SÁCH DỊCH : MEDICAL IMAGING PHYSICS

SÁCH DỊCH MEDICAL IMAGING PHYSICS Chương 2 Từ trang 11 đến trang 25 MỤC LỤC Contents Chương 2 Cấu trúc của vật chất 1 1 Mục đích 2 2 Nguyên tử 2 a Cấu trúc nguyên tử 3 b Sự mô tả electron trong cơ học lượng tử 6 c Năng lượng liên kết và mức năng lượng của electron 7 d Chuyển tiếp electron, phát xạ đặc trưng và Auger 11 e Hiệu suất phát quang 14 3 Chất rắn 15 4 Siêu dẫn 16 5 Hạt nhân 17 a Mức năng lượng hạt nhân 17 b Năng lượng hạt nhân đóng 20 6 Sự phân hạch và hợp nhất hạt nhân 21 7 Spin hạt nh.

SÁCH DỊCH : MEDICAL IMAGING PHYSICS Chương 2: Từ trang 11 đến trang 25 MỤC LỤC Contents CHƯƠNG CHƯƠNG : CẤU TRÚC CỦA VẬT CHẤT Hình 2-1 : Cấu hình electron mơ hình Bohr ngun tử Kali (z = 19) Lịch sử ngắn cho thấy tồn nguyên tử : 400-300 B.C : Demokritos Trường Epicurean Hy Lạp đấu tranh cho tồn nguyên tử sở triết học 300 B.C.- 1800s Aristotelian xem vật chất chiếm ưu 1802 Dalton mô tả định luật tỉ lệ chất phản ứng hóa học 1809 Gay-Lussac phát thay đổi thể tích chất khí 1811: Avogadro đưa giả thuyết tồn số nguyên tử khối đặc trưng nguyên tố hay hợp chất 1833 Faraday giải thích tỉ lệ nguyên tố phương pháp điện phân 1858: Cannizaro công bố liệu khối lượng nguyên tử nguyên tố 1869-1870: Meyer Mendeleev xây dựng bảng tuần hoàn 1908: Perrin chứng minh việc chuyển giao lượng từ nguyên tử với hạt nhỏ dung dịch, nguyên nhân tượng gọi chuyển động Brown, dẫn đến nguồn gốc xác số Avogadro Mục đích Sau hồn thành chương này, bạn đọc : • • • • Định nghĩa : nguyên tố, nguyên tử, phân tử hợp chất Mô tả cấu trúc vỏ electron nguyên tử Giải thích ý nghĩa electron lượng liên kết hạt nhân So sánh mức lượng điện tử vật rắn : - Chất dẫn điện - Chất cách điện - Chất bán dẫn • Mơ tả tượng siêu dẫn • Liệt kê lực • Giải thích phản ứng hạt nhân kết phản ứng hạt nhân giải phóng lượng • Nêu rõ nguồn gốc mơmen từ hạt nhân • Định nghĩa - Chất đồng vị - Chất đồng phân Nguyên tử Một nguyên tố tinh khiết bao gồm loại nguyên tử Hợp chất hóa học tạo thành từ nhiều loaij nguyên tử Bên ngun tử có cấu trúc phức tạp Ngun tử đơn vị nhỏ chất mà giữ tính chất hóa học chất Nó “ khối xây dựng “ chất Trong hợp chất “khối xây dựng “ phân tử gồm nhiều nguyên tử liên kết với lực hút tĩnh điện chia sẻ của electon nhiều hạt nhân Cấu trúc nguyên tử hạt nhân mang điện tích dương, chứa notron trung hịa điện proton mang điện tích dương, bao bọc hay nhiều electron mang điện tích âm Số lượng phân bố electron nguyên tử xác định lên tích chất hóa học nguyên tử Số lượng cấu hình neutron proton hạt nhân định ổn định ngun tử cấu hình electron a Cấu trúc nguyên tử Một đơn vị điện tích 1,6 x 10 -19 Coulomb Mỗi proton electron mang đơn vị điện tích, proton dương cịn electron âm Số đơn vị điện tích dương hạt ( số proton ) gọi số hiệu nguyên tử Z Số nguyên tử định phân loại nguyên tử nguyên tố Hydro nguyên tử số 1, Heli số vv…Nguyên tử trạng thái bình thường trung hịa, số lượng electron bên hạt nhân ( tức điện tích âm nguyên tử ) với số lượng proton ( số điện tích dương ) hạt nhân Các electron định vị mức lượng bao quanh hạt nhân Đầu tiên với n=1 tức lớp vỏ K chứa không electron, n=2 lớp vỏ L chứa không electron, n=3 lớp vỏ M chứa khơng q 18 electron (Hình 2-1) Phân lớp e ngồi ngun tử khơng có nhiều electron Các electron lớp ngồi gọi electron hóa trị xác định lên