LUẬN văn sư PHẠM vật lý cấu TRÚC hạt NHÂN và một số ỨNG DỤNG điển HÌNH của kỹ THUẬT hạt NHÂN ở nước TA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

CẤU TRÚC HẠT NHÂN
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA KỸ THUẬT
HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ - TIN HỌC

GV hướng dẫn:
Hoàng Xuân Dinh

Sinh viên: Phạm Thị Mỹ Tiên
Lớp: Sư Phạm Lý – Tin K35
Mã số SV: 1090292

Cần Thơ, 2012


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

Vậy là bốn năm đại học sắp trôi qua, em đã được quý thầy
cô khoa sư phạm trường Đại học Cần thơ tận tình giảng dạy cũng
như hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cho đến ngày
hoàn thành luận văn tốt nghiệp.Vì vậy em xin gửi lời tri ân chân
thành nhất đến:
- Qúy thầy cô khoa sư phạm trường Đại học Cần Thơ.
- Thầy Hoàng Xuân Dinh đã nhiệt tình hướng dẫn em trong

suốt quá trình làm luận văn.
Em cũng xin cảm ơn tất cả các bạn lớp Sư phạm Lý Tin
K35 đã ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt quá trình học tập
cũng như làm luận văn.
Do thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn tốt nghiệp
không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong sự chỉ bảo và đóng
góp thêm của quý thầy cô và các bạn.
Cuối cùng em xin chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe
và luôn thành công trong công việc của mình.
Cần Thơ, ngày

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

i

tháng

năm 2012

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................1
2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................... 2
3. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI. .................................................................................. 2
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............... 2

4.1 Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
4.2 Phương tiện thực hiện đề tài ......................................................................... 2
5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI..................................................................... 3
PHẦN NỘI DUNG. ........................................................................................................ 4
Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN................................................................... 4
1. PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ................................................... 4
2. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN ............................................. 6
2.1 Cấu tạo hạt nhân ............................................................................................6
2.2 Đồng vị, khối lượng và bán kính của hạt nhân nguyên tử ..........................7
2.2.1 Đồng vị của hạt nhân nguyên tử ..........................................................7
2.2.2 Khối lượng của hạt nhân nguyên tử.....................................................9
2.2.3 Bán kính của hạt nhân nguyên tử.......................................................10
2.3 Số khối, độ hụt khối và sự sắp xếp các nuclôn .......................................... 10
2.3.1 Số khối................................................................................................. 10
2.3.2 Độ hụt khối..........................................................................................11
2.3.3 Sự sắp xếp các nuclôn ........................................................................ 11
2.4 Kích thước và hình dạng của hạt nhân .......................................................14
2.4.1 Kích thước hạt nhân............................................................................ 14
2.4.1.1 Khảo sát tán xạ nơtrôn...............................................................14
2.4.1.2 Khảo sát phản ứng hạt nhân với các hạt tích điện ................... 15
2.4.1.3 So sánh năng lượng liên kết các hạt nhân gương.....................15
2.4.1.4 Khảo sát lực hạt nhân ................................................................15
2.4.2 Hình dạng của hạt nhân ...................................................................... 17
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

ii

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên

CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
2.5 Năng lượng liên kết hạt nhân...................................................................... 18
2.5.1 Đơn vị đo khối lượng và năng lượng................................................. 18
2.5.2 Năng lượng liên kết ............................................................................ 19
2.5.3 Năng lượng liên kết riêng................................................................... 20
2.5.4 Năng lượng tách các hạt ra khỏi hạt nhân ......................................... 21
2.6 Spin và mômen từ của hạt nhân nguyên tử ................................................ 22
2.6.1 Spin hạt nhân.......................................................................................22
2.6.2 Mômen từ hạt nhân............................................................................. 22
2.6.3 Các quy luật thực nghiệm rút ra từ nghiên cứu mômen từ ............. 24
2.7 Các loại tương tác và các tính chất của lực hạt nhân ................................25
2.7.1 Tổng quan về các loại tương tác ........................................................25
2.7.1.1 Tương tác hấp dẫn ..................................................................... 25
2.7.1.2 Tương tác yếu............................................................................. 26
2.7.1.3 Tương tác điện từ....................................................................... 27
2.7.1.4 Tương tác mạnh ......................................................................... 28
2.7.2 Các tính chất của lực hạt nhân ...........................................................29
2.7.2.1 Lực hạt nhân có bán kính tác dụng vô cùng nhỏ .....................29
2.7.2.2 Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích ...........................29
2.7.2.3 Lực hạt nhân không đơn thuần chỉ là lực hút...........................30
2.7.2.4 Lực hạt nhân là lực trao đổi ......................................................30
2.7.2.5 Lực hạt nhân có tác dụng bão hòa ............................................ 31
2.7.2.6 Lực hạt nhân phụ thuộc spin của các nuclôn ...........................31
Chương 2: CÁC MÔ HÌNH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ.......................................... 32
1. SỰ CẦN THIẾT CỦA CÁC MÔ HÌNH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ........... 32
1.1 Lý do xuất hiện các mô hình hạt nhân........................................................32
1.2 Phân loại các mô hình hạt nhân .................................................................. 33
2. MÔ HÌNH GIỌT ................................................................................................. 34
2.1 Cơ sở xây dựng mô hình giọt chất lỏng .....................................................34

