LUẬN văn sư PHẠM vật lý các vấn đề về NĂNG LƯỢNG hạt NHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦ N THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
----*----

CÁC VẤN ĐỀ VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thự c hiện:

Ths.GVC. Hoàng Xuân Dinh

Trần Vũ Bằng
MSSV: 1090232
Lớp: Sư phạm Lý - Tin K35

Cần Thơ, Năm 2013


MỤC LỤC
Phần MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................................. 1
2. Giới hạn của đề tài ............................................................................................................... 2
3. Mục đích của đề tài .............................................................................................................. 2
4. Phương pháp và phương tiện thực hiện ............................................................................... 2
5. Các bước thực hiện đề tài .................................................................................................... 2
Phần NỘI DUNG ..................................................................................................................... 3

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN.................. 3
1.1. Sự ra đời của thuyết tương đối hẹp Anhxtanh .................................................................. 3
1.1.1. Khối lượng điện từ của electron .................................................................................... 3
1.1.2. Sự tồn tại và tính chất của “ête”..................................................................................... 4
1.1.3.Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh ..................................................................................... 8
1.2. Anhxtanh xây dựng cơ học tương đối tính dẫn đến hệ thức năng – khối lượng ............ 11
1.3. Các hệ quả suy ra từ hệ thức năng – khối lượng Anhxtanh............................................ 15
1.3.1. Nguồn năng lượng hạt nhân nguyên tử........................................................................ 15
1.3.2. Năng lượng nghỉ E = m0c2 - cơ năng toàn phần của hạt tự do.................................... 15
Chương 2: CÁC ỨNG DỤNG CÔNG THỨC NĂNG – KHỐI LƯỢNG VÀO VIỆC KHẢO
SÁT CẤU TRÚC HẠT NHÂN ............................................................................................. 17
2.1. Năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng ở hạt nhân......................................... 17
2.1.1. Năng lượng liên kết...................................................................................................... 17
2.1.2. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân ....................................................................... 18
2.2. Phân loại hạt nhân: không bền và bền ............................................................................ 19
2.3. Quá trình biến đổi hạt nhân bền kèm theo hiệu ứng năng lượng.................................... 20
2.4. Thí nghiệm bắn phá hạt nhân bền và phản ứng hạt nhân thu gọn .................................. 21
2.4.1. Thí nghiệm của Rutherford.......................................................................................... 21
2.4.2. Hiệu ứng năng lượng  W ........................................................................................... 22
Chương 3: NƠTRON LÀ LOẠI ĐẠN ƯU VIỆT TRONG VIỆC BẮN PHÁ HẠT NHÂN 24
3.1. Phát hiện hạt nơtron ........................................................................................................ 24


3.1.1. Lịch sử phát hiện nơtron .............................................................................................. 24
3.1.2. Sản sinh nơtron ............................................................................................................ 24
3.1.3. Phát hiện nơtron ........................................................................................................... 25
3.2. Đo khối lượng hạt nơtron................................................................................................ 26
3.3. Các loại phản ứng bắt phá hạt nhân bền bằng đạn nơtron .............................................. 26
Chương 4: PHÂN HẠCH HẠT NHÂN URANI BẰNG NƠTRON CHẬM........................ 28
4.1. Hiện tượng ...................................................................................................................... 28

4.1.1. Năng lượng liên kết và sự phân hạch các hạt nhân...................................................... 29
4.1.2. Các bức xạ trong quá trình phân hạch ......................................................................... 29
4.2. Đặc điểm của phản ứng phân hạch ................................................................................. 30
4.3. Những điều kiện để duy trì phản ứng dây chuyền .......................................................... 31
4.4. Lò phản ứng hạt nhân ..................................................................................................... 32
Chương 5: VẤN ĐỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH ....................................... 35
5.1. Việc không điều khiển phản ứng phân hạch chế tạo bom A .......................................... 35
5.2. Mục đích chiến tranh ...................................................................................................... 36
5.3. Mục đích hoà bình .......................................................................................................... 39
5.4. Tính ưu việt của nguồn năng lượng phân hạch............................................................... 41
Chương 6: PHẢN ỨNG TỔNG HỢP HẠT NHÂN.............................................................. 43
6.1. Phản ứng nhiệt hạch........................................................................................................ 43
6.1.1. Năng lượng toả ra khi tổng hợp hạt nhân .................................................................... 43
6.1.2. Phản ứng nhiệt hạt nhân............................................................................................... 44
6.2. Nguồn năng lượng mặt trời với chu trình Bethe............................................................. 46
6.3. Vấn đề chế bom H........................................................................................................... 48
6.4. Vấn đề điều khiển phản ứng nhiệt hạt nhân.................................................................... 50
6.4.1. Nguyên tắc và cơ chế ................................................................................................... 50
6.4.2. Những khó khăn và tình hình thực hiện....................................................................... 51
Phần KẾT LUẬN................................................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 56


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay con người đã đưa những thành tựu của khoa học kỹ thuật, những phát minh,