tính chất hóa học ngun tử Các ngun tử có lớp vỏ ngồi hồn tồn đầy electron phản ứng hóa học Các ngun tử cấu thành nên nguyên tố gọi khí trơ ( helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon ) Mức lượng electron chia thành mức lượng ổn định tách rời Để mơ tả vị trí electron cấu trúc bên hạt nhân nguyên tử, electron gán số lượng tử Số lượng tử n xác định mức lượng bên vỏ nơi electron ( n=1 phân lớp K, n=2 phân lớp L, vv…).Số lượng tử phụ l (số lượng tử obital) xác định mơ men góc electron obital (l = 0, 1, 2, …, n -1) Số lượng tử từ m l xác định định hướng obital nguyên tử không gian đồng thời quy định số obital phân lớp (ml = l , l + 1,…, l 1, l) Số lượng tử Spin ms đặc trưng cho chuyển động xung quanh trục riêng electron (ms=1/2 ms = -1/2) Theo nguyên lý Pauli, số lượng tử cặp electron nguyên tử không trùng nhau, giải thích cho phân bố chúng lớp khác Ví dụ bảng 2-1 biểu diễn số lượng tử vài nguyên tử có số hiệu nguyên tử thấp Ứng với số lượng tử obital l = 0,1,2,3,4,5 xác định bới ký hiệu s, p, d, e, g, h i Ký hiệu gọi “quang phổ” để mô tả vạch phát xạ riêng biệt quan sát ánh sáng phát từ đèn kim loại nóng truyền qua lăng kính Từ năm 1890 trở quan sát quang phổ cung cấp đầu mối quan trọng nghiên cứu lượng liên kết electron kim loại Đến năm 1920 người ta biết vạch quang phổ chia dịng có mặt từ trường Các dòng cho tương ứng với “ obital “ nhóm electron giống quỹ đạo Obital s có dạng hình cầu đối xứng, obital khác khơng Obital p liên kết dọc theo trục khơng gian x, y, z có lượng khác tương ứng với giá trị có m l (-1, 0, 1) Theo nguyên lý loại trừ Pauli, obital chứa electron ( ms =1/2 ms = -1/2) Lớp vỏ K nguyên tử bao gồm obital phân lớp s chứa electron Lớp vỏ L gồm phân lớp 2s 2p, lớp vỏ L làm đầy 2s 2, 2p6 Bảng 2-1 thể nguyên tố heli, cacbon, natri Hình: 2-2 Xác suất vị trí electron nguyên tử hydro mức lượng khác kết hợp số lượng tử số lượng tử obital l A: n = 1, l = 0; B: n = 2, l = 1; C: n = 4, l = Mô hình nguyên tử : - 1907: J J Thompson cải tiến mơ hình “ plum pudding ’’ nguyên tử electron phân bố ngẫu nhiên ma trận điện tích dương phần giống nho kho mơ hình “plum - pudding” 1911 Các thí nghiệm Ruttherford cho thấy tồn tương đối dày của điện tích dương lõi nguyên tử, bao quanh chủ yếu không gian trống với lượng nhỏ electron Tại lớp vỏ electron K, M, L thay A, B, C ? - Giữa năm 1905 1911, nhà vật lý người Anh Charles Barkla đo phát xạ đặc trưng tia X từ kim loại nỗ lực để phân loại chúng theo mức độ đâm xuyên (năng lượng) Đầu cơng trình ơng phát đặt tên B A, năm sau đổi tên K L Các quy ước đặt tên nhanh chóng thơng qua nhà nghiên cứu khác Do lớp vỏ electron xác định K, M, L, N … b Sự mô tả electron học lượng tử Kể từ cuối năm 1920 hiểu electron nguyên tử không hoạt động giống hành tinh nhỏ quay quanh mặt trăng Trạng thái miêu tả xác hơn, thay định nghĩa chúng điểm quỹ đạo với tốc vị trí cụ thể, mà định nghĩa trạng thái tồn chúng miêu tả “ hàm sóng ’’ Hàm sóng khơng thể trực tiếp quan sát, tính tốn thực với chức dự đốn vị trí electron Ngược với tính tốn “ học cổ điên ” đặc tính lực, khối lượng, gia tốc, … cho vào phương trình để đưa số câu trả lời rõ ràng vị trí khơng gian, tính toán xác suất học lượng tử mang lại Tại địa điểm cụ thể không gian, ví dụ, bình phương biên độ sóng hạt mang xác suất mà hạt xuất vị trí