bài giảng vật lý hạt nhân cơ sở

VẬT LÝ HẠT NHÂN CƠ SỞ
GS.TS.TSKH. Phan Sỹ An
Trường Đại học Y Hà Nội


MỤC TIÊU
1. Phân tích được cấu tạo ng tử và hạt nhân ng tử để

hiểu rõ bản chất HT phóng xạ, các dạng phân rã, quy
luật phân rã px.
2. Phân biệt được các loại tia phóng xạ: nguồn gốc,

bản chất, các đặc điểm của tia phóng xạ.
3. Vận dụng các cơ chế và đặc điểm của tương tác

giữa các tia và vật chất để hiểu rõ các kỹ thuật ghi đo
px, các biện pháp để phòng tránh tác hại của tia
phóng xạ (an toàn bức xạ ).


CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - MẪU HÀNH TINH NGUYÊN TỬ

Nguyên Tử:
- Mọi vật đều do các phần tử hết sức nhỏ bé riêng rẽ hợp
thành: Nguyên tử.
- Nguyên tử là phần tử nhỏ bé nhất không thể chia cắt
được.
- Nguyên tử có cấu tạo phức tạp gồm các electron mang
điện âm và hạt nhân mang điện dương.

:

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - MẪU HÀNH TINH NGUYÊN TỬ
Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutheford (1911):
- Ở tâm nguyên tử có một hạt nhân mang điện dương kích
thước rất nhỏ d= 10-13 – 10-12cm.
- Các electron mang điện âm quay xung quanh hạt nhân.
- Điện tích dương của hạt nhân = đúng tổng số điện tích âm.

:




Valence electron

-

-

-

-

+ ++
+
+
+
+
++

-

K-shell (n=1, strongly bound)

-

L-shell (n=2)

-

-

M-shell (n=3, weakly bound)

...



Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
- Proton (P): Là hạt mang điện dương giá trị tuyệt đối bằng
điện tích cơ bản electron q=1,6.10-19
Có m = 1,00759 đvnt (m của hạt nhân H nhẹ)

- Nơtron (N): Là hạt trung hoà điện có m>m của prôton
= 1,00898 đvnt;
1đvnt = 1,66 . 10-24g)


Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

Số Proton trong hạt nhân đúng bằng số Z của nguyên tố
(số thứ tự trong bảng tuần hoàn M).
Tổng các nucleon là số khối của hạt nhân ký hiệu là A.
Số A= P+N.
Những hạt nhân có cùng số P(Z) nhưng số N khác nhau
thì được gọi là những hạt nhân đồng vị
Hiện nay ta có hơn 300 đv tự nhiên và gần 1000 đvpx
nhân tạo





Đồng vị


Nguyên tố
Hydro

Nguyên tử số

Đồng vị

01

Tỉ lệ % trong thiên nhiên

2

H

H
3
H

99,984
0,0156
rất ít

1

Heli

02

3

He
4
He

1,3 x 10-4
∼ 100

Cacbon

06

12

C

C
14
C

98,892
1,108
rất ít

13

Nit¬

07

N
N

99,636
0,364

17

O
O
18
O

99,759
0,037
0,204

14
15

Oxy

08

16

Natri

11

22

Na

100,00

Phospho

15

31

P

100,00

Clo

18

Cl
Cl

75,40
24,60

39

K
K
41
K

0,01
93,08
6,91

Fe
Fe
57
Fe
58
Fe

5,90
91,52

2,24
0,34

36
37

Kali

Sắt

19

40

26

54
56

Iot

53

127

I

100,00

Vµng

79

197

Au

100,00


Phản ứng hạt nhân

- Muốn biến đổi một hạt nhân bền thành một hạt nhân khác
cần phải bắn phá chúng bằng hạt vi mô hoặc photon.
- Sự bắn phá này dẫn đến sự bất cân bằng tạm thời trong hạt
nhân bia. Đó là phản ứng hạt nhân.
- Tóm tắt một phản ứng hạt nhân như sau:
a+A  b+B hoặc có thể viết A(a,b)B


Phản ứng hạt nhân

-

Hạt bắn phá thường là p, n, đơtêri, alpha, electron…

-

Các hạt phát ra do phản ứng thường là n, p, gamma, alpha

-

Đôi khi phản ứng tạo ra các hạt nhân bị phân chia
(ký hiệu f) tạo thành hai hạt nhân mới nhẹ hơn.