phát kiến mới, ứng dụng vào sản xuất, công nghệ, thông tin liên lạc, dịch vụ nhằm phục vụ
cho cuộc sống con người ngày một tiến bộ hơn. Trong đó vật lý học đã góp phần không nhỏ
cho sự phát triển chung của nền khoa học hiện nay. Nó mang tính thiết thực gắn liền với
công việc phát triển khoa học kỹ thuật của đất nước. Trong quá trình phát triển của vật lý,
năng lượng là một từ ngữ rất quen thuộc đối với chúng ta, chưa một ai có thể cho rằng mình
hiểu hết về cội rễ của nó. Có rất nhiều sách viết về đề tài này, nhưng vẫn chưa có một quyển
sách nào viết một cách đầy đủ chi tiết để chúng ta tham khảo. Về vấn đề năng lượng vẫn còn
là vấn đề làm cho chúng ta phải quan tâm đến nó.
Cuối thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21, năng lượng là một trong những nhu cầu bức thiết của đời
sống. Năng lượng không những được sử dụng trong sản xuất mà còn được sử dụng nhiều
trong cuộc sống hàng ngày của mỗi người và của mỗi gia đình. Khi xã hội càng phát triển thì
nhu cầu về năng lượng càng tăng. Nguồn cung cấp năng lượng ở nước ta phát triển chủ yếu
hiện nay là than đá, dầu mỏ, khí đốt và thuỷ năng. Ở một số nước kém phát triển nguồn năng
lượng chủ yếu là sinh khối; riêng đối với nước ta về chất đốt thực vật chiếm đa số. Với mức
độ khai thác ngày càng cao thì các nguồn năng lượng và nhiên liệu hoá thạch không phải là
vô tận có nguy cơ cạn kiệt trong tương lai. Vì vậy vấn đề nghiên cứu sử dụng những nguồn
năng lượng mới đã thu hút mạnh mẽ sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới. Một trong
những nguồn năng lượng có nhiều triển vọng là năng lượng hạt nhân. Năng lượng hạt nhân
là vấn đề quan trọng hàng đầu và cấp bách đối với sự phát triển của xã hội hiện đại. Các
cuộc xung đột tôn giáo, dân tộc ngày nay có thể dẫn đến chiến tranh sát hại hàng loạt như
chiến tranh hạt nhân. Tìm hiểu về vấn đề này không chỉ để mở rộng sự hiểu biết, tiếp cận với
vấn đề thực tế của thời đại. Mà nó còn giúp tôi có được kiến thức cơ bản để sau này truyền
thụ cho học sinh tốt hơn vì hạt nhân đã được đưa vào chương trình phổ thông. Xuất phát từ
những điều nói trên cho nên tôi quyết định chọn đề tài “vấn đề năng lượng hạt nhân”.

SVTH: Trần Vũ B ằng

1

SP. Lý – Tin K35

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

2. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Vấn đề năng lượng không những được thể hiện trong thế giới vĩ mô mà còn thể hiện
trong thế giới vi mô. Ở đây tôi sưu tập các tài liệu và rút ra những điểm mấu chốt tổng hợp
một cách hệ thống các kiến thức về vấn đề năng lượng nhưng luận văn này tôi chỉ đề cập đến
“năng lượng của hạt nhân trong vật lý học vi mô” mà thôi.

3. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Trong luận văn này vấn đề năng lượng ở đây sẽ được thể hiện qua việc tìm hiểu cơ chế
sản sinh ra nguồn năng lượng phong phú thông qua “thuyết tương đối hẹp” của Anhxtanh.
Người ta đã ứng dụng nó vào trong đời sống thực tiễn. Nó tạo ra những điều mới lạ ngoài
sức tưởng tượng của con người. Đây là điều vui mừng cũng là nỗi lo sợ của nhân loại, tại
sao như vậy? Thì trong phần “ứng dụng” sẽ giải đáp thắc mắc của các bạn. Từ đó so sánh để
tìm ra phương án tối ưu trong việc chọn ph ản ứng tạo nguồn năng lượng, điều khiển và sử
dụng nó. Đồng thời dự kiến tương lai của ngành kỹ thuật hiện đại này.

4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
Đề tài đi sâu nghiên cứu về các vấn đề về nguồn năng lượng hạt nhân, về sự ra đời
cũng như là các ứn g dụng của nguồn năng lượng hạt nhân. Chủ yếu là nghiên cứu tài liệu
của giáo viên hướng dẫn đưa và một số tài liệu liên quan trong thư viện, trung tâm học liệu
và các tài liệu trên internet. Từ các tài liệu trên lọc ra các thông tin cần thiết để thực hiện bài
luận văn.
Trong khi trình bày đề tài tôi đã cố gắng lựa chọn những vấn đề cơ bản nhất, sắp xếp
chúng theo một trình tự, nhằm nêu lên tính cơ bản và tính hệ thống của vấn đề.

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Nhận đề tài luận văn tốt nghiệp từ giáo viên hướng dẫn.
- Tìm hiểu và nghiên cứu đề tài.
- Chọn lọc thông tin và thực hiện đề tài.
- Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn nhận xét, chỉnh sửa.
- Hoàn tất đề tài.
- Báo cáo luận văn tốt nghiệp.

SVTH: Trần Vũ B ằng

2

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Phần NỘI DUNG
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG
HẠT NHÂN
1.1. Sự ra đời của thuyết tương đối hẹp Anhxtanh
Thuyết tương đối hẹp của Anhxtanh ra đời, buộc chúng ta phải xem xét lại nhiều khái
niệm cơ bản nhất của vật lý học. Nó đòi hỏi xét lại quan niệm cũ về không gian và thời gian
mà cơ học Niutơn đã khẳng định và được thử thách nó loại trừ sự tồn tại của “ête” bấy lâu,
được xem là “giá đỡ” trong sự truyền sóng điện từ . Bước đầu, nó đã giải thích được những
điều mà thuyết Lorenxơ đã giải thích; người ta hoài nghi nó, phản đối nó. Nhưng rồi, thời
gian với các hệ quả của nó, vô cùng quan trọng, thuyết tương đối hẹp Anhxtanh đã trở nên
một thành tựu vĩ đại về trí thức vật lý học. Ta sẽ lần lượt nói về quá trình hình thành thuyết

tương đối hẹp Anhxtanh, một phần của nền vật lý hiện đại. Và sau đây là một vài sự kiện
dẫn đến thuyết tương đối hẹp.
1.1.1. Khối lượng điện từ của electron
Năm 1901, Caufman, khi tìm hiểu về tia phóng xạ β - , với vận tốc lớn, thấy rằng giá
trị

e
me

của electron giảm, khi vận tốc tăng. Vì xem e là không đổi, nên phải xem me tăng

theo vận tốc v.
Trước đó, năm 1881, J.J Tômxơn, xét chuyển động của một quả cầu tích điện, bán kính
r, vận tốc v  c, thấy rằng, khối lượng quả cầu tăng thêm một lượng:
m' 

2e 2
.
3rc 2

Một số nhà vật lý khác cũng đã phát hiện sự kiện này. Khi vật tích điện chuyển động
thì tỉ số

e
me

biến đổi theo vận tốc. Thế thì, ở e  , ngoài khối lượng quán tính còn có “khối

lượng điện từ ”.

SVTH: Trần Vũ B ằng

3

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Năm 1902, Abraham cho rằng nếu xem e  là một hòn bi không biến dạng, điện tích
phân bố đều ở mặt ngoài, thì khối lượng điện từ của nó sẽ là:
m' 

2e 2
. (Giống như ý kiến của Tômxơn).
3rc 2

Năm 1895, nhân giải thích kết quả thí nghiệm Maikensơn, Lorenxơ nói rằng: “mọi vật
chuyển động trong “ête”, bị “co kích thước” theo tỉ lệ

1
1

2

”. Áp dụng cho e  khi e 

v

c2

hình cầu, sẽ bị nén lại thành một elipxôit tròn xoay, và khối lư ợng e  tăng lên
thành m 

m0
1

2

v
c2

, m0  9,1.10 31 kg ; từ đó nảy ra hai vấn đề: có lẽ e  chỉ có “khối lượng điện

từ ”, mà không có khối lượng thông thường mt  ; mọi khối lượng là “khối l ượng điện từ ”, vì
nguyên tử là do e  và ion (+) tạo thành.
Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh sẽ khẳng định rằng đây là “khối lượng tương đối tính”
của vật chuyển động; còn m0 : khối lượng nghỉ mới là một hằng số.
1.1.2. Sự tồn tại và tính chất của “ête”
Để cho sóng ánh sáng có “giá đỡ” lúc lan truyền, “ête” được đưa ra và coi là hiển nhiên
tồn tại, có mặt ở mọi môi trường vật chất, kể cả trong chân không. “Ête” cũng là một loại
chất lỏng không trọng lượng.
 Khi nghiên cứu các vì sao bất động; sau mỗi năm, chúng có một quỹ đạo như khép
kín. Nguyên nhân là do các ống kính thiên văn đặt trên trái đất chuyển động so với
các vì sao bất động: đây là hiện tượng “tinh sai”. Một phần quang học mới xuất
hiện: quang học về các vật chuyển động: nguồn phát sáng và máy thu ánh sáng
chuyển động.
Thí nghiệm Aragô chứng tỏ rằng chuyển động của quả đất không làm thay đổi chiết
suất n của môi trường.

SVTH: Trần Vũ B ằng

4

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Năm 1804, Yâng nói rằng: có thể giải thích được hiện tượng “tinh sai”, nếu xem “ête”
là bất động trong mọi môi trường. Y kiến này không giải thích được thí nghiệm Aragô.
 Để giải thích được thí nghiệm Aragô, Fresnen cho rằng “ête” bị các vật chuyển
động kéo theo một phần, Fresnen nói: tính đàn hồi của “ête” ở mọi chỗ là như nhau
nhưng mật độ “ête” lại khác nhau: trong vật là  '; trong chân không là  , ta có
công thức sau:
n2 

c 2 '

c' 2 

c ' : vật tốc ánh sáng trong vật

c : vận tốc ánh sáng trong chân không.

Khi vật chuyển động chỉ có phần “ête” dội ra là:  -  ' bị kéo theo, phần còn lại đứng
yên.

Gọi u: là vận tốc “ête” trong vật
v: vận tốc của vật.
Giữa u và v có hệ thức là:
u  (1 

1
).v
n2

Nhờ giả thuyết này, Fresnen giải thích được thí nghiệm Aragô. Các nhà vật lý khác nêu
lên các quan niệm khác nhau, hoặc là:
 Ête đứng yên hoàn toàn.
 Ête bị vật chuyển động kéo theo hoàn toàn.
 Ête bị vật chuyển động kéo theo một phần.
Nhưng các ý kiến này đều không thích ứng đầy đủ với các hiện tượng quang học ở vật
chuyển động.
 Năm 1868, Măcxoen đề nghị một thí nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng của
chuyển động quả đất trong “ête”, đối với vận tốc truyền ánh sáng. Trong đó, vận
tốc ánh sáng được đo trong khoảng thời gian truyền đi và về, trên cùng một quảng

SVTH: Trần Vũ B ằng

5

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

đường song song với phương chuyển động của quả đất trong “ête”, và khi đó
vuông góc với phương đó.
Độ lớn và khoảng thời gian đó vào cỡ

v2
 10 8 (m) là quá nhỏ, nên thời bây giờ thực
2
c

tế không thể thực hiện nổi thí nghiệm này.
 Năm 1881, Maikensơn theo nguyên tắc này thực hiện thí nghiệm với mức độ
chính xác cao có khả năng phát hiện vận tốc kéo theo của “ête” là 3 m/s tức bằng
vận tốc quả đất; kết quả thí nghiệm là “âm”, tức là không có c huyển động tương
đối giữa quả đất và “ête”, tức là “ête” đã bị kéo theo hoàn toàn.
Thí nghiệm Maikensơn đã bác bỏ ý kiến của Fresnen nhưng lại không thể giải thích
được hiện tượng tinh sai.
 Năm 1892, Lorenxơ đưa ra ý kiến rằng, khi vật chuyển động kích th ước vật co lại
theo phương chuyển động, theo tỉ lệ:

1
v2
1 2
c

“co Lorenxơ”. Với ý kiến này, có

thể giải thích kết quả âm của thí nghiệm Maikensơn.
 Đôple coi ánh sáng truyền trong “ête”, ông chứng minh rằng tần số  của ánh
sáng là nguồn tiếp nhận được, phụ thuộc vận tốc chuyển độngcủa nguồn sáng và

vận tốc máy thu, so với “ête” đứng yên. Công thức Đôple được kiểm nghiệm là
đúng cả với âm học và quang học.
 Năm 1887, Phogtơ xem hiệu ứng Đôple là một phép biến đổi toạ độ, từ mộ t hệ toạ
độ gắn với “ête” bất động, sang một hệ toạ độ gắn với nguồn hoặc máy thu chuyển
động, phép biến đổi này phải đảm bảo sao cho “nguồn sóng” không đổi dạng.
Công thức Lorenxơ có chứa đựng hệ số  : 1 

v2
“co Lorenxơ”.
c2

 Năm 1890, Hecxơ viết phương trình điện động lực học các vật chuyển động, với
giả thuyết là “ête” bị kéo theo hoàn toàn, nếu cho hệ toạ độ gắn với vật chuyển
động thì hệ các phương trình Măcxoen đúng trong hệ đó.