Trong Hình 2-2, xác suất dự đốn nhiều mức lượng điện tử xung quanh hạt nhân hydro (một proton nhất) Trong ví dụ này, bóng tối ngụ ý xác suất cao việc tìm kiếm electron vị trí Địa điểm mà xác suất tối đa tương ứng với khoảng mơ hình "vỏ electron" thảo luận trước Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhấn mạnh xác suất tìm thấy electron vị trí khác, chí hạt nhân, khơng phải số khơng kết cụ thể giải thích hình thức định phân rã phóng xạ hạt nhân "chiếm giữ" electron Sự kiện khơng thể giải thích học cổ điển, giải thích học lượng tử • Tóm tắt lịch sử học lượng tử - 1913 Bohr tiến hành mô hình ngun tử, electron chuyển - động quanh hạt nhân theo quỹ đạo trịn 1916-1925: mơ hình Bohr sửa đổi Sommerfeld, Stoner, - Pauli, Uhlenbeck để giải thích rõ phát xạ hấp thụ quang phổ 1925 De Broglie đưa giả thuyết tất vấn đề có tính chất wavelike Năm 1927: Davisson Germer chứng minh electron trải qua - nhiễu xạ, qua chứng minh chúng hoạt động "sóng vật chất." 1925-1929: Born, Heisenberg, Schrodinger mô tả lĩnh vực vật lý, dự đốn hoạt động hạt thực từ phương trình điều chỉnh hoạt động hạt nhân “hàm sóng” c Năng lượng liên kết mức lượng electron Khả liên kết electron hạt nhân xác định nên lượng hấp thụ lượng phát xạ Năng lượng liên kết electron (E b) định nghĩa lượng cần thiết để hoàn toàn tách electron khỏi nguyên tử Khi lượng đo giới vi mô, đơn vị Jun, Kw.h sử dụng Trong giới vi mơ eV đơn vị thích cho lượng Hình 2-3 electron đặt điện cực, electron bị đẩy khỏi điện cực âm, bị hút điện cực dương Động ( lượng chuyển động) electron phụ thuộc vào chênh lệch điện điện cực Một eV động truyền cho electron với chênh lệch điện điện cực 1V Trong hình 2-3B, electron đạt động 10 eV Hình 2-3 : Động electron A: e có động 1eV, B: e có động 10eV Các electron-volt chuyển đổi sang đơn vị khác lượng: eV = 1,6 × 10-19 J = 1,6 × 10-12 erg = 4,4 × 10-26 kW-h Chú ý: 103 eV = keV 106 eV = MeV eV mô tả lượng điện lượng động lực học Năng lượng liên kết electron nguyên tử lượng điện Lực hút hạt nhân với electron lớp vỏ gần lớn so với electron xa Năng lượng liên kết số âm ( viết dấu -), tương ứng với lượng để loại bỏ electron khỏi nguyên tử Năng lượng chênh lệch lớp vỏ lượng để chuyển từ lớp vỏ sang lớp vỏ VD : lượng liên kết cho electron vỏ K hydro -13,5eV vỏ L -3,4 eV lượng cần thiết để di chuyển electron từ vỏ K sang vỏ L (-3,4eV) – (13,5eV)= 10,1eV Lực liên kết electron hạt nhân lớp vỏ nguyên tử có số hiệu nguyên tử Z lớn lớn Sự khác biệt lượng liên kết electron lớp vỏ mô tả số lượng tử phụ (số lượng tử obital), số lượng tử từ, số lượng tử spin l, ml, ms Sự kết hợp số lượng tử cho phép học lượng tử cung cấp lớp phụ (LI- LIII) lớp vỏ L, lớp phụ ( MI – MV) lớp vỏ M, chênh lệch lượng lớp phụ nhỏ so sánh với chênh lệch lớp vỏ Những chênh lệch quan trọng chuẩn đốn hình ảnh, họ giải thích số đặc tính quang phổ phát xạ ống tia x Bảng 2-2 giá trị lượng liên kết lớp vỏ K, L số nguyên tố Chất rắn Các electron nguyên tử riêng lẻ có lượng liên kết mô tả học lượng tử Khi nguyên tử liên kết với thành chất rắn, mức lượng thay đổi electron tác dụng lẫn Các nguyên tử có số mức lượng lượng tử , chất rắn có số mức lượng Các mứa lượng chất rắn gọi dải lượng Và giống nguyên tử “ lỗ trống ” tồn trạng thái lượng cho phép nguyên tử đơn lẻ không lấp đầy lấp đầy electron Các dải lượng chất rắn xác định kết hợp nguyên tử tạo nên chất rắn phần lớn tính chất vật liệu nhiệt độ, áp suất … Hai dải lượng electron chất rắn mô tả hình 2-7 Các dải lượng thấp gọi vùng hóa trị, bao gồm electron liên kết chặt chẽ cấu trúc hóa học vật liệu Các dải lượng cao gọi vùng dẫn, gồm electron liên kết tương đối lỏng lẻo với Electron vùng dẫn di chuyển vật liệu tạo thành dịng điện theo điều kiện thích hợp Nếu khơng có electron vùng dẫn vật liệu cung cấp dịng điện điều kiện bình thường Khi có đủ lượng truyền cho electron vùng hóa trị làm kích thích vùng dẫn, sau vật liệu sinh dịng điện Hình 2-7 : Sơ đồ mức lượng chất rắn Một electron từ vùng hóa trị vào vùng dẫn di chuyển tự vật liệu để tạo dòng điện Chất rắn chia thành loại dựa sở chênh lệch lượng electron vùng hóa hóa trị vùng dẫn Trong dây dẫn có khác biệt nhỏ lượng vùng Electron liên tục làm tăng lên từ vùng hóa trị vào vùng dẫn va chạm thường xuyên electron Trong chất cách điện vùng hóa trị vùng dẫn ngăn cách khe hở ( gọi vùng cấm ) 3eV Trong điều kiện này, vật liệu cung cấp đủ lượng để thúc đẩy electron từ vùng hóa trị vào vùng dẫn Do chất cách điện khơng cho dịng điện qua điều kiện bình thường Nếu vùng cấm vật liệu từ đến 3eV vật liệu có đặc tính dây dẫn chất cách điện gọi chất bán dẫn, chất dẫn điện điều kiện định hoạt động chất cách điện điều kiện khác Chất bán dẫn có nhiều ứng dụng việc phát xạ trình bày chương Siêu dẫn Trong dây dẫn, cần lượng để thúc đẩy electron vào vùng dẫn Tuy nhiên, chuyển động tự electron vùng dẫn không bảo đảm Khi electron di chuyển chất rắn chúng có tác động qua lại với electron khác Tại lần va chạm phần lượng từ nguyên tử phân tử chuyển qua dạng nhiệt Chuyển đổi lượng xem lượng bị mát (“điện trở”) Đôi tổn hao mục đích chuyển đổi ví dụ dây tóc ống tia X Trong số tài liệu, điều kiện đó, khơng có điện trở cản dịng electron Những vật liệu gọi chất siêu dẫn Trong chất siêu dẫn việc thông qua electron làm rối loạn cấu trúc vật liệu cách để khuyến khích di chuyển electron đến sau khoảng thời gian xác Việc thơng qua electron thiết lập dao động thiết lập dao động điện tích dương vật liệu “ kéo theo” electron thứ thông qua Trạng thái so sánh “electron lướt ” electron quét dọc electron khác tạo thành “cặp Cooper” Cặp Cooper không gần Trong thực tế nhiều electon khác tách rời cặp Cooper Cặp electron Cooper cặp với electron khác Nó chứng minh mặt toán học cho chuyển động xảy xen kẽ cac electron chuyển động Bằng cách electron không va chạm ngẫu nhiên với khơng hao phí lượng Thay vào di chuyển khơng có điện trở Các dịng siêu dẫn tiếp tục nhiều năm mà không cần thêm lượng Nhiều loại vật liệu thể tính siêu dẫn làm lạnh đến nhiệt độ khoảng vào độ K ( nhiệt độ phòng 295 oK) Hạ thấp nhiệt độ số chất rắn kích thích tính siêu dẫn cách giảm chuyển động phân tử, qua làm giảm động vật liệu 26 nguyên tố hàng ngàn hợp kim hợp chất có tính chất Duy trì vật liệu nhiệt độ thấp cần có Heli hóa lỏng chất làm lạnh Heli hóa lỏng 23oK tương đối đắt thường cắt điện với điều kiện môi trường với chất làm lạnh Nitơ lỏng Về mặt lý thuyết bị nghi ngờ nhiều năm siêu dẫn tồn số vật liệu nhiệt độ cao đáng kể, chí nhiệt độ phịng Vào tháng riêng năm 1986, Bednorz Muller phát chất gốm mà yếu tố cấu thành Lantan, đồng, Bari, Oxit kim loại, chất siêu dẫn nhiệt độ lên tới 35oK Với phát siêu dẫn