BÀI TIỂU LUẬN Môn học Vật Lý Đề tài Vật lý hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG ĐÔ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI TIỂU LUẬN Môn học: Vật Lý Đề tài: Vật lý hạt nhân Giáo viên hướng dẫn: Vũ Xuân Xiển Sinh viên thực hiện: Lê Kim Việt Anh Mã SV: 2350136 Lớp: CNTT523.1 (CNTT K23) Hà Nội, 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN 1: MỞ ĐẦU Tên đề tài: 2 Mục đích đề tài: Bố cục đề tài: Phương pháp: .2 PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Cấu tạo hạt nhân: .3 Kích thước hạt nhân: Spin hạt nhân: 4 Momen từ hạt nhân: 5 Lực hạt nhân: .6 5.1 Khái niệm: .6 5.2 Các đặc điểm lực hạt nhân: 5.2.1 Lực hạt nhân lực tác dụng ngắn: 5.2.2 Lực hạt nhân khơng phụ thuộc vào điện tích: 5.2.3 Lực hạt nhân có tính chất bão hịa: 5.2.4 Lực hạt nhân lực trao đổi: .7 5.2.5 Lực hạt nhân phụ thuộc Spin nucleon: CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN Các loại tương tác hạt nhân: .9 Các Định luật bảo toàn tương tác hạt nhân: Hệ thức lượng phản ứng hạt nhân: .10 CHƯƠNG 3: SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN 12 Năng lượng vỡ hạt: 12 Phản ứng dây chuyền vỡ hạt nhân Uran: 13 2.1 Định nghĩa: 13 2.2 Đặc điểm: .13 2.3 Điều kiện xảy phản ứng dây chuyền: .14 CHƯƠNG 4: PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH 16 Điều kiện thực phản ứng nhiệt hạch: 16 Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển: 17 Phản ứng nhiệt hạch điều khiển: 18 PHẦN 3:KẾT LUẬN .20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 LỜI MỞ ĐẦU Lời đầu tiên, em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy Vũ Xuân Xiển Trong trình tìm hiểu học tập môn Vật lý, em nhận giảng dạy hướng dẫn tận tình, tâm huyết thầy Thầy giúp em tích lũy thêm nhiều kiến thức hay bổ ích Từ kiến thức mà thầy truyền đạt, em xin trình bày lại tìm hiểu vấn đề Vật lý hạt nhân gửi đến thầy Tuy nhiên, kiến thức mơn Vật lý em cịn hạn chế định Do đó, khơng tránh khỏi thiếu sót q trình hồn thành tiểu luận Mong thầy xem góp ý để tiểu luận em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Lê Kim Việt Anh PHẦN 1: MỞ ĐẦU Tên đề tài: “Vật lý hạt nhân” Mục đích đề tài: Nắm vững số lượng tử hạt nhân nguyên tử giúp hiểu sâu sắc tính chất hạt nhân nguyên tử, từ có nhìn tổng qt bữ tranh hạt nhân, hiểu cấu trúc hạt nhân, ứng dụng chúng vào phục vụ sống người Để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân người ta dựa quan niệm đơn giản hoá tương tác cá nucleon dùng phương pháp gần để giải toán cấu trúc hạt nhân từ nảy sinh mẫu hạt nhân khác Việc nghiên cứu đặc trưng hạt nhân giải thích chúng thường gắn liền với việc nghiên cứu mẫu hạt nhân Tuy nhiên, chưa có mẫu lý thuyết mơ tả thành cơng khía canh cấu trúc tính chất hạt nhân Vì lý mà em chọn đề tài: “Vật lý hạt nhân” Bố cục đề tài: Bố cục đề tài chia làm phần chính:     Chương 1: Những tính chất hạt nhân nguyên tử Chương 2: Tương tác hạt nhân Chương 3: Sự vỡ hạt nhân phản ứng dây chuyền Chương 4: Phản ứng nhiệt hạch lượng nhiệt hạch Phương pháp: Tìm kiếm thơng tin Đọc hiểu tài liệu Sử dụng phương