VẬT LÝ HẠT NHÂN

VẬT LÝ HẠT NHÂN

I. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
1. Những tính chất cơ bản của hạt nhân
2. Tương tác giữa các nơtrôn và prôtôn
3. Lực tuơng tác hạt nhân
II. SPIN HẠT NHÂN
III. MÔMEN TỪ HẠT NHÂN
IV. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
V. HIỆN TUỢNG PHÓNG XẠ
1. Sự phóng xạ tự nhiên
2. Ðịnh luật phóng xạ
VI. SỰ PHÂN RÃ HẠT BÊTA VÀ HẠT NƠTRINO
VII. SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
1. Năng lượng vỡ hạt nhân
2. Phản ứng dây chuyền của sự vỡ hạt nhân Uran
3. Sự làm chậm nơtrôn bằng va chạm
4. Nguyên tắc lò phản ứng
VIII. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH
1. Ðiều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch
2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ
3. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển
4. Phương pháp sử dụng thực tế năng lượng phản ứng nhiệt hạch
BÀI TẬP
TRẮC NGHIỆM
I. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
1. Những tính chất cơ bản của hạt nhân
Hạt nhân đồng vị
Ðó là những hạt nhân bằng nhau về số Z nhưng khác nhau về số N (tức là khác nhau vế số
khối A)
Ví dụ: Hydrogen có ba đồng vị là:

Hạt nhân cùng khối lượng
Ðó là những hạt nhân có cùng số khối A nhưng khác nhau về điện tích hạt nhân Z:
Hạt nhân gương
Ðó là những hạt nhân có cùng số khối A nhưng số Z của hạt nhân đầu bằng số N
của hạt nhân sau. Ví dụ
Kích thước hạt nhân:
Qua nhiều phương pháp đo bán kính của hạt nhân như:
2. Tương tác giữa các prôtôn và nơtrôn
3. Lực tương tác hạt nhân
Hạt nhân có cấu trúc khá bền vững vì lý do các nuclon trong hạt nhân luôn hút nhau
bằng những lực rất mạnh. Ðặc điểm của các lực này là:
@- Lực hạt nhân là những lực tác dụng ngắn trong khoảng cách vài Fecmi và lực
này giảm rất nhanh khi bán kính tiến về không.
@- Lực naöy không phụ thuộc vào diện tích tác dụng của các hạt nuclôn.
@- Lực có tính bảo hòa: Nghĩa là mỗi một nuclôn chỉ tương tác với một nuclôn kế
cận mà không tương tác với nhiều nuclôn đồng thời.
@- Lực hạt nhân xảy ra do sự trao đổi Mêzôn theo những khả năng sau:
@- Thí nghiệm tán xạ của nơtrôn nhiệt có năng lượng cỡ 3 đến 10 eV với nguyên
tử Hydrogen có 2 prôtôn mà Spin là song song và đối song cho thấy:
Tỷ số xác suất tán xạ với nguyên tử Hydrogen có 2 prôtôn có Spin song song lớn
gấp 30 lần xác suất tán xạ với nguyên tử Hydrogen với 2 prôtôn có Spin là đối song. Ðiều
này dẫn đến kết luận là tương tác hạt nhân là một loại tương tác mạnh phụ thuộc nhiều vào
sự định hướng tương hổ của mômem Spin của các hạt tương tác; Tương tác này khác với
tương tác hấp dẫn và cũng khác với tương tác điện từ.
II. SPIN HẠT NHÂN
Giống như electron hạt nhân gồm những nuclôn mà mỗi hạt đều có Spin S (trị riêng
là s =1/2) bởi vì electron chuyển động tự quay quanh nuclôn.
Nuclôn cũng có mômem xung lượng quỹ đạo vì nó chuyển động xung quanh nhân:
Gía trị j gọi là lượng tử Spin của hạt nhân hay gọi tắt là Spin hạt nhân.
Nếu số khối A của nguyên tử là số chẳn thì hàm sóng mô tả trạng thái của nguyên

tử là hàm đối xứng lúc đó Spin sẽ là các số nguyên 1, 2, 3...
Nếu số khối A của nguyên tử là số lẻ thì hàm sóng mô tả trạng thái của nguyên tử
là phản đối xứng lúc đó Spin sẽ là bán nguyên 1/2, 3/2, 5/2...
III. MÔMEN TỪ HẠT NHÂN
Tương tự như electron, hạt nhân cũng có momen từ riêng ứng với mômen spin của
nó. Theo nguyên lý Pauli, hạt nhân có mômem từ riêng nên nó sẽ tác dụng với từ trường
tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ, làm sinh ra năng lượng phụ E của electron
ở lớp vỏ.
Do tương tác với từ trường được tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ
nên năng lượng phụ E phụ thuộc vào trị số mômen từ hạt nhân và sự định hướng của từ
trườìng hạt nhân đối với tứ trường electron. Theo tính toán lý thuyết, Pauli cho rằng:
mômen từ của hạt nhân chỉ định hướng theo một số phương nhất định so với từ trường của
electron hóa trị. Thế nên năng lượng (E chỉ nhận một số gía trị gián đoạn. Số gía trị này
phụ thuộc vào trị số Spin của hạt nhân. Khỏang cách giữa các mức năng lượng tùy thuộc
vào mômen từ hạt nhân.
Lưu ý: vì hạt nhân có hai loại hạt: Prôtôn mang điện dương nên có mômen từ quỹ
đạo. Hạt nơtrôn không mang điện, nên chỉ có mômen từ Spin. Như vậy mômen từ của hạt
nhân bằng tổng mômen từ Spin của tất cả hạt nuclôn cộng với tổng mômem từ quỹ đạo của
các prôtôn:
Số hạng thứ nhất ở vế phải của biểu thức 5.4 là tổng mômen từ quỹ đạo của các
prôtôn thứ i. Số hạng thứ hai ở vế phải của biểu thức 5.4 là tổng mômen từ Spin của các
prôtôn thứ i. Số hạng thứ ba ở vế phải 5.4 là tổng mômen từ Spin của các nơtrôn thứ i.
Ðơn vị mômen từ hạt nhân có tên là Magheton hạt nhân có gía trị bằng:
IV. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
Vì khối lượng có liên hệ với năng lượng theo công thức:
nên đôi khi người ta biểu diễn đơn vị của khối lượng là đơn vị của năng lượng là eV.
Ví dụ: khối lượng của electron là:
Khi tạo thành hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của một hạt nhân được hình
thành thì luôn luôn nhỏ hơn khối lượng của tổng các nuclôn riêng lẻ tạo nên hạt nhân đó.
Sự sai lệch về khối lượng đó gọi là độ hụt khối lượng m:

trong đó M là khối lượng của hạt nhân mới hình thành.
Ðiều này được giải thích như sau: Khi các nuclôn kết hợp lại thành một hạt nhân,
nó cần có một năng lượng để kết dính các nuclôn. Năng lượng này gọi là năng lượng liên
kết. Ðể tạo ra năng lượng liên kết một phần khối lượng của các nuclôn thành phần tham
gia kết dính sẽ phải mất đi dưới dạng năng lượng. Vậy năng lượng liên kết có thể tính như
sau :
Ngược lại, từ một hạt nhân muốn phân nó ra thành các nuclôn thành phần, ta phải
cung cấp một năng lượng E đúng bằng năng lượng liên kết.
Ðể so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính năng lượng liên kết riêng
đối với một nuclôn và ta gọi tên nó là năng lượng liên kết riêng:
Nếu năng lượng liên kết riêng càng lớn, thì năng lượng cung cấp làm phân rã hạt
nhân càng cao, vì thế hạt nhân đó được gọi là hạt nhân bền. Ngược lại, nếu năng lượng liên
kết riêng càng nhỏ hạt nhân được gọi là hạt nhân không bền.
Ðồ thị biểu diễn năng lượng liên kết theo số khối A của các nguyên tử được vẽ theo
thực nghiệm như hình 5.1, dựa theo đồ thị ta thấy:
Trong các hạt nhân nặng thì năng lượng liên kết lại giảm bởi vì lúc này số prôtôn
trong hạt nhân tăng lên nên lực đẩy Coulomb giữa các Prôtôn mang điện cũng tăng lên
làm cho năng lượng liên kết bị giảm xuống.
V. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ
1.Sự phóng xạ tự nhiên
Thời trung cổ các nhà giả kim thuật đã tốn nhiều công sức để cố gắng biến đổi
nguyên tố hóa học này thành nguyên tố hóa học khác. Mục đích thật sự của họ là sản xuất
ra các kim loại qúi như vàng, bạc, bạch kim. Họ không thành công vì cơ sở khoa học vào
thời đó còn qúa yếu kém. Tuy nhiên, thực tế thì hạt nhân của nguyên tử không phải là bất
biến mà có thể biến đổi thành các hạt nhân khác, thậm chí ở những điều kiện bình thường.
Năm 1892 nhà vật lý học người Pháp Becquerel (đạt giải thưởng Nobel năm 1903)
quan sát thấy muối Uran (Z=92) và những hợp chất của nó phát ra các tia phóng xạ. Phân
tích các tia phóng xạ người ta thấy có 3 loại tia phóng xạ là:
Tính chất tia phóng xạ
Các tia phóng xạ đều có một số tính chất giống nhau như có thể kích thích để tạo ra

một số phản ứng hóa học, có thể ion hóa một số chất khí và có khả năng xuyên thấu một số
chất. Các tia phóng xạ đều có năng lượng ( gồm động năng các hạt và năng lượng sóng
điện từ).
Khả năng xuyên thấu một số chất tuân theo bảng phân loại
sau:

Tính chất của quá trình phóng xạ tự nhiên
Quá trình phóng xạ tự nhiên tuân theo điều kiện chuyển hạt nhân từ trạng thái
không bền vững (tức là có mức năng lượng lớn) sang trạng thái bền vững hơn ( trạng thái
có mức năng lượng thấp hơn).
Kết luận : hiện tượng phóng xạ tự nhiên là một qúa trình biến đổi hạt nhân mà tổng
khối lượng sau phản ứng bị giảm và sinh ra năng lượng, năng lượng đó trở thành động
năng của hạt chuyển động.
2. Ðịnh luật phóng xạ tự nhiên
Ví dụ
Chất phóng xạ Iot (Z=53, A= 131) dùng trong y tế có chu kỳ bán rã là 8 ngày
đêm. Nếu lúc đầu ta có 200 g chất này, thì sau hai tuần lễ ta còn lại là bao nhiêu gam?