đạt nhiệt độ Heli lỏng Phát mở phương pháp để làm lạnh rẻ thuận tiện Sau số đồ gốm khác có tính siêu dẫn nhiệt độ lên đến 135 oK Hiện khơng có lời giải thích thỏa đáng lý thuyết cho siêu dẫn gốm Kỷ lục cho thấy nhiệt độ siêu dẫn cao kim loại 39 oK Trong nhiệt độ không cao đạt số loại gốm, vật liệu dễ dàng để tạo thành dây dẫn Những vật liệu có tiềm lớn để sản xuất dây dẫn “hoàn hảo” ( tức khơng có điện trở ) thích hợp cho sử dụng hàng ngày Nó có tác động sâu sắc vào việc thiết kế mạch điện động Là cách mạng hóa lĩnh vực khác khoa học máy tính, vận chuyển, y học bao gơm X quang Hạt nhân a Mức lượng hạt nhân Hạt nhân nguyên tử bao gồm loại hạt, gọi chung nucleon Proton mang điện tích dương có khối lượng gần nửa khối lượng hạt nhân Điện tích proton +1,6 x 10-19 culơng, có độ lớn với điện tích electron ngược dấu Số proton hạt nhân với số hiệu nguyên tử Khối lượng proton 1,6734 x 10-27 kg Loại hạt thứ nucleon Neutron không mang điện tích có khối lượng 1,6747 x 10-27 kg Bên ngồi hạt nhân Neutron khơng ổn định phân rã thành proton, electron phản neutron(xem chương 3) Chu kỳ bán rã trình chuyển đổi 12.8 phút Số neutron hạt nhân N, số khối A hạt nhân số nucleon (proton + neutron) Số khối A = Z + N Để biểu thị thành phần hạt nhân người ta dùng: Ở X ký hiệu ngun tố hóa học ( ví dụ : H, He, Li ) A, Z định nghĩa Số hiệu nguyên tử Z có mối liên hệ với ký hiệu hóa học X ví dụ : Z=6 ký hiệu hóa học ln C, nguyên tố carbon Biểu diễn khối lượng hạt nguyên tử với đơn vị kg khó sử dụng số nhỏ địi hỏi phải có ký hiệu hóa học Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu) đơn vị thuận tiện cho khối lượng hạt nguyên tử amu định nghĩa 1/12 khối lượng nguyên tử cacbon, có proton, neutron, electron amu = 1.6605 × 10-27 kg Mơ hình vỏ hạt nhân giới thiệu để giải thích tồn trạng thái lượng hạt nhân riêng biệt Trong mô hình này, hạt nucleon xếp vỏ hạt nhân tương tự electron cấu trúc hạt nhân nguyên tử Hạt nhân bền vững chúng chứa 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, hay 126 proton hay số tương tự neutron Những số gọi số ma thuật lấp đầy vỏ hạt nhân Hạt nhân với số lẻ neutron proton có xu hướng bền so với hạt nhân có số chẵn neutron proton Các cặp nucleon tương tự làm tăng ổn định hạt nhân Dữ liệu bảng giải thích cho giả thuyết Proton có “giống ” vật (có điện tích dương) đẩy lực đẩy tĩnh điện Câu hỏi đặt , làm mà hạt nhân gắn kết lại với nhau? Câu trả lời proton gần lực hấp dẫn đến sử dụng, lực gọi “lực hạt nhân mạnh ” lực lớn lực đẩy tĩnh điện đến 100 lần Tuy nhiên hoạt động khoảng cách bậc độ lớn đường kính hạt nhân Do proton lại với hạt nhân Một hạt nhân tổ hợp cách buộc proton cần thiết phải tiêu tốn lượng để vượt qua lực đẩy tĩnh điện Neutron, khơng có điện tích tĩnh điện, không vượt qua lực điện tĩnh Do vậy, việc thêm neutron vào hạt nhân cần lượng Tuy nhiên neutron bị ảnh hưởng “lực hạt nhân yếu” Các lực hạt nhân yếu gây thay đổi neutron cách tự nhiên cộng với proton thành hạt có khối lượng gần khơng gọi neutrino Việc chuyển đổi ngược lại, proton thành neutron cộng với neutrino, xảy Các trình gọi phân rã beta, mô tả chi tiết chương Lực thứ tư “bốn lực bản” tự nhiên, trọng lực bị lu mờ lực khác nguyên tử , đóng vai trị khơng có ổn định bất ổn hạt nhân Các điểm mạnh tương đối “bốn lực” sau : Ba lực chứng minh có biểu thị lực giống loạt “lý thuyết thống nhất” thập kỷ gần Việc bổ sung lực thứ tư trọng lực mang lại kỳ hạn cho nhà vật lý “lý thuyết thống Grand” hay GUT b Năng lượng hạt nhân đóng Khối lượng nguyên tử tổng khối lượng neutron, proton, electron Nghịch lý tồn dường lượng liên kết hạt nhân đáng kể so với khối lượng hạt cấu thành nên nguyên tử, thể thông qua tỷ lệ khối lượng lượng mô tả công thức tiếng Einstein E = mc2 Sự khác biệt tổng khối lượng thành phần nguyên tử khối lượng nguyên tử ghép gọi độ hụt khối lượng Khi nucleon riêng biệt chúng có khối lượng riêng Khi chúng kết hợp hạt nhân, phần khối lượng chúng chuyển đổi thành lượng Trong phương trình Einstein, lượng E tỷ lệ với khối lượng m với vận tốc ánh sáng chân khơng, c (2.998 x 108m/sec) bình phương Bởi độ lớn “hằng số” c phương trình Một kg khối lượng tương đương với lượng lớn lượng, 9x1016 Jun, gần tương đương với lượng giải phóng q trình nổ 30 triệu TNT Tương đương với lượng amu : Năng lượng liên kết ( độ hụt khối lượng ) nguyên tử cacbon với proton neutron (ký hiệu C6 12) tính ví dụ 2-2: Example 2-2 : Khối lượng proton = (1,00727 amu) = 6,04362 amu Khối lượng nơtron = (1,00866 amu) = 6,05196 amu Khối lượng electron = (0,00055 amu) = 0,00330 amu Khối lượng thành phần 126C = 12,09888 amu Khối lượng nguyên tử C6 12 = 12,00000 amu Độ hụt khối lượng = 0,09888 amu Năng lượng liên kết nguyên tử 126C = (0,09888 amu) (931 MeV / amu) = 92,0 MeV Hầu tất lượng liên kết gắn liền với hạt nhân C 612 Các lượng liên kết trung bình nucleon C 612 92,0 MeV 12 nucleon hay 7.67 MeV nucleon Trong hình 2-8 trung bình lượng liên kết nucleon vẽ hàm số khối A Sự phân hạch hợp hạt nhân Năng lượng giải phóng hạt nhân có số khối cao phân đơi phân hạch thành phần, phần có lượng liên kết trung bình lớn nucleon hạt nhân ban đầu Những lượng giải phóng xảy phân chia sản xuất sản phẩm Z nhỏ với lượng liên kết trung bình cao nucleon ban đầu Z lớn ( hình 2-8) Sự chuyển tiếp từ trạng thái thấp đến trạng thái cao “năng lượng liên kết nucleon” kết việc giải phóng lượng Nó làm nhớ lại thảo luận trước lượng giải phóng electron chuyển từ L sang K Tuy nhiên lượng có sẵn từ q trình chuyển đổi mức lượng hạt nhân lệnh quan trọng lượng giải phóng q trình chuyển đổi electron Một số hạt nhân với A lớn (ví dụ, 235U, 239Pu, 233U) phân hạch tự phát sau hấp thụ neutron Đối với 235U, phản ứng phân hạch điển hình : 235 92 U + neutron  23692U  9236Kr + 14156Ba + 3neutron + Q Năng lượng giải phóng Q trung bình 200MeV môi phân hạch Năng lượng giải phóng chủ yếu xạ γ, động sản phẩm phân hạch neutron, nhiệt độ ánh sáng Các sản phầm 92 36 Kr 141 Ba gọi 56 phản ứng phân hạch thành phẩm, có tính phóng xạ Nhiều sản phẩm khác sản xuất trình phân hạch Neutron phát q trình phản ứng phân hạch tương tác với hạt nhân 235 U khác tạo khả phản ứng dây chuyền, với điều kiện đầy đủ hàng loạt vật liệu phan hạch (một khối lượng tới hạn ) chứa khối lượng nhỏ Tỷ lệ phân hạch nguyên liệu quy định cách kiểm soát số lượng neutron để tương tác với hạt nhân phân rã Phản ứng phân hạch lò phản ứng hạt nhân kiểm soát cách Kết phân hạch hạt nhân khơng kiểm sốt “vụ nổ nguyên tử” Phân hạch hạt nhân quan sát lần đâu tiên vào năm 1934 thử nghiệm tiến hành Enrico Fermi Tuy nhiên q trình khơng mơ tả cách xác công bố vào năm 1939 phân tích Hahn Strassmann Meitner Frisch Các phản ứng dây chuyền kiểm soát đạt năm 1942 đại học Chicago Quả bom nguyên tử phát nổ vào năm 1945 Alamogordo, New Mexico Một số hạt nhân có khối lượng thấp kết hợp để tạo hạt nhân với lượng liên kết trung bình nucleon lớn so với hạt nhân ban đầu Quá trình gọi phản ứng tổng hợp hạt nhân ( Hình 2-8 ) kèm với việc phát lượng lớn lượng Một phản ứng điển hình : H + 31H  42He + neutron + Q Trong phản ứng đặc biệt Q = 18MeV Để hình thành sản phẩm có lượng liên kết trung bình cao cho nucleon, hạt nhân phải đưa đủ gần mà lực hạt nhân bắt đầu phản ứng tổng hợp Trong trình lực đẩy tĩnh điên phải cẩn vượt qua hai hạt nhân tiến lại gần Hạt nhân di chuyển với vận tốc đủ lớn để vượt qua lực đẩy Vận tốc thích hợp đạt cách nung nóng mẫu thử có chứa hạt nhân với Z thấp nhiệt độ lớn 12 x 10 oK gần tương đương với nhiệt độ khu vực bên mặt trời Nhiệt độ cao đạt trung tâm vụ nổ phân hạch Do hợp (Hydrogen) bom kích hoạt với bom phân hạch Kiểm soát phản ửng tổng hợp hạt nhân chưa đạt quy mơ vĩ mơ có nhiều nỗ lực Spin hạt nhân momen từ Proton neutron hoạt động giống nam châm nhỏ cho có momen từ liên kết với Momen có ý nghĩa nghiêm ngặt vật lý Khi lực tác dụng cờ lê để quay bu lơng (Hình 2-9A) Momen học tăng lên cách tăng chiều dài cờ lê, tác dụng nhiều lực vào cờ lê, kết hợp hai Một momen từ (Hình 2-9B) kết dòng điện mạch đường dẫn theo sau điện tích mạch điện bao gồm điện tích Momen từ tăng cách tăng dịng điện, diện tích hai Momen từ vecto có độ lớn hướng Giống electron, proton có đặc tính gọi “spin” giải thích cách coi proton vật nhỏ quay trục Trong mơ hình proton quay tạo momen từ (Hình 2-9C) Các “vật quay” mơ hình proton có số hạn chế Thứ dự đoán toán học cho giá trị momen từ khơng đo thực nghiệm Từ mơ hình, proton có momen từ gọi Magneton hạt nhân, un: Trong e điện tích proton, h số Planck chia cho 2π , mp khối lượng proton, momen từ up proton, nhiên up = momen từ proton = 2.79 un Các đơn vị Magneton hạt nhân, lượng (electron-volt) đơn vị cường độ từ trường(Gauss), thể thực tế momen từ có lượng định từ trường Nhận xét sử dụng sau để mô tả khái niệm cộng hưởng từ (MRI) Khó khăn thứ hai mơ hình quay proton neutron, hạt tích điện có momen từ Momen từ neutron 1.91un Lời giải thích cho “bất thường” momen từ neutron, giá trị không rõ nguyên nhân momen từ proton neutron proton hạt Thay vào đó, chúng gồm hạt gọi quarks39 có phí phân số mà thêm đến đơn vị điện tích Quarks khơng tồn tên giêng chúng, bị ràng buộc vào proton, neutron, số hạt khác Sự diện phân bố không đồng dạng vật quay quark proton neutron giải thích momen từ quan sát Khi momen từ tồn gần nhau, hạt nhân, có xu hướng tạo thành cặp với véc tơ momen có hướng ngược Trong hạt nhân với số chẵn neutron proton ( Z, N) tính từ cặp đơi triệt tiêu cho Do nguyên tử 12 C với proton neutron khơng có momen từ proton neutron “ghép cặp” Một nguyên tử với số lẻ proton neutron có momen từ Ví dụ 13 C có proton neutron có momen từ có chứa neutron khơng ghép cặp Ngồi 14 N có proton neutron có momen từ số proton neutron lẻ “thừa” proton neutron momen Bảng 2-3 liệt kê số hạt nhân với momen từ Sự có mặt momen từ hạt nhân cần thiết để chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) Chỉ hạt nhân với khoảnh khắc từ tương tác với từ trường cực mạnh đơn vị MRI để cung cấp tín hiệu để tạo thành hình ảnh thể