pháp đọc, tổng hợp, phân tích tổng quát hoá vật lý lý thuyết PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Hạt nhân nguyên tử cấu trúc vật chất đậm đặc (có mật độ cực lớn - đạt đến 100 triệu xăng-ti-mét khối), chiếm khối lượng chủ yếu (gần toàn bộ) nguyên tử Cấu tạo hạt nhân: Về bản, theo hiểu biết hạt nhân ngun tử có kích thước nằm vùng giới hạn bán kính cỡ 10-15 m, cấu tạo từ hai thành phần sau:  Proton: loại hạt mang điện tích +1, có khối lượng 1,67262158.10-27 kg (938.278 MeV/c²) spin +1/2 Trong tiếng Hy Lạp, proton có nghĩa "thứ nhất" Proton tự có thời gian sống lớn, gần bền vĩnh viễn Tuy nhiên quan điểm cịn số hồi nghi vật lý đại  Neutron: loại hạt khơng mang điện tích, có khối lượng 1,67492716.10-27 kg (939.571 MeV/c²) spin +1/2, tức lớn khối lượng proton chút Neutron tự có thời gian sống cỡ 10 đến 15 phút sau nhanh chóng phân rã thành proton, điện tử (electron) phản nơtrino Gọi chung hai hạt nucleon Hạt nhân có số khối A số nguyên tử Z gồm có A nucleon có Z proton N = A – Z nơtron Các hạt nhân có Z số khối A khác gội hạt nhân đồng vị: Ví dụ: 42He , 32 He , 11 H Các hạt nhân có A Z khác gọi hạt nhân đồng khối 36 123 123 Ví dụ: 36 16 S , 18 Sb , 51 Sb , 52 Sb Kí hiệu hạt nhân: AZ X với X kí hiệu nguyên tố A1 A2 Nếu hạt nhâ Z X Z Y có Z1 =A 2−Z , Z 2= A 1−Z1 hạt nhân Y gọi hạt nhân gương hạt nhân X X, Y gọi hạt nhân đối xứng Kích thước hạt nhân: Hạt nhân với thành phần vi mô tuân theo quy tắc lượng tử không ngừng chuyển động, hạt nhân khơng có giới hạn rõ ràng Với mức độ gần coi phần lớn m hạt nhân tập trung thể tích hình cầu bán kính R Trong thực tế nên hiểu kích thước hạt nhân kích thước vùng giới hạn có tác dụng lực hạt nhân Có nhiều biện pháp xác định kích thước hạt nhân như: Thơng qua tán xạ notron nhanh hạt nhân nguyên tử, phương pháp khảo sát pahnr ứng hạt nhân với hạt mang điện, phương pháp khảo sát lực hạt nhân Từ biện pháp nhà Vật lý thực nghiệm dã tìm biểu thức xác định bán kính hạt nhân: R=R A với R 0=1,4.10 −15 ( m )−bán kính Borh , A :số khối Spin hạt nhân: Hạt nhân cấu tạo từ nucleon Nucleon hạt mang tính lượng tử, đại lượng đặc trưng cho tính chất lượng tử nucleon (tính chất vận động nội tại) gọi spin nucleon Spin hạt nhân đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất vận động nội hạt nhân xác định bởi: - Tổng spin nucleon tạo lên hạt nhân - Do chuyển động quỹ đạo nucleon lòng hạt nhân Trong học lượng tử người ta CM Spin thuộc tính tất cá hạt vi mô Độ lớn momen Spin nhận giá trị: S= √ s ( s+1 ) h Trong lượng tử số s nhận giá trị gián đoạn số nguyên bán nguyên Đối với nucleon s = ½ Trong hạt nhân nucleon phải chuyển động quỹ đạo xác định, có momen xung lượng quỹ đạo ⃗L ⃗ J k =⃗Lk + ⃗ Sk Momen xung lượng toàn phần hạt nhân: J=∑ ⃗ J k =∑ ⃗ Lk + ∑ ⃗ S k với k :là số nucleon k k k Đại lượng có hình chiếu lên trục 0Z : JZ = mh Với m số lượng tử từ nhận giá trị m = -j, -j+1,…, j-1, j ta cho trước j ta có: 2j+1 giá trị m Điều cho thấy ⃗J có 2j +1 cách định hướng Thực nghiệm chứng tỏ hạt nhân có số A chẵn Spin ngun Hạt nhân có số khối Aler Spin số bán nