
bằng những con số sai khác với các số nguyên không quá 3%.
Thí dụ
mp = 1, 007 276 47 đvklnt = 938,272 MeV
mn = 1,008 664 90
= 939,566 MeV
M(2H) = 2,013 553 52
M(3H) = 3, 015 501 01
M(3He) = 3,001 932 33 M(4He) = 4,001 505 72
M(16O) = 15,994 92
M(235U) = 235,043 93


Thời gian sống:
Proton: từ trước đến nay p = .
Theo lý thuyết thống nhất lớn p > 1032 năm.
Neutron: n = 887 giây, n  p + e- +  .
Electron: e > 4.1024 năm.
Ký hiệu:
Z: số proton, N: số neutron, A: số nucleon
 A = Z + N.
Ký hiệu HN:

A
Z

XN

hay

A
Z

X.


Các dữ liệu thực nghiệm
= 1  92  110  118
= 0  175
= 1  293
285 HN bền, ~ 3000 HN phóng xạ,
dự kiến: ~ 7000 HN
Các HN bền: (bền qui ước  > 109 năm)

Z
N
A
:

c-c: 167, c-l: 57, l-c: 53, l-l: 8
N/Z = 1  1,6

Các vấn đề cơ bản về cấu trúc hạt nhân
1. Không  trong tự nhiên các HN A = 5 & 8, các HN có A >
210 đều không bền
2 Không  trong tự nhiên các HN Z = 43, 61, 85  89,  93.
3. Các hàm lượng đồng vị là cố định, trừ 3 trường hợp:
- H: 1H/2H = 3500  5000,
- B: 10B/11B = 3,75  4,
- Pb: 206Pb/207Pb/ 208Pb = không xác định.


§1.3 LIÊN KẾT HẠT NHÂN
TD. Khối lượng HN 4He:
M = 4,001 505 72 đvklnt,
Tổng khối lượng các nucleon:
2mp + 2mn = 4,031 883 38 đvklnt.
Độ hụt khối lượng: M = 0,030 377 66 đvklnt.
M = Zmp + Nmn - M
(3.1)
Eb = E: năng lượng liên kết HN
Eb = (Zmp + Nmn - M) c2
(3.2)
4He: E = 4,5.10-12 J = 28,32 MeV.
b
Khối lượng HN:
M = Zmp + Nmn - Eb / c2
(3.3)



M

a



a

 M'

b

(3.4)

b

Ứng dụng 1: Đánh giá khả năng phân hủy tự phát:

Thí dụ 1 : Khả năng phân hủy :
M(A, Z) > M(A – 4, Z – 2) + M

(3.5)

Thí dụ 2 : Khả năng phân hủy  :
M(A, Z) > M(A, Z  1) + me
 Eb (A, Z) > Eb (A, Z  1)  (mn - mp  me ) c2 .

Thí dụ 3 : Khả năng chiếm K:
M(A, Z) + me + K > M(A, Z - 1)
 Eb(A, Z) > Eb(A, Z - 1) - (mn - mp - me)c2 - K.

Ứng dụng 2: Giải thích sự giải phóng năng lượng
trong phản ứng hạt nhân
1. Phân chia: M  M1 + M2:
Q


=

Q 

(M - M1 - M2 ) c2

A (   ), 



1 A1   2 A2
A

.

2. Tổng hợp: M1 + M2  M :
Q


=

Q 

(M1 + M2 - M ) c2

A (   ), 



1 A1   2 A2
A

.



§1.4 HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC HN
Đơn giản hóa: khối cầu bán kính R.
TN: thể tích HN ~ số nucleon (hệ không nén được).
 Các nucleon phân bố đều trong HN cầu :
R = ro A 1/3
(4.1)
r0 : bán kính của nucleon.

AmN
mN
M 

4 3

4 3
R
 r0
3
3
 Khối lượng riêng không phụ thuộc và A.
Số liệu:
M = 1,4.108 tấn/cm3 .

(4.2)


a/ Xác suất phân hủy 
W

 2 RC
 C exp   
R





2 M ( E  U ) dr 


r0 = (1,47  0,02) Fm.

b/ Tán xạ neutron nhanh lên hạt nhân:  << R




= 2 R2

r0 = (1,37  0,05) Fm

c/ Các HN đối xứng gương (có Z = N’ và N = Z’)
6 kC Z e 2
Eb(A, Z + 1) - Eb (A, Z) =
(4.3)
5R

r0 = 1,4 Fm


Kết quả chung: r0 = (1,2  1,5) Fm

(4.4)

d/ Phương pháp tán xạ electron – HN:
2

 kC Ze  cos 2  / 2
(4.5)
M  
.
4

 2 E  sin  / 2

Hạt nhân có kích thước và điện tích phân bố trải rộng:
2

() = M()F(q)2 ,
1
i q .r
F (q ) 

(
r
)
e
dV ,
Z

Z
Z
i q . r
 Z (r ) 
F
(
q
)
e
dq .
3 
(2 )
 (r) =
(A/Z)Z(r).

(4.6)
(4.7)
(4.8)

(4.9)


 (r ) 

0

1  e ( r  R ) / a (hàm Wood-Saxon )(4.10)

0: hằng số, bán kính R tính theo (4.1)
r0 = (1,26  0,08) Fm,

a = 0,55 Fm.