2.2 Mô hình giọt chất lỏng ................................................................................ 34
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

iii

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
3. MÔ HÌNH LỚP ................................................................................................... 37
3.1 Các hạn chế của mô hình giọt chất lỏng và sự cần thiết của mô hình
lớp .......................................................................................................................37
3.2 Nguyên tắc xây dựng mô hình lớp .............................................................39
3.3 Mô hình lớp hạt nhân .................................................................................. 40
4. MÔ HÌNH KHÍ FERMI......................................................................................40
5. MÔ HÌNH TẬP THỂ ..........................................................................................42
Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở
NƯỚC TA......................................................................................................................44
1. ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ.......................................................................... 44
2. ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP .......................................................46
3. ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP VÀ SINH HỌC ...........................46
4. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỂ NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ
TRÌNH TRONG TỰ NHIÊN......................................................................... 48
5. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG NGHIÊN CỨU VÀ BẢO
VỆ MÔI TRƯỜNG ........................................................................................48
6. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRONG BẢO QUẢN, KHỬ
TRÙNG VÀ BIẾN TÍNH VẬT LIỆU ..........................................................49
7. PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN PHỤC VỤ CÔNG NGHIỆP
HÓA VÀ HIỆN ĐẠI HÓA ĐẤT NƯỚC ....................................................50

PHẦN KẾT LUẬN ....................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................54

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

iv

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU BẢNG

Hình 1.1: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM CỦA RUTHERFORD, GEIGER VÀ MARSDEN
.......................................................................................................................................... 5
Hình 1.2: CẤU TẠO NGUYÊN TỐ NITROGEN......................................................11
Hình 1.3: BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ ............................................... 12
Hình 1.4: BIỂU ĐỒ CÁC NUCLÔN ĐÃ BIẾT .........................................................13
Hình 1.5: PHÂN BỐ MẬT ĐỘ VẬT CHẤT TRONG HẠT NHÂN NGUYÊN
TỬ. ................................................................................................................................. 17
Hình 1.6: PHỔ QUAY CỦA HẠT NHÂN 72Hf180 .....................................................18
Hình 1.7: ĐỒ THỊ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT RIÊNG ........................................... 20
Hình 3.1: GHI HÌNH KHỐI U BẰNG MÁY SPECT - PET – CT............................45
Bảng 1.1: MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CÁC NUCLÔN CHỌN LỌC. ................... 14
Bảng 1.2: KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG TƯƠNG ỨNG CỦA VÀI HẠT
NHÂN ............................................................................................................................19
Bảng 1.3 : GIÁ TRỊ SPIN VÀ MÔMEN TỪ CỦA MỘT SỐ HẠT NHÂN............. 24
Bảng 1.4 : SO SÁNH CƯỜNG ĐỘ CỦA BỐN LOẠI TƯƠNG TÁC .....................29

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

v

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.
Các nguyên tử tồn tại ngay bên trong cơ thể chúng ta, bên trong chiếc ghế ta
ngồi, hay trong cái bàn của bạn, và thậm chí ngay cả trong không khí mà bạn đang
hít thở…Vậy có phải nguyên tử là “viên gạch” nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất hay
không?
Câu hỏi đó đã được trả lời vào năm 1911 thông qua thí nghiệm của
Rutherford, ông đã quan sát tán xạ của các hạt  lên các nguyên tử và ông đã phát
hiện ra được “hạt nhân nguyên tử”. Điều đó đã chứng minh được nguyên tử chưa
phải là phần tử nhỏ nhất.
Ngày nay, các học sinh phổ thông cũng đã có một số kiến thức cơ bản nào đó
về hạt nhân. Tuy nhiên ngược dòng thời gian, hơn một thế kỷ trước, hạt nhân vẫn
đang là “ cái gì đó” đầy bí ẩn, thậm chí là thần bí, gây hoang mang, tranh luận sôi
nổi trong giới khoa học. Việc đi tìm cấu trúc bên trong hạt nhân nguyên tử đã tạo ra
sự phát triển cơ sở khoa học vững chắc, để tạo ra sự gắn kết của nhiều ngành khoa
học, trong đó đặc biệt là ngành hóa học và vật lý. Và cả ngành công nghệ Nano, hiện
đang là ngành công nghệ mũi nhọn mới của văn minh nhân loại.
Thế kỷ XX là thế kỷ mà con người đã biết sử dụng năng lượng hạt nhân
nguyên tử để tạo ra bom hạt nhân, với sự tàn phá kinh khủng và cũng để tạo ra

nguồn điện năng cực lớn, đầy hứa hẹn cho môi trường sống. Việc khám phá ra hạt
nhân nguyên tử, có lẽ là một trong những đóng góp lớn nhất của khoa học hiện đại
đối với nhân loại. Nhưng để hiểu rõ hơn hạt nhân chính xác là gì? Cái gì đã tạo ra
nó? Nó trông như thế nào? Làm thế nào để giải thích được những đặc điểm muôn
màu muôn vẻ của các đồng vị khác nhau trên quy luật tương tác đó? Và nó có được
những ứng dụng gì?... Với những lý do trên tôi quyết định chọn đề tài “ Cấu trúc
hạt nhân và một số ứng dụng điển hình của kỹ thuật hạt nhân ở nước ta” làm
đề tài nghiên cứu. Trong bài này tôi trình bày về việc khám phá ra hạt nhân như thế

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

1

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
nào, cấu trúc chúng ra sao và nhờ những hiểu biết về kết cấu của chúng, ta đã tạo ra
vô vàn những ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống.

2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI.
- Hạt nhân nguyên tử được phát hiện từ khi nào?
- Cấu trúc của hạt nhân nguyên tử như thế nào?
- Hạt nhân nguyên tử có các đặc trưng gì?
- Các nuclôn chuyển động và tương tác với nhau như thế nào trong hạt nhân?
- Hạt nhân nguyên tử được đặc trưng bởi các mô hình nào?
- Kỹ thuật hạt nhân đóng vai trò như thế nào trong sự nghiệp công nghiệp hóa
và hiện đại hóa đất nước?

3. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.
Tìm hiểu một số tính chất, hiện tượng có liên quan đến hạt nhân thông qua
việc tìm hiểu cấu trúc hạt nhân, các mô hình hạt nhân. Từ đó nêu lên các vấn đề còn
tồn tại trong lý thuyết về hạt nhân nguyên tử và những ứng dụng của chúng.

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.
4.1 Phương pháp nghiên cứu.
Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với các
phương pháp sau:
- Sưu tầm tài liệu.
- Nghiên cứu đề tài.
- Phân loại tài liệu.
- Nhờ sự chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn.
4.2 Phương tiện thực hiện đề tài.
- Tài liệu tham khảo: Giáo trình, bài giảng, Luận văn tốt nghiệp Đại học, tài
liệu từ sách báo, tài liệu từ Internet.
- Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn và các
bạn sinh viên.
- Phương tiện hỗ trợ: máy vi tính, máy in và các phần mềm máy tính.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

2

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.
Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài.
Bước 2: Xây dựng đề cương tổng quát.
Bước 3: Thu thập, tìm kiếm các dữ liệu có liên quan đến đề tài.
Bước 4: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài.
Bước 5: Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa.
Bước 6: Viết hoàn chỉnh đề tài và báo cáo đề tài.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

3

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

PHẦN NỘI DUNG
Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HẠT NHÂN.

1. PHÁT HIỆN RA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ.
Trong mấy năm đầu của thế kỉ XIX không mấy người biết về cấu trúc của
nguyên tử, trừ điều là chúng có chứa các electrôn. Hạt này cũng chỉ mới được phát
hiện (bởi J. J. Thomson) vào năm 1897 và khối lượng của nó còn chưa biết vào cái
thuở ban đầu ấy. Do vậy, người ta thậm chí không thể nói được một nguyên tử đã
cho chứa bao nhiêu electrôn. Các nguyên tử trung hòa về điện, vì vậy nó cũng cần
phải chứa cả điện tích dương, nhưng không ai biết cái phần điện tích dương bù trừ
đó có dạng như thế nào.
Năm 1911 Ernest Rutherford đã đi tới giả thiết rằng điện tích dương của

nguyên tử được tập trung ở tâm của nguyên tử và hơn thế nữa nó mang hầu hết khối
lượng của nguyên tử. Thế là ông đã phát hiện ra hạt nhân nguyên tử!
Đề xuất của Rutherford không phải là một phỏng đoán đơn thuần mà có cơ sở
vững chắc là các kết quả của một thí nghiệm do ông gợi ý và các cộng sự của ông
thực hiện. Đó là Hans Geiger (tác giả của máy điếm Geiger nổi tiếng) và Ernest
Marsden, một sinh viên 20 tuổi còn chưa tốt nghiệp đại học.
Ý tưởng của Rutherford là bắn các hạt  vào một tấm bia và đo phạm vi mà
các hạt đó bị lệch khi đi qua tấm bia ấy. Các hạt  nặng gấp 7300 lần các hạt
êlectrôn, mang điện tích 2e và được phát ra một cách tự phát (với năng lượng vài
MeV) bởi nhiều vật liệu phóng xạ. Hiện nay chúng ta biết rằng các hạt đạn rất tiện
ích đó chính là hạt nhân của nguyên tử hêli thông thường. Hình 1.1 cho thấy bố trí
thí nghiệm của Geiger và Marsden. Thực nghiệm chỉ là đếm số hạt  bị lệch với
những góc tán xạ khác nhau.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

4

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

Hình 1.1: Bố trí thí nghiệm của Rutherford, Geiger và Marsden.
Và kết quả thí nghiệm của họ đã dẫn đến nhiều bất ngờ. Kết quả đó được mô
tả như sau: Phần lớn các hạt  bị tán xạ ở góc rất nhỏ nhưng điều bất ngờ lớn là một
phần rất nhỏ các hạt bị tán xạ ở góc rất lớn, gần 1800. Theo lời Rutherford thì “đây
là một sự kiện khó tin nhất trong đời tôi. Nó cũng khó tin hệt như ta bắn một viên
trái phá 15 insơ vào một tờ giấy mà viên đạn lại bị hất ngược trở lại về phía ta”.

Tại sao Rutherford lại ngạc nhiên tới mức như vậy? Vào thời tiến hành các
thí nghiệm này phần lớn các nhà vật lí đều tin vào mẫu “bánh put-đinh nhân quả cây
khô” của nguyên tử do J. J. Thomson đưa ra. Theo mẫu này thì điện tích dương của
nguyên tử được trải đều trong toàn bộ thể tích của nguyên tử. Các electrôn – nhân
quả cây khô – được xem là dao động xung quanh các tâm cố định bên trong hình cầu
đó (chiếc bánh put-đinh).
Lực làm lệch cực đại tác dụng lên một hạt  khi nó đi qua một quả cầu lớn
tích điện dương là quá nhỏ để làm lệch một hạt  thậm chí dưới một góc bằng một
độ. (Độ lệch này có thể so sánh với độ lệch mà bạn sẽ quan sát được khi đi bắn một
viên đạn qua một bao tải những hòn tuyết).