Danh mục hạt nhân Đồng vị nguyên tố đặc biệt nguyên tử có số proton có số neutron khác Ví dụ, 1H (Protium), 2H (deuterium), 3H (tritium) đồng vị hydro, 96C, 10 C, 11 C, 12 C, 13 C, 14 C, 15 C, 16 C đồng vị cacbon Một đồng vị quy định ký hiệu hóa học số khối số bên trái Số nguyên tử thêm vào số phụ trái Isotones nguyên tử có số neutron khác số proton Ví dụ, 52He, 63Li, Be, 85B, 96C isotones đồng vị chứa ba neutron Isobars nguyên tử có số nucleon khác số proton neutron Ví dụ, 62He, 63Li, 64Be isobars (A=6) Chất đồng phân (Isomers) đại diện cho trạng thái lượng khác cho hạt nhân với số proton neutron Sự khác đồng vị, isotones, isobars, đồng phân minh họa đây: Bài tập – Số nguyên tử khối lượng đồng vị oxy với 16 nucleon ? Tính độ hụt khối, lượng liên kết lượng liên kết nucleon với giả thiết toàn độ hụt khối có liên quan đến hạt nhân, khối lượng nguyên tử 15,9949 amu - Oxy tự nhiên có ba đồng vị có khối lượng nguyên tử 15,9949, 16,9991 17,9992 độ dư 2500:1:5, tương ứng Xác định số thập phân khối lượng trung bình nguyên tử oxy - Sử dụng Bảng 2-1 , viết số lượng tử cho điện tử nguyên tử bo (Z = 5), oxy (Z = 8), phốt (Z = 15) - Tính lượng cần thiết cho trình chuyển đổi electron từ vỏ K đến vỏ L vonfram (Hình 2-4) So sánh kết với lượng cần thiết cho trình chuyển đổi tương tự hydro Giải thích khác biệt - Năng lượng tương đương với khối lượng electron gì? Vì khối lượng hạt tăng theo vận tốc - Năng lượng giải phóng vụ nổ nguyên tử Hiroshima ước tính tương đương với 20.000 TNT Giả sử tổng lượng 200 MeV phát thời gian phân rã hạt nhân 235 U tổng lượng 3,8 × 10 J phát thời gian nổ thuốc nổ TNT Tìm số phân hạch xảy vụ nổ Hiroshima, xác định mức giảm tổng khối lượng – “ triệu nhiệt hạch bùng nổ” vụ nổ hạt nhân phát nhiều lượng giải phóng q trình nổ triệu TNT Với 3,8 x 10 J Tính lượng tổng cộng Jun Kcal phát vụ nổ hạt nhân (1Kcal=4186Jun) – Phân biệt đồng vị, isotones, isobars nhóm nguyên tử sau : 132 54 Xe, 13053I, 13354Xe, 13153I, 12952Te, 132 53 131 Xe, 54 I, 13052Te, 13152Te 10 Tóm tắt • Các nguyên tử cấu tạo proton neutron hạt nhân, bao quanh electron cấu hình vỏ • Vỏ electron : • Sự chuyển tiếp electron từ lớp vỏ vào lớp dẫn đến đời photon đặc trưng electron auger • Vật liệu phân loại dựa độ dẫn chúng : - Cách điện - Bán dẫn - Dẫn điện - Siêu dẫn • Ký hiệu biểu diễn nguyên tử : AZX Ở : A số khối ( tổng proton + neutron), Z số proton, X ký hiệu hóa học • Bốn tương tác bản: - Tương tác hấp dẫn - Tương tác điện từ - Tương tác mạnh - Tương tác yếu • Phản ứng phân hạch tổng hợp hạt nhân sản phẩm với lượng liên kết cao cho nucleon • Danh mục hạt nhân : - Đồng vị - số proton - Isotones-cùng số nơtron - Isobars-cùng số khối A - Đồng phân-cùng tất thứ ngoại trừ lượng ... natri Hình: 2-2 Xác suất vị trí electron nguyên tử hydro mức lượng khác kết hợp số lượng tử số lượng tử obital l A: n = 1, l = 0; B: n = 2, l = 1; C: n = 4, l = Mơ hình nguyên tử : - 190 7: J J Thompson... eV Hình 2-3 : Động electron A: e có động 1eV, B: e có động 10eV Các electron-volt chuyển đổi sang đơn vị khác lượng: eV = 1,6 × 10-19 J = 1,6 × 10-12 erg = 4,4 × 10-26 kW-h Chú ? ?: 103 eV = keV...CHƯƠNG CHƯƠNG : CẤU TRÚC CỦA VẬT CHẤT Hình 2-1 : Cấu hình electron mơ hình Bohr nguyên tử Kali (z = 19) Lịch sử ngắn cho thấy tồn nguyên tử : 400-300 B.C : Demokritos Trường Epicurean