SVTH: Trần Vũ B ằng

6

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Nếu chọn hệ toạ độ gắn với “ête” đứn g yên thì ta có một hệ phương trình khác.

  d  
 

rotH  j 
 u divD  rot D, u
t


 
B
rotE  
 rot B, u
t

 

 



Với u là vận tốc chuyển động.
Các phương trình này đã được một số thí nghiệm xác nhận định tính.
 Lorenxơ cho “ête” bất động và có mặt khắp nơi, và trong nó, có đi ện tích dương
và âm chuyển động gây “nhiễu loạn”. Ông xây dựng các phương trình Lorenxơ
cho mọi điện tích đứng yên và chuyển động, trong thế giới vi mô. Khi môi trường
đứng yên, các phương trình ấy trùng với các phương trình Măcxoen. Nhưng với
môi trường chuyển động khác thì các phương trình do Lorenxơ xây dựng lại khác
phương trình Măcxoen. Chúng có thể giải thích được nhiều sự kiện, trừ thí
nghiệm Maikensơn. Tóm lại, theo Lorenxơ thì “ête” tồn tại khắp nơi và bất động
hoàn toàn. Thiết lập các công thức biên độ toạ độ nói trên, thực chất Lorenxơ đã
mở rộng nguyên lý tương đối Galilê của cơ học sang điện động lực học.
 Poin Carê, ngay từ đầu cho rằng nguyên lý tương đối là đúng cho mọi hiện tượng
vật lý, và là một trong những nguyên lý cơ bản của vật lý học. Ông sửa chữa các

công thức Lorenxơ cho thật chính xác và chứng minh rằng với phép biến đổi toạ
độ Lorenxơ, các phương trình điện động lực học là bất biến. Đặc biệt có hai đại
lượng là: “khoảng: S 2  x 2  y 2  z 2  c 2t 2 và E 2  H 2 là bất biến. Ông cũng đưa ra
ý niệm về không gian bốn chiều. Phép biến đổi toạ độ Lorenxơ ứng với một phép
quay hệ toạ độ bốn chiều ấy. Ông chứng minh rằng sóng điện từ cũng truyền đi
với một vận tốc hữu hạn, đúng bằng vận tốc ánh sáng.
Như vậy, Poin Carê đã tiến gần đ ến thuyết tương đối hẹp Anhxtanh sau này. Tuy nhiên,
cả Lorenxơ và Poin Carê đều vẫn dựa vào sự tồn tại của “ête” chưa từ bỏ nó.

SVTH: Trần Vũ B ằng

7

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

 Vả lại, trong một thời gain dài, quan niệm của Niutơn về không gian và thời gian
vẫn được công nhận và duy trì. Đó là không gia n tuyệt đối, không gian Ơclide và
thời gian tuyệt đối, tách rời không gian.
Không hề bị ám ảnh bởi “ête”, Anhxtanh đưa ra hai tiên đề với các quan niệm hoàn
toàn mới, đưa đến thuyết tương đối hẹp Anhxtanh.
1.1.3.Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh
Lý thuyết vậ t lý hiện đại này được xây dựng trên cơ sở hai tiên đề.
Tiên đề 1: nói rằng “mọi hệ quy chiếu quán tính đều tương đương nhau trong việc mô
tả các hiện tượng tự nhiên: cơ học cũng như điện từ”. Điều này có nghĩa rằng: khi chuyển từ
hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác thì mọi phương trình vật lý

phải giữ nguyên dạng (bất biến).
Phép biến đổi toạ độ Galilê:
x’=x-vt; y’=y; z’=z; t’=t, thoả mãn yêu cầu trên đối với cơ học nhưng với các công
thức, các phương trình điện từ thì không th oả đáng yêu cầu đó. Từ các công thức Galilê ta có


 

công thức “cộng vận tốc” Galilê: v  v 'V
v' x  v  V ; v' y  v y ; v' z  v z .

Không phù hợp với tiên đề 2 phát biểu như sau: “vận tốc ánh sáng trong chân không
luôn luôn là một hằng số c=3.108 m/s”.
Để đảm bảo các phương trình điện từ không đổi dạng khi chuyển từ hệ quy chiếu quán
tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác, Anhxtanh sử dụng công thức biến đổi Lorenxơ.
Không phải Anhxtanh mượn một công thức có sẵn mà xâ y dựng bằng một lý luận độc đáo
của chính mình. Đó là mối liên hệ chặt chẽ giữa không gian và thời gian đối xứng nhau.
Trong công thức biến đổi thời gian có toạ độ không gian tham gia và ngược lại.

SVTH: Trần Vũ B ằng

8

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Cụ thể là:
x  vt

x' 

1

u2
c2

y'  y
v
x
2
c
t' 
u2
1 2
c
t

Đó là ý niệm mới về “không thời gian” bốn chiều, với bốn toạ độ x1=x, y2=y, z3=z,
x4=ict và được gọi là không thời gian Mincôpki.
Không gian thực là không gian ba chiều, vốn được xem là một điều hiển nhiên, cho đến
nay vẫn chưa được chứng minh thoả đáng.
 Công thức chuyển đổi vận tốc Anhxtanh:
ux 

u ' x v
v

1  2 u' x
c

u' y 1   2
uy 
v
1  2 u' y
c
uz 

u' z 1   2
v
1  2 u' z
c

Bao hàm cả công thức cộng vận tốc cổ điển Galilê (nếu v<không hề mâu thuẫn với tiên đề (1), vì tại (k) hay tại (k’) chuyển động thẳng và đều so với
(k) đứng yên thì c’=c= hằng số, dẫu nguồn sáng hay nguồn thu chuyển động hay đứng yên
thì vận tốc ánh sáng trong chân không vẫn là c. Hơn thế, tốc độ ánh sáng trong chân không
là tín hiệu truyền cực đại.
 Hình học bốn chiều Mincốpki, đã tạo ra một công cụ toán học hữu hiệu giúp cho
quá trình suy diễn từ các tiên đề (1) và (2) thành các hệ quả kỳ diệu, nhờ các khái
niệm toán học vô hướng bốn chiều, Tenxơ bốn chiều, chúng bất biến (có giá trị

SVTH: Trần Vũ B ằng

9

SP. Lý – Tin K35

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

không đổi) trong một phép quay đặc biệt các trục toạ độ bốn chiều một góc  nào
đó. Phép quay này tương ứng với phép biến đổi toạ độ Lorenxơ, mà trước đó,
Lorenxơ xây dựng nên và xem là một trò chơi toán học, chứa hàm ẩn vật lý.
 Trong phép quay hai trục toạ độ ox, oy ,oy quay quanh trục oz coi như đứng yên


trong không gian thực ba ch iều, thì độ dài bán kính vectơ R là một đại lượng
không đổi R' 2  R 2 .
 Trong không gian bốn chiều Mincốpki mỗi biến cố được biểu hiện bằng một điểm
gọi là “điểm thế giới” và ba toạ độ không gian, trong hệ (k) là (x,y,z) và t oạ độ
thời gian T=ict: M(x1,x2,x3,x4). Một quá trình được biểu diễn bằng tập hợp nhiều
điểm thế giới, khoảng cách giữa hai điểm thế giới A và B, được gọi là “khoảng”.
s 2  AB   x B  x A    y B  y A    z B  z A   c 2 TB  TA 
2

2

2

2

2

s 2  x 2  y 2  z 2  t 2
s 2  x 2  y 2  z 2  t 2

s: là một bất biền Lorenxơ.
Góc quay  các trục ox và oy liên hệ với vận tốc chuyển động của vật v qua công
thức:
tg 

iv
c

iv
c
sin 

1  tg 2

cos  

1
1  tg 
2

iv
c
v2
1 2
c



1

1

v2
c2

Đây là lý do mà Anhxtanh sử dụng công thức biến đổi toạ độ Lorenxơ. Các đại lượng
bốn chiều: vô hướng bốn chiều, vectơ bốn chiều đều là các đại lượng bất biến đối với phép
quay hệ trục toạ độ bốn chiều, tức là bất biến Lorenxơ. Chuyển các phương trình vật lý sang

SVTH: Trần Vũ B ằng

10

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

dạng bốn chiều là đảm bảo chúng bất biến Lorenxơ, tức chúng không đổi dạng khi chuyển từ
hệ quy chiếu quán tính (k) sang (k’).

* Tóm lại: Thuyết tương đối hẹp Anhxtanh có vai trò trọng đại, trong quá trình xây
dựng và phát triển phần vật lý học hiện đại gọi là “vật lý học tương đối tính”. Để được
khẳng định, thuyết tương đối hẹp đã trãi qua nhiều thử thách. Nhiều nhà vật lý hoài nghi,
chỉ trích; có người không chỉ trích nhưng vẫn duy trì các quan điểm cũ. Lý do là vì buổi đầu,
họ chưa hiểu hết ý nghĩa sâu xa của thuyết tương đối hẹp. Thậm chí, Poincarê, người đã góp
phầ n không nhỏ vào sự hình thành thuyết tương đối hẹp, mà vẫn kiên trì chống lại.
Maikenson thì hoàn toàn không tin tưởng, với giọng mỉa mai. Plăng thì công nhận thuyết

tương đối hẹp ngay từ đầu (1905)… ngày nay vai trò của thuyết tương đối hẹp hoàn toàn
được khẳng định. Cụ thể như việc Anhxtanh xây dựng cơ học tương đối tính dẫn đến hệ thức
năng – khối lượng.

1.2. Anhxtanh xây dựng cơ học tương đối tính dẫn đến hệ thức năng – khối
lượng
Hệ thức năng – khối lượng của Anhxtanh sẽ cho ta thấy chỉ cần một khối l ượng vật
chất rất nhỏ cũng có thể chuyển hoá thành một giá trị năng lượng cực kỳ lớn. Tại sao có
được điều này trong vật lý, mà từ trước cho đến thời kỳ của Anhxtanh mới phát hiện. Ta sẽ
lý giải điều này từ việc xây dựng cơ học tương đối tính.
Từ phép bất biến tương đối Lorenxơ, vật lý học đã suy ra nhiều hệ quả bất ngờ. Ở đây,
ta không tính toán cụ thể mà chỉ nêu lên các hệ quả ấy, so sánh với vật lý học cổ điển.
1- Khoảng cách không gian không là tuyệ t đối mà có tính tương đối: l=l 0. Hệ toạ độ mà
vật đứng yên: khoảng cách không gian riêng. Ta thấy l < l0 gọi là hiện tượng “co chiều dài”
theo phương chuyển động của vật.
2- Khoảng cách thời gian của hai biến cố cũng là một đại lượng tương đối (chứ không
bất biến) t 0  t 1   2  t 0  t ; t 0 : khoảng cách thời gian riêng.
3- Phép cộng vận tốc Anhxtanh tổng quát hơn phép cộng vận tốc Galilê.
4- Về phương diện động lực học, căn cứ vào định nghĩa vectơ xung lượng bốn chiều :

SVTH: Trần Vũ B ằng

11

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh



p  m0 u 0

Với u là vectơ vận tốc bốn chiều: ( u1 , u 2 , u 3, u 4 ...)
m0 khối lượng nghỉ của vật là một vô hướng bốn chiều.

Anhxtanh đã đưa ra khái niệm về vectơ xung lượng tương đối tính:


p  m 0 u 0

Đây chính là điều mà người ta đã phát hiên ở hạt electron, với ý niệm về “khối lượng
điện tử của nó”.
i
c

Do thành phần thời gian: p 4  Etp nên vectơ xung lượng bốn chiều mang tên vectơ
“năng – xung lượng”.
5- Một hệ quả vô cùng quan trọng của thu yết tương đối hẹp là việc xây dựng phương
trình động lực học tương đối tính ở không gian bốn chiều.
dp
 f
dt 0

f  ở dây là lực bốn chiều với bốn thành phần trên bốn trục: f1, f 2 , f 3 , f 4 .