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

5

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
Các electrôn trong nguyên tử cũng có ảnh hưởng rất nhỏ đến các hạt  có
năng lượng lớn và khối lượng lớn. Thực tế, chính chúng mới bị lệch mạnh hệt như
một đàn muỗi bị dạt ra hai phía khi ném một hòn đá đi qua chúng.
Rutherford thấy rằng để làm lệch một hạt  quặt hẳn trở lại, cần phải có một
lực lớn và lực này có thể được tạo ra nếu điện tích dương thay vì được trải đều trong
thể tích của nguyên tử được tập trung lại tại tâm cuả nó.
Trong mẫu này, hạt  tới có thể đi rất gần trung tâm của điện tích dương mà
không xuyên qua nó, khiến cho lực làm lệch lớn.
Hình 1.1 cũng cho ta thấy các lộ trình khả dĩ của các hạt  điển hình khi
chúng đi qua các nguyên tử của lá bia bằng vàng. Như chúng ta thấy, đa số các hạt

đó đều bị lệch nhẹ, nhưng có một số ít (các hạt có lộ trình đi rất gần hạt nhân) là bị
lệch những góc lớn. Từ sự phân tích các số liệu, Rutherford đã kết luận rằng bán
kính của hạt nhân cần phải nhỏ hơn bán kính của nguyên tử cỡ 104 lần.
Thì ra nguyên tử phần lớn là không gian trống rỗng! Một điều không phải là
thường xuyên xảy ra là bằng cái nhìn sắc sảo của nhà khoa học cộng thêm một ít
tính toán đơn giản lại dẫn tới những kết quả quan trọng như vậy.

2. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN.
2.1 Cấu tạo hạt nhân.
Như đã biết, kết quả của thí nghiệm Rutherford năm 1911 đã quan sát tán xạ
của các hạt  lên các nguyên tử là sự phát hiện ra hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân
chứa toàn bộ điện tích dương và về căn bản chứa gần như toàn bộ khối lượng của
nguyên tử. Điện tích hạt nhân là tích của số nguyên tử Z của nguyên tố cho trước với
điện tích cơ bản dương (chính là điện tích của prôtôn), còn khối lượng của hạt nhân
gần đúng bằng khối lượng của prôtôn nhân với số khối lượng A. Số A thường lớn
hơn Z hai lần, trừ hyđrô, khi A  Z và các hạt nhân nặng, khi A  2Z . Từ đó suy ra
prôtôn chưa phải là thành phần duy nhất của hạt nhân. Một giả thiết tất nhiên là
trong hạt nhân cũng có thể có điện tử. Điều này có thể giả thiết sự có mặt của điện tử
trong bức xạ hạt nhân (bức xạ  ). Nếu điều này đúng thì ta phải giả thiết rằng hạt
nhân gồm A prôtôn và A  Z điện tử. Song do nhiều nguyên nhân mà giả thiết này
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

6

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
bị hủy bỏ. Một trong những nguyên nhân là nó mâu thuẫn với nguyên lý bất định

của Heisenberrg. Biết được kích thước của hạt nhân qua thí nghiệm của Rutherford,
có thể xác định được độ không chắc chắn cho phép đo động lượng của điện tử trong
hạt nhân. Điều tất nhiên là động lượng không thể nhỏ hơn sai số của nó. Vậy người
ta giả thiết rằng động lượng bằng sai số này và tính năng lượng của điện tử từ công
thức tương đối tính giữa động lượng và năng lượng. Năng lượng tối thiểu thu được
bằng cách này cho ta quãng 70 MeV, hoàn toàn mâu thuẫn với những dữ liệu về
năng lượng của điện tử bị đánh bật ra khỏi nguyên tử, ví dụ là các hạt  . Vậy các
điện tử không thể là thành phần ổn định của hạt nhân mà chúng xuất hiện là kết quả
của những quá trình biến đổi hạt nhân như ta sẽ bàn đến dưới đây. Do vậy
Rutherford đã giả thiết tồn tại một hạt trung hòa là nơtrôn, có khối lượng gần bằng
prôtôn, là thành phần thứ hai của hạt nhân nguyên tử. Năm 1932 Chadwick đã
khẳng đình về mặt thực nghiệm sự tồn tại của hạt này. Vậy hạt nhân nguyên tử gồm
Z prôtôn và A  Z  N nơtrôn. Chúng có một tên gọi chung là nuclôn.
Ký hiệu một hạt nhân là:

A
Z

X

Các nguyên tử có cùng số nguyên tử Z nhưng khác nhau số khối lượng A
được gọi là các đồng vị, trong các đồng vị có các izôtôn (có N như nhau) và izôbar
(có A như nhau).
Có thể xác định được Z của một nguyên tố cho trước, từ phổ đặc trưng của
bức xạ X: theo định luật Moseley tần số của vạch K  tương ứng với sự nhảy của
các điện tử từ lớp L sang K được cho bởi công thức:
v  b  Z  1

(1.1)

trong đó b là một hằng số xác định.
2.2 Đồng vị, khối lượng và bán kính của hạt nhân nguyên tử.
2.2.1 Đồng vị của hạt nhân nguyên tử.
Thiết bị cơ bản phục vụ cho nghiên cứu khối lượng của nguyên tử (chính xác
hơn là khối lượng của các iôn) là khối phổ kế. Trong thiết bị này, một chùm nguyên
tử bị iôn hóa (bằng một chùm điện tử bắn phá chẳng hạn) được cho đi qua một vùng
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

7

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
không gian, trong đó có điện trường và từ trường với cấu hình đảm bảo cho việc hội
tụ riêng rẽ các iôn có các khối lượng khác nhau. Trong các phép đo kiểu này, các
đồng vị đã được phát hiện. Ví dụ đã xác định được rằng ôxy tồn tại trong tự nhiên
chứa chủ yếu các đồng vị
17
8

o (0,037%) và

18
8

16
8

o (99,759%), nhưng cũng có cả các đồng vị khác như

o (0,204%). Ở đây ta dùng kí hiệu được dùng phổ biến:

A
Z

X kí

hiệu cho nguyên tử của nguyên tố X với số nguyên tử Z và số khối lượng A.
Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số prôtôn Z nhưng khác nhau số nơtrôn
N (do đó khác số khối A) gọi là các đồng vị (chúng ở cùng một vị trí trong bảng hệ
thống tuần hoàn).
Ví dụ: Các đồng vị của Uran: 92U233,

92U

235

238
, 92U .

Các hạt nhân có cùng số khối A nhưng khác nhau số prôtôn Z được gọi là các
nhân đồng khối.
Ví dụ: Nhân đồng khối của triti (1H3) là 2He3.
Người ta đã tìm được 60 cặp hạt nhân đồng khối lượng bền có số A chẵn và
số Z khác nhau hai đơn vị bắt đầu từ A = 36 và hai cặp đồng vị A lẻ và Z khác nhau
một đơn vị:
Ví dụ: 48Cd113 và 49In113
51Sb

123

và 52Te 123

Ngoài ra còn tìm được vài nhóm ba hạt nhân đồng khối lượng như:
Ví dụ: 22Ti50 , 23V50, 24Cr50
54Xe

136

, 56Ba136, 58Ce136

Các hạt nhân có số nơtrôn N bằng nhau gọi là các nhân đồng nơtrôn.
Hai hạt nhân đồng phân (cùng A) mà có số prôtôn Z của hạt nhân này bằng
số nơtrôn N của hạt nhân kia và ngược lại gọi là hạt nhân đối xứng gương.
Ví dụ: 1H3 và 2He3, 3Li7 và 4Be 7, 12Mg25 và 13Al25
Hiện nay ta biết trên 2000 đồng vị, trong đó có 267 là những đồng vị bền có
trong thiên nhiên. Còn lại là các đồng vị phóng xạ được tạo ra trong các phòng thí
nghiệm (ví dụ nhóm siêu uran gồm các đồng vị với Z  92 . Một thành tựu mới năm
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

8

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
1996 là nguyên tố với Z  122 được phát hiện). Phần lớn (159) các đồng vị bền chứa

một số chẵn prôtôn và một số chẵn nơtrôn, tức là các hạt nhân chẵn-chẵn. Ngoài ra
còn có 59 đồng vị với các hạt nhân chẵn – lẻ (Z chẵn), 50 lẻ - chẵn (Z lẻ) và chỉ có 5
lẻ - lẻ là các đồng vị của các nguyên tố nhẹ: 12 H , 36 Li ,

10
5

B,

14
7

N,

50
23

V . Vậy tính chẵn

lẻ của các số prôtôn và nơtrôn cũng liên quan đến tính ổn định của các đồng vị.
2.2.2 Khối lượng của hạt nhân nguyên tử.
Trong vật lý hạt nhân, đơn vị khối lượng không phải là khối lượng của prôtôn
hay nơtrôn mà là 1/12 của khối lượng đồng vị của khối lượng đồng vị cacbon 126C (1
đơn vị khối lượng nguyên tử = 1 u =

1
-27
M  126C  = 1,66.10 g). Ta biểu diễn các khối
12

lượng của p, n, e theo các đơn vị u:
mp =1,00728u, mn =1,00867u, me =0,00055u
Trong các phản ứng hạt nhân, hệ thức Einstein E  m.c 2 là một công cụ bắt
buộc phải sử dụng hằng ngày. Năng lượng tương đương với một đơn vị khối lượng
nguyên tử dễ dàng tìm được là 932 MeV. Vì vậy, c2 có thể viết là 932MeV/u và
chúng ta có thể dễ dàng tìm được năng lượng (MeV) tương ứng với một hiệu khối
lượng đã cho bất kì (tính ra u) và ngược lại.
Phổ học hiện đại cho phép ta xác định được các khối lượng của nguyên tử với
độ chính xác tương đối lớn hơn 10-6. Các phép đo phổ chỉ ra rằng khối lượng của hạt
nhân của một nguyên tố cho trước không phải là bội số nguyên của khối lượng hạt
nhân hyđrô 11H (tức là prôtôn). Điều này một mặt liên quan đến sự có mặt của nơtrôn
trong hạt nhân ( m p  mn ), mặt khác cho thấy là khối lượng nguyên tử của nguyên tố
cho trước là trung bình các khối lượng hỗn hợp các đồng vị của nó. Song đối với
một đồng vị riêng biệt, khối lượng của nó nhỏ hơn tổng các khối lượng của các
prôtôn và nơtrôn có trong thành phần của nó. Điều này liên quan đến cái gọi là năng
lượng liên kết.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

9

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
2.2.3 Bán kính của hạt nhân nguyên tử.
Đơn vị thuận tiện để đo khoảng cách trong thang hạt nhân là femtomét
(  10 15 m ). Tiếp đầu femto bắt nguồn từ chữ Đan mạch có nghĩa là 15. Đơn vị này
còn thường được gọi là fecmi và chung một tên viết tắt là fm. Như vậy: 1 femtomét

= 1 fecmi = 1fm = 10-15m.
Ngoài các phương pháp khác, ta còn có thể biết về kích thước và cấu trúc của
hạt nhân bằng cách bắn phá nó bởi các chùm electrôn năng lượng cao và quan sát
cách hạt nhân làm lệch các electrôn tới đó. Năng lượng các electrôn cần phải đủ cao
(gần bằng 200 MeV) sao cho bước sóng Broglie của chúng đủ nhỏ để có thể đóng
vai trò các hạt thử nhạy với cấu trúc của hạt nhân.
Những thí nghiệm như thế chứng tỏ rằng hạt nhân (được giả thiết là hình cầu)
có bán kính trung bình đặc trưng R được cho bởi:
R  R0 A1/3 với A là số khối và R0  1, 2 fm .

(1.2)

Chúng ta thấy rằng thể tích của hạt nhân tỉ lệ với R3 tỉ lệ thuận với số khối A
bất kể các giá trị Z và N riêng biệt là bao nhiêu.
2.3 Số khối, độ hụt khối và sự sắp xếp các nuclôn.
2.3.1 Số khối.
Các hạt nhân được cấu tạo bởi các hạt prôtôn và nơtrôn. Tổng số prôtôn (Z)
và nơtrôn (N) của một nuclôn được gọi là số khối của nó:
A=Z+N

(1.3)

Vì số này biểu thị khối lượng của nuclôn, nên khối lượng này tính bằng đơn
vị khối lượng nguyên tử và làm tròn tới số nguyên gần nhất. Ví dụ, khối lượng
nguyên tử của

197

Au là 196,966573u và được làm tròn là 197.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

10

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

Hình 1.2: Cấu tạo hạt nhân nguyên tố nitrogen.
2.3.2 Độ hụt khối.
Như đã nói ở trên, khối lượng hạt nhân Mhm nhỏ hơn tổng các khối lượng của
các nuclôn thành phần. Hiệu số của chúng được gọi là độ hụt khối:
M  Zm p  Nmn  M hm

(1.4)

Đây là một trường hợp đặc biệt của một nguyên lý chung là khối lượng của
một hệ liên kết bất kì luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các hệ thành phần.
2.3.3 Sự sắp xếp các nuclôn.
Nguyên tử trung hòa của tất cả các đồng vị có Z đã cho đều có cùng số
electrôn, có cùng các tính chất hóa học và được xếp vào cùng một ô trong Bảng tuần
hoàn các nguyên tố hóa học. Các tính chất hạt nhân của các đồng vị khác nhau, tuy
thế rất khác nhau. Vì vậy, Bảng tuần hoàn chỉ có ích lợi hạn chế đối với các nhà vật
lí hạt nhân, hóa học hạt nhân hoặc các kĩ sư hạt nhân.
Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tố tương ứng trong
bảng tuần hoàn.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

11

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

Hình 1.3: Bảng tuần hoàn các nguyên tố.

Để phân biệt các hạt nhân bền và không bền người ta thường dùng giản đồ
prôtôn – nơtrôn Z – N. Chúng ta sẽ xếp các hạt nhân trên cùng một giản đồ các hạt
nhân, trong đó một hạt nhân được biểu diễn bằng một chấm với tung độ là số prôtôn
và hoành độ là số nơtrôn của hạt nhân đó và hai đường gạch nối có ký hiệu Sp = 0 và
S n= 0 là giới hạn miền tồn tại của các hạt nhân bền đối với phân rã prôtôn và nơtrôn,
trong đó Sp và Sn là các năng lượng tách prôtôn và nơtrôn ra khỏi hạt nhân. Miền
giới hạn hẹp hơn trong miền nói trên gồm các hạt nhân bền và các hạt nhân phóng
xạ β. Trong miền giới hạn hẹp này các hạt nhân bền được biểu diễn bằng cách tô
sẫm hơn, còn các hạt nhân phóng xạ được tô sáng hơn. Chúng ta thấy rằng các hạt
nhân phóng xạ có xu hướng nằm ở hai phía đối hạt nhân bền, trong đó các hạt nhân
phóng xạ β+ nằm ở miền gạch chéo phía trên còn những hạt nhân phóng xạ β- nằm ở
miền gạch chéo phía dưới so với hạt nhân bền.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

12

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên

CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA

Hình 1.4: Biểu đồ các nuclôn đã biết.
Vùng tô sẫm là dải các nuclôn bền, vùng sáng hơn là dải các nuclôn phóng
xạ. Các nuclôn bền, nhẹ về căn bản có số prôtôn và số nơtrôn bằng nhau, nhưng các
nuclôn nặng hơn có số nơtrôn dôi tăng dần.
Cần lưu ý rằng các nuclôn bền, nhẹ nằm sát với đường thằng Z  N , điều này
có nghĩa là chúng có số prôtôn và nơtrôn như nhau. Tuy nhiên, các nuclôn nặng hơn
có xu hướng có nhiều nơtrôn hơn prôtôn. Ví dụ, chúng ta đã thấy ở trên rằng

197

Au

có 118 nơtrôn và chỉ có 79 prôtôn, số nơtrôn dôi là 39.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

13

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
Bảng 1.1: MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CÁC NUCLÔN CHỌN LỌC.

NUCLÔN

1

Z

N

A

ĐỘ BỀN

KHỐI

BÁN

LƯỢNG

KÍNH

(u)

(fm)

NĂNG
LƯỢNG
LIÊN KẾT
(MeV/nuclôn)

H

1

0

1

99,985%

1,007825

_

_

Li

3

4

7

92,5%

7,016003

2,1

5,60

P

15

16

31

100%

30,973762

3,36

8,48

Br

35

46

81

49,3%

80,916829

4,63

8,69

120

Sn

50

70

120

32,4%

119,902199

5,28

8,51

157

Gd

64

93

157

15,7%

156,923596

5,77

8,21

79 118 197

100%

196,966543

6,23

7,91

89 138 227

21,8 năm

227,027750

6,53

7,65

94 145 239 24,100 năm 239,052158

6,64

7,56

7

31
81

197

Au

227

Ac

239

Pu

Các nuclôn được chọn nằm dọc theo dải các nuclôn bền trên hình 1.4.
Đối với các nuclôn bền đó là độ phổ cập đồng vị và đối với các nuclôn phóng
xạ đó là chu kì bán rã của nó.
Theo các tiêu chuẩn thường dùng trong thực tiễn, khối lượng cho ở đây là
khối lượng của nguyên tử trung hòa chứ không phải của hạt nhân.
2.4 Kích thước và hình dạng hạt nhân.
2.4.1. Kích thước hạt nhân.
Người ta có thể coi hạt nhân như một quả cầu bán kính R và xác định bán
kính đó bằng nhiều phương pháp thực nghiệm khác nhau. Sau đây là một vài

phương pháp phổ biến:
2.4.1.1 Khảo sát tán xạ nơtrôn.
Người ta bắn phá hạt nhân bằng đạn nơtrôn năng lượng từ 20 ÷ 50 MeV. Vì
nơtrôn không mang điện nên dễ xuyên thấu vào hạt nhân và vì nơtrôn mang năng
lượng lớn nên nó tương tác mạnh mẽ với hạt nhân. Thực nghiệm cho biết xác suất
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

14

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
xảy ra phản ứng tỉ lệ với tiết diện hình học của hạt nhân R 2 . Do đo được xác suất
phản ứng, ta có thể suy ra được các bán kính R của hạt nhân:
R  10-14m đối với hạt nhân nặng như: Pb, U,….
R  6.10-15m đối với hạt nhân trung bình như: Fe…
2.4.1.2 Khảo sát phản ứng hạt nhân với các hạt tích điện.
Khi bắn phá hạt nhân bằng hạt tích điện, thì giữa hạt nhân và hạt tích điện
xuất hiện lực đẩy Culông. Do đó có thể coi như có một hàng rào thế năng tương tác
làm cho hạt tích điện khó xuyên vào hạt nhân. Nhưng do hiệu ứng đường ngầm, nên
hạt tích điện tuy có năng lượng nhỏ hơn hàng rào thế năng, vẫn có thể xuyên qua
hàng rào thế năng và gây ra phản ứng hạt nhân được. Thực nghiệm cho biết xác suất
gây ra phản ứng đó tỉ lệ với độ xuyên qua hàng rào thế năng.
Từ đó người ta tính được kích thước hạt nhân:
R  1,4.10-15 A1/3m

(1.5)

2.4.1.3 So sánh năng lượng liên kết các hạt nhân gương.
So sánh năng lượng liên kết của các hạt nhân gương, ta thấy hạt nhân nhiều
prôtôn sẽ có năng lượng lớn hơn hạt nhân nhiều nơtrôn, ví dụ: năng lượng liên kết
của 1H3 bằng -8,485 MeV, còn năng lượng liên kết của 2He 3 bằng -7,723 MeV.
Nguyên nhân là vì mỗi khi thay một nơtrôn bằng một prôtôn thì lực đẩy Culông tăng
lên và gây ra một năng lượng phụ bằng

6 Ze 2 1
. Biết hiệu năng lượng liên kết
5 R 4 0

hạt nhân gương, ta sẽ tính được bán kính hạt nhân:
R = 1,3.10-15A1/3m

(1.6)

2.4.1.4 Khảo sát lực hạt nhân.
Các nuclôn tương tác với nhau bằng cách trao đổi mêzôn  . Nơtrôn có thể
nhả mêzôn  âm hoặc nuốt mêzôn  dương để biến thành prôtôn và prôtôn có thể
nhả mêzôn  dương hoặc nuốt mêzôn  âm để biến thành nơtrôn. Như vậy nuclôn
trong hạt nhân có thể ở trạng thái phân ly như sau:
p n +  + ; n p +  - ;
p p +  0 ; n n +  0 ;
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

15

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên

CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
Quá trình phân ly đó xảy ra kèm theo độ biến thiên năng lượng ∆E:
∆E = mc2

(1.7)

Đó là một quá trình tự phát không cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài
vào. Theo cơ lượng tử thì độ biến thiên đó là do tính bất định về năng lượng của hệ
vi mô. Tính bất định đó chỉ tồn tại trong một thời gian:
t =




(1.8)

Vì vậy quá trình phân ly của nuclôn chỉ xảy ra trong khoảng thời gian:
t =


mc 2

(1.9)

Trong khoảng thời gian này, mêzôn  chuyển động với vận tốc bằng vận tốc
ánh sáng và rời khỏi nuclôn một khoảng cách:

r

0

 t.c 


 1,4.10 15 m
2
mc

(1.10)

Khoảng cách đó tượng trưng cho kích thước của đám mây mêzôn bao quanh
nuclôn.Thành ra lực hạt nhân chỉ tồn tại trong phạm vi kích thước đám mây mêzôn.
Nói cách khác, khoảng cách r0 ≈


coi như bán kính tác dụng của lực hạt nhân.
mc 2

Từ đó xác định được bán kính hạt nhân:
R  1,4.10-15 A1/3m

(1.11)

Kết quả là bằng những phương pháp đo khác nhau, người ta thấy kích thước
hạt nhân phù hợp theo công thức thực nghiệm:
R = r0A1/3

(1.12)

Với r0 = (1,2 ÷1,5) 10-15m
Người ta gọi r0 là bán kính điện vì nó xác định kích thước của miền chiếm
bởi các hạt tích điện trong hạt nhân.
Do đó ta đi đến kết luận quan trọng là: thể tích hạt nhân tỉ lệ với số hạt trong
hạt nhân. Nói cách khác, mật độ khối lượng hạt nhân là không đổi với mọi hạt nhân.
Nếu ký hiệu mật độ khối lượng hạt nhân là ρ, ta có:

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

16

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA



=

mp A
M hatnhan

4 3
4
R
 (1,5) 3 A.10 15
3
3

1,67.10 27

4
 (1,5) 3 .10 45
3

3
 1014 tấn/m

Ta thấy mật độ khối lượng hạt nhân cực kì lớn. Thực tế, thực nghiệm đã
chứng minh rằng khối lượng hạt nhân không phân bố đều mà tập trung ở giữa tạo
thành lõi, còn ở lớp ngoài mặt, mật độ khối lượng giảm nhanh, nhưng không đột
ngột.

Hình 1.5: Phân bố mật độ vật chất trong hạt nhân nguyên tử.
2.4.2 Hình dạng hạt nhân.
Trước những năm 1950 hạt nhân được coi là có dạng hình cầu. Từ năm 1950
người ta chứng minh được rằng nhiều hạt nhân có dạng lệch khỏi đối xứng cầu.
Bằng chứng trực tiếp và thuyết phục nhất về sự tồn tại các hạt nhân không có dạng
hình cầu là sự có mặt các dải quay trong phổ các hạt nhân chẵn – chẵn. Dải quay là
một chuỗi các mức tuân theo hệ thức sau đây giữa năng lượng và spin:
EJ 

 2 J ( J  1)
2I

(1.13)

Trong đó I là mômen quán tính của hạt nhân đối với trục đối xứng và J là
spin hạt nhân. Nếu hạt nhân hoàn toàn đối xứng thì không có phương ưu tiên, do đó

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

17

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên


CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
spin bằng không. Còn khi hạt nhân mất đối xứng theo một trục nào đó thì spin của
hạt khác không. Trong trường hợp bất đối xứng đó năng lượng kích thích đó do sự
quay của hạt nhân được xác định theo công thức trên, có giá trị khác không. Đối với
hạt nhân chẵn – chẵn, các giá trị spin bằng J = 0, 2, 4, 6, 8,…Trên hình 1.6 trình bày
một số ví dụ của dải quay, đó là phổ các mức thấp nhất của hạt nhân 72Hf180.

Hình 1.6: Phổ quay của hạt nhân 72Hf180.
Chú thích: Các vạch ngang đậm là các mức năng lượng thực nghiệm còn các
gạch ngang không liên tục được tính theo công thức trên. Các số cột bên trái: Năng
lượng keV. Các số cột bên phải: Spin và chẵn lẻ.
Như vậy các hạt nhân có spin khác thông thường có dạng không đối xứng
cầu. Ngoài phổ quay, tính không đối xứng cầu còn thể hiện ở sự có mặt mômen tứ
cực điện Q. Thông thường các hạt nhân ở trạng thái cơ bản có dạng hình cầu hay
elip tròn xoay, còn ở trạng thái kích thích, chúng có dạng phức tạp hơn.
2.5. Năng lượng liên kết hạt nhân.
2.5.1 Đơn vị đo khối lượng và năng lượng.
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

18

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên

CẤU TRÚC HẠT NHÂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH
CỦA KỸ THUẬT HẠT NHÂN Ở NƯỚC TA
Để đo khối lượng trong vật lý hạt nhân người ta dùng đơn vị khối lượng
nguyên tử u, bằng

1
khối lượng nguyên tử đồng vị 6C12:
12

Do hệ thức Einstein E = mc2, đơn vị khối tính theo kg tương ứng với đơn vị
khối lượng tính theo MeV là:
1u = 931,502 MeV
Bảng sau dẫn ra khối lượng của một số hạt như prôtôn, nơtrôn, alpha,…
Bảng 1.2: KHỐI LƯỢNG VÀ NĂNG LƯỢNG TƯƠNG ỨNG
CỦA VÀI HẠT NHÂN.
Khối lượng

Hạt
u

Kg

MeV

Prôtôn

1,00728

1,6724.10-27

938,23

Nơtrôn

1,00867

1,6748.10-27

939,53

Doton

2,01335

3,3325.10-27

1875,5

Hạt alpha

4,00047

6,6444.10-27

3726,2

2.5.2 Năng lượng liên kết.
Theo lý thuyết tương đối (quy tắc tương đương giữa khối lượng và năng

lượng), độ hụt khối nhân với bình phương vận tốc ánh sáng bằng năng lượng liên kết
của hệ Eh  Mc 2 . Về mặt vật lý, để phân chia một hệ liên kết, ta phải có một năng
lượng cần thiết để thắng các lực lượng liên kết các thành phần của nó với nhau.
Tương tự, năng lượng này được giải phóng khi tổng hợp một hệ từ các thành phần.
Vậy độ hụt khối tồn tại không chỉ trong trường hợp hạt nhân mà cả trong trường hợp
nguyên tử. Khối lượng nguyên tử nhỏ hơn tổng khối lượng của hạt nhân và của tất
cả các điện tử. Song do năng lượng liên kết của các điện tử trong nguyên tử là vài
bậc nhỏ hơn năng lượng liên kết của các nuclôn trong hạt nhân, độ hụt khối của
nguyên tử có thể bỏ qua. Vậy năng lượng liên kết của hạt nhân cho bởi công thức:
Eh  Mc 2   Zm p  Nmn  M hm  c 2

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

19

(1.14)

SVTH: Phạm Thị Mỹ Tiên