Ký hiệu các phản ứng hạt nhân :
(anpha.n); (p.n); (d.n); (n.n); (gamma.n)
(anpha.p); (p.p); (d.p); (n.p); (gamma.p )
(anpha.gamma); (p.gamma); (d.gamma); (n.gamma)
(anpha.f); (p.anpha); (d.anpha); (n.anpha); (gamma.f)
(p.f); (d.f); (n.f)
• Năm1919 Rơdepho dùng hạt anpha của Radi bắn phá

nguyên tử Nitơ
• Năm 1932 Marie và Cuire thực hiện 1 phản ứng đầu
tiên thu nhận đươc hạt n (Vd5)


• Người ta đã ứng dụng p/p này để sản xuất đvpx

nhân tạo.
• KQ phản ứng tuỳ thuộc vào hạt nhân của đv bền,

bản chất và E của hạt bắn phá.
• Nơtron không cần có động năng lớn mới đột nhập

được vào hạt nhân nguyên tử.
• Nơtron càng chậm càng có nhiều khả năng gây ra

phản ứng hạt nhân vì xác suất tương tác với hạt
nhân tăng lên.


• Có thể làm chậm nơtron bằng nhiều môi trường

khác nhau.
• Các nguồn thu nơtron chủ yếu từ lò phản ứng hạt

nhân.
• Ngày nay,các hạt mang điện như e,p,d…còn được

dùng làm “đạn” bắn phá. Máy gia tốc đã cung cấp
cho chúng động năng cần thiết đó có thể đạt tới
hàng vạn MeV.


Hiện tượng phóng xạ
• 1892 Becquerel quan sát thấy hợp chất muối Uran phát ra
các tia không nhìn thấy và có sức đâm xuyên khá mạnh.
• Dùng p/p điện từ trường phân tích thấy chùm tia có 3 loại:
tia anpha mang điện +, tia bêta mang điện -, tia gamma
không mang điện tương tự tia X.
• Các n/c chứng tỏ chùm tia đó phát ra từ hạt nhân chứ
không phải từ lớp vỏ nguyên tử.


Định nghĩa

- Là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự biến đổi để trở thành

hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác,
- Hoặc từ 1 trạng thái E cao về 1 trạng thái E thấp hơn
- Đồng thời hạt nhân phát ra các tia px.


CÁC DẠNG PHÂN RÃ PX
Có 4 dạng phân rã Px:
a. Phân rã bêta âm (negatron):
•Xảy ra với những đv có số n nhiều hơn số p. Quá trình
này biến 1n thành 1p đồng thời phát ra 1 hạt electron (hạt
bêta).
•Ví dụ: Phân rã của P-32 phát bêta thuần tuý được sử
dụng nhiều trong y học.
•Bức xạ bêta âm dẫn đến việc tăng diện tích hạt nhân lên
một đv nhưng không làm thay đổi số khối của nó.


CÁC DẠNG PHÂN RÃ PX
1.2.1. Định nghĩa hiện tượng phóng xạ
1.2.2 Các dạng phân rã phóng xạ. Bản chất các tia PX
a. Phân rã bêta âm - negatron (β-):

Α
z

X

32
15

(14,2 ngày)

P

β-

β- (1,71 MeV)
100%
Α
y +1

Y

32
16

S


CÁC DẠNG PHÂN RÃ PX
b. Phân rã bêta dương (Positron):
- Xảy ra ở những đv có số p nhiều hơn số n.Quá trình biến 1
p thành 1 n đồng thời phát ra hạt Positron.
- Hạt Positron có khối lượng bằng khối lượng e, nhưng mang
điện dương.
- Phân rã bêta dương dẫn đến việc giảm điện tích hạt nhân đI
1đv nhưng không làm thay đổi số khối của nó.