Chiếu phương trình

dp d (m0 u )


 f  lên trục thứ tư (O  ) ta có phương trình:
dt 0
dt 0

dp 4 d (m0 u 4 )
d m0 ic

 f 4 hay
dt 0
dt 0
dt 1   2
f4

(1-1)

là thành phần thứ tư của lực bốn chiều. Để khai thác ý nghĩa của phương trình (1 -

1) ta nhân hai vế phương trình
m0 u

d ( m0 u )
 f  cho u ta có:
dt 0

du
 f  u
dt 0

SVTH: Trần Vũ B ằng

(1-2)

12

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Mà
du
 a
dt 0

Suy ra : 2u

du
du
 0 ( lấy đạo hàm
 a )
dt 0
dt 0

Hay : u a  0
Suy ra : u  a
Ta thấy vế trái của (1-2) m0 u a = 0. Vậy vế phải của (1-2) cũng triệt tiêu:
f  u  0

(1-3)

Chiếu (1-3) lần lượt lên bốn trục tọa độ ta có hệ thức:
f1u1  f 2 u 2  f 3 u 3  f 4 u 4  0

(1-4)

Thay các giá trị đại lượng ở mỗi số hạng ở vế trái ta thấy:
fx

f1 

1  2
fy

f2 

1  2

fz

f3 

Mà theo trên

fx 

1  2

d m0 u x
dt 1   2

u1 

Suy ra :

f1u1 

ux
1  2
ux
1  2

fx
d m0 u x

dt 1   2
1  2

ux
1  2

Tương tự ta có:

SVTH: Trần Vũ B ằng

13

SP. Lý – Tin K35

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

uy

f 2u2 

1  2

uz

f 2u2 

1 

2

fy
d m0 u y

dt 1   2
1  2

fz
d m0 u z

2

dt 1  
1  2

uy
1  2

uz
1  2

Hệ thức (1-4) trở thành:
ux
1 

2

uy
d m0 u x
d m0 u y


dt 1   2
1   2 dt 1   2

Suy ra :

Tương đương:

Hay

f xu x  f yu y  f zu z

1  2 1  2


f .u
1  2



uz
1 
ic

1  2

2

d m0 u z
ic

f4  0
2
dt 1  
1  2

f4

 icf 4




1
f .u
i f .u
f4  

ic 1   2 c 1   2

Thay f 4 vào phương trình (1-1) ở trên ta có:

d m0 ic
i
f .u

dt 1   2 c 1   2

1  2 

i 
f .u
c

Chuyển c sang trái và rút gọn 2 vế cho I ta có phương trình:

d m0 c 2
= f .u
dt 1   2

Hay



d
(mc 2 )  f .u
dt

Ở đây ta đặt mc 2 = Etp, đây chính là dạng đặc biệt của định luật bảo toàn và chuyển hoá
năng lượng.
Trong đó: m=

m0
1  2

SVTH: Trần Vũ B ằng

là khối lượng tương đối tính của vật chuyển động.

14

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Etp là năng lượng toàn phần của vật.
Hai đặc trưng cơ bản này của vật thể liên hệ nhau thông qua một hằng số là c 2 . Đây là
một phát kiến vô cùng quan trọng của thuyết tương đối hẹp Anhxtanh. Ở cơ học cổ điển m
và Etp coi như độc lập nhau. Ở đây giữa đôi bên có mối liên hệ. Hệ thức này mang tên là hệ
thức “năng – khối lượng”.
* Tóm lại : Hệ thức này có ý nghĩa vô cùng to lớn và đặc biệt khiến con người c húng ta

nói chung và trong vật lý nói riêng phải chú ý nghiên cứu nó một cách kỹ lưỡng, chỉ vì cần
một lượng vật chất nhỏ cũng có thể hoá thành nguồn năng lượng có giá trị khổng lồ.
Cũng chính nhờ hệ thức này các nhà khoa học đã vận dụng nó vào trong việc tìm tòi và
phát hiện ra hiệu ứng vật lý trong phản ứng phân hạch hạt nhân và nhiều khám phá quan
trọng khác nữa được khai thác từ các phản ứng hạt nhân, phản ứng nhiệt hạch.

1.3. Các hệ quả suy ra từ hệ thức năng – khối lượng Anhxtanh
1.3.1. Nguồn năng lượng hạt nhân nguyên tử
Từ hệ thức E tp=m c 2 . Lấy biến thiên hai vế ta có:  E=  ( mc 2 ) . Vì c= 3.108 m/s suy ra
c 2  9.1016 m . Nếu chỉ làm biến đổi một l ượng  m thì ta sẽ chuyển đổi nó thành một giá trị
s

năng lượng rất lớn:
E tp  9.1016 ( J )

Ví dụ: nếu ta chuyển một kg nước hoàn toàn thành năng lượng thì giá trị của nó là E=
9.10 16 (J). Năng lượng này có thể cung cấp cho hoạt động của nước Mỹ trong nửa ngày.
Từ phát kiến này nhân loại như đứng trước một sự kiện lớn lao: một nguồn năng lượng
cực lớn, sử dụng nguồn năng lượng này là cả một vấn đề: lợi ích hay tai hoạ lớn lao.
1.3.2. Năng lượng nghỉ E = m0c2 - cơ năng toàn phần của hạt tự do
1
Etp  m0 c 2  mv 2
2

Từ hệ thức:

E tp = mc 2 

m0 c 2
1  2

Ta thấy nếu v<
SVTH: Trần Vũ B ằng

15

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

E tp  mc 
2

bậc cao)  

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

m0 c 2
1 

2

1
2

 m0 c (1   )  m0 c 2 (1 
2

2

1 2
  ....)
2

(bỏ qua các số hạng

u
c

Etp  m0 c 2  m0 c 2

u2
1
 m0 c 2  m0 u 2 là tổng của hai số hạng.
2
2
2c

m0 c 2 : năng lượng nghỉ của vật

1
m0 u 2  E đ : động năng vật tự do.
2

Thế thì: khác với cơ học cổ điển, vật nằm yên vẫn sẵn có năng lượng với giá trị
m0 c 2 mà ta sẽ gọi là nội năng của vật. Thế năng tương tác giữa các phần của vật. Năng lượng

toàn phần của vật chuyển động là tổng của năng lượng nghỉ và nội năng.

Nếu vật chuyển động trong trường lực thế thì ngoài hai dạng năng lượng kể trên, vật


còn một phần năng lượng nữa. Đó là thế năng trường lực trao cho U (r ) .
Vậy :


1
Etp  m0 c 2  m0 u 2  U (r ).
2

* Tóm lại : Các hệ quả suy từ hệ thức E= mc 2 đã đưa vật lý học cả về lý thuyết và ứng
dụng đến một giai đoạn mới mẻ, tân kỳ, ảnh hưởng lớn lao đến tri thức về tự nhiên và đời
sống con người. Xét vấn đề “năng lượng” của giới tự nhiên không thể không quan tâm đầy
đủ đến hệ quả này của th uyết tương đối hẹp Anhxtanh.

SVTH: Trần Vũ B ằng

16

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Chương 2: CÁC ỨNG DỤNG CÔNG THỨC NĂNG – KHỐI LƯỢNG
VÀO VIỆC KHẢO SÁT CẤU TRÚC HẠT NHÂN
2.1. Năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng ở hạt nhân

2.1.1. Năng lượng liên kết
Xét hạt nhân nguyên tử X ZA có khối lượng m hn. Hạt nhân này có Z proton và N=(A-Z)
nơtron. Do đó tổng khối lượng của A nuclon khi chưa cấu tạo nên hạt nhân: m A=Zmp+(AZ)mn. Từ đó suy ra được độ hụt khối lượng của hạt nhân:  m = mA – mhn .
 m=mhn- [Zmp+(A-Z)mn]. Theo Anhxtanh mỗi hạt có khối lượng m thì có một năng

lượng nghỉ tương ứng mạnh mẽ. Vậy trước khi liên kết hạt nhân, A nuclon có một năng
lượng nghỉ m A c 2  mhn .c 2 là năng lượng nghỉ của hạt nhân được tạo thành bởi chúng. Như
vậy khi tạo thành hạt nhân năng lượng nghỉ của A nuclon phải dư ra một lượng là
mc 2  (m A  m hn )c 2 . Năng lượng này tồn tại dưới dạng động năng của hạt nhân và năng

lượng bức xạ  của hạt nhân (sau khi được tạo thành hạt nhân ở trạng thái kích thích ). Bây
giờ ta lại xét quá trình ngược lại: muốn phá vỡ hạt nhân đó để trả lại trạng thái ban đầu cho
các nuclon thì ta phải tốn một năng lượng đúng bằng mc 2 , ta gọi đó là năng lượng liên kết
hạt nhân. Kí hiệu là  W. W: chính là năng lượng cần cung cấp từ ngoài để tách tất cả A
nuclon ra riêng lẻ nhau, nói cách khác,  W có giá trị bằng và ngược dấu với năng lượng liên
kết các nuclon trong hạt nhân:
E  mc 2  c 2  mhn  ZmH  ( A  Z )mn 

Năng lượng liên kết này đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân. Giá trị của nó
càng lớn thì hạt nhân càng khó phân chia thành mảnh.
Trong thực nghiệm người ta thường đo được khối lượng toàn bộ nguyên tử (hạt nhân +
electron) do đó để t iện lợi hơn nên tính m và E theo khối lượng nguyên tử. Dễ dàng thấy
rằng giá trị m và E sẽ không thay đổi nếu trong hai công thức trên người ta thay khối
lượng hạt nhân mhn bằng khối lượng nguyên tử mnt và thay khối lượng nguyên tử proton
bằng khối lượng nguyên tử H( m H  1,00812 đvklnt) ta có:
SVTH: Trần Vũ B ằng

17

SP. Lý – Tin K35

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

E  c 2  mnt  ZmH  ( A  Z )mn 

Ví dụ: ta hãy tính đối với hạt nhân đồng vị Be49
m  (4.1,00812)  (5.1,00898)  9,015
m  0,0624 (đvklnt).

Muốn tính E phải chú ý tới đơn vị. nếu E tính ra jun thì m phải đổi ra kg (1
đvklnt=1,66.10 27 kg )
E =  c 2 m  (3.108 ) 2 .1,66.10 27.m

Nếu E tính ra eV thì phải chia kết quả trên cho 1,6.10 19 (vì 1e = 1,6.10 19 jun).
E (eV)=

Hay

9.1016.1,66.10 27
m  931.10 6 m
19
1,6.10

E =931 m (MeV)

2.1.2. Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân
Giả sử một hạt nhân có năng lượng liên kết W , có A nuclon thì năng lượng liên kết

trung bình cho mỗi nuclon là W 0 =

W
gọi là năng lượng liên kết riêng của hạt nhân.
A

Thực nghiệm cho thấy rằng với hạt nhân có số khối A< 60 thì năng lượng liên kết riêng
tăng từ 0 – 8,7 MeV. Với các hạt nhân A> 60 thì năng lượng liên kết riêng giảm dần từ 8,7 –
7,5 MeV. Nếu tính trung bình cho toàn bộ các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Menđêleep
thì năng lượng riêng trung bình W 0=8 MeV. Đây là một năng lượng không nhỏ, đại đa số hạt
nhân có năng lượng liên kết riêng không sai kém giá trị này bao nhiêu (trừ các nguyên tố
nhẹ).

SVTH: Trần Vũ B ằng

18

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Phổ năng lượng liên kết riêng của các nguyên tố có thể biểu thị bằng sơ đồ sau:

Hình 2.1: Đồ thị biểu thị năng lượng liên kế riêng của các nguyên tố.

2.2. Phân loại hạt nhân: không bền và bền
Ta biết rằng hạt nhân nào có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân đó càng

khó phá vỡ, tức là càng bền vững. Khi nghiên cứu năng lượng liên kết riêng của các nuclon
trong hạt nhân, ta thấy rằng W0 

W
là nhỏ đối với các hạt nhân nhẹ và gần bão hoà (8
A

MeV) đối với các hạt nhân nặng.
Theo sơ đồ phổ năng lượng liên kết theo số khối của các hạt nhân nguyên tử ta thấy các
hạt nhân nhẹ là kém bền vững, còn các hạt nhân có số khối A lớn thì bền vững.
Căn cứ sự phụ thuộc của năng lượng vào độ hụt khối của các hạt nhân, người ta đã xây
dựng một công thức cho khối lượng hạt nhân phù hợp với thực nghiệm như sau:
mhn = Zmp + (A-Z).mn – a1 . A  a 2 A

2

3



Z
A

2
1

2

 a3

(

A
 Z )2
2
( AEM )
A

Trong đó các a1, a 2 , a3 là các hằng số và   0,00627 .Từ đó suy ra độ hụt khối m :
A


(
 Z )2 
2

a2
Z
m  Aa1  1   2  a3 2
 (u )
A


2
3
A
A



SVTH: Trần Vũ B ằng

19

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Nhìn vào công thức trên ta thấy A càng lớn thì  m càng lớn. Do đó hạt nhân càng bền
vững.
Thực tế, lý thuyết thống kê còn cho ta thấy các hạt nhân bền vững nhất là những hạt
nhân có số proton (Z) và số nơtron (A – Z) = N đều là số chẵn, hạt nhân có Z và N đều lẻ thì
kém bền. Còn lại các hạt nhân khác thì ở mức độ trung bình. Ta có thể thống kê tổng quát
như sau:
N

Z

Mức độ bền

Chẵn

Chẵn

Bền

Chẵn (lẻ)

Lẽ (chẵn)

Kém bền

Lẻ

Lẻ

Kém bền nhất

Như vậy, các hạt nhân kém bền hơn cả là các hạt Đơtron H12 ; Li Li36 ; Bo B510 ;
Nitơ N 714 … các dữ liệu như trên được đưa ra là do ta đã kết hợp hai yếu tố: các hạt nhẹ và
Z, N đều lẻ. Bây giờ ta hãy giải thích tính không bền của hạt nhân Đơtron theo quan điểm cơ
học lượng tử.

2.3. Quá trình biến đổi hạt nhân bền kèm theo hiệu ứng năng lượng
Xét phản ứng:
a+X  b+Y. Gọi Di và Wi là động năng và nội năng của hạt i (nội năng tức là năng
lượng ứng với khối lư ợng nghỉ mi của hạt theo công thức Anhxtanh (W i=mi c 2 ).
Định luật bảo toàn năng lượng viết là:
Wa + WX + Da + DX = Wb + WY + Db + DY


Wt + Dt = Ws + Ds

Thường thì tổng nội năng trước phản ứng W t khác tổng nội năng sau phản ứng W s và
do đó tổng động năng trước phản ứng D t cũng khác tổng động năng sau phản ứng D s.
Hiệu số: W =Wt – Ws = Ds – Dt gọi là hiệu ứng năng lượng của phản ứng hạt nhân.
Nếu W >0 nghĩa là phản ứng có kèm theo sự tăng động năng thì ta nói là phản ứng toả

năng lượng.

SVTH: Trần Vũ B ằng

20

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Nếu W <0 nghĩa là động năng giảm, nội năng tăng thì ta nói là phản ứng thu năng
lượng.
Nếu W =0 cả nội năng và động năng đều không đổi, ta có sự va chạm đàn hồi.

2.4. Thí nghiệm bắn phá hạt nhân bền và phản ứng hạt nhân thu gọn
Phóng xạ tự nhiên là hiện tượng phân rã của hạt nhân xảy ra một cách tự phát không
chịu ảnh hưởng của các điều kiện bên ngoài. Nhưng h iện nay, các chất phóng xạ tự nhiên chỉ
còn tìm thấy rất ít trong thiên nhiên. Vì lẽ đó, để tạo ra đồng vị hạt nhân mới, ta phải bắn phá
hạt nhân khác, nghĩa là phải biến đổi nhân tạo hạt nhân.
Hạt nhân của các nguyên tố không phóng xạ rất bền vững, nên chỉ có thể làm cho
chúng vỡ, hoặc thay đổi trạng thái bằng tác dụng rất mạnh của những hạt bắn từ ngo ài vào.
Có hai hiện tượng xảy ra khi dùng đạn bắn vào hạt nhân làm bia tạo ra phản ứng hạt nhân:
 Hạt đạn đi sát gần hạt nhân làm bia, bị tán xạ đàn hồi (tá n xạ  bởi hạt nhân vàng
trong thí nghiệm Rutherford).
 Hạt đạn xuyên vào bên trong hạt nhân làm bia, bị hạt nhân làm bia bắt giữ để trở
thành hạt nhân mới: không bền, tự phân rã để cho một hạt nhân mới và một hạt
nhân nhẹ bay ra.

Người ta thường biểu diễn một phản ứng hạt nhân như sau:
a+X  b+Y
Trong đó a: là hạt đạn.
X: hạt nhân bia.
Y: hạt nhân sản phẩm.
b: hạt nhẹ bay ra sau phản ứng.
Hoặc kí hiệu vắn tắt là: X(a,b)Y.
2.4.1. Thí nghiệm của Rutherford
Vào năm 1919 lần đầu tiên phản ứng hạt nhân được Rutherford khám phá. Ông bắn phá
hạt nhân bằng các hạt  do các nguyên tố phóng xạ tự nhiên phóng ra. Sơ đồ dụng cụ thí
nghiệm của Rutherford như hình:

SVTH: Trần Vũ B ằng

21

SP. Lý – Tin K35


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

Hình 2.2: Sơ đồ thí nghiệm phản ứng hạt nhân của Rutherford
Trong hộp C chất phóng xạ tự nhiên A được gắn vào giá đỡ có thể di chuyển được.
Hộp C chứa chất khí nghiên cứu. Màn F làm bằng nhôm đủ dầy để hấp thụ được các hạt do
chất phóng xạ phát ra. Sau màn F có màn huỳnh quang S có thể quan sát bằng kính hiển vi
M. Rutherford đã phát hiện thấy rằng, nếu buồng chứa đầy khí Oxi, thì không có các nhấp
nháy. Nhưng nếu buồng chứa đầy khí Nitơ, thì người ta quan sát thấy những chóp sá ng riêng
lẻ nhấp nháy trên màn S. Rutherford cho rằng Nitơ bị hạt a bắn phá phóng ra những hạt đi

xuyên qua F tới đập vào màn huỳnh quang. Bằng cách làm lệch quỹ đạo trong từ trường
Rutherford xác định những hạt đó là các proton vì khi hạt  đập vào hạt nhân N thì nó lọt
vào trong hạt nhân và tạo thành một hạt nhân không bền vững. Hạt nhân này phân rã ngay,
thành proton và một đồng vị của Oxi.
N 714  He24  ( F918 )  O817  H 11

Hay

N 714 ( , p )O817

2.4.2. Hiệu ứng năng lượng  W
Ta có:

 W= Ds  Dt  ( Db  D y )  Da

(2-1)

Mặt khác năng lượng toàn phần của một số hạt bằng tổng năng lượng tĩnh và động
năng của nó. Vì thế theo định luật bảo toàn phải:
( m a c 2  Da )  M X c 2  ( mb c 2  Db )  ( M y c 2  D y ) (2-2)

SVTH: Trần Vũ B ằng

22

SP. Lý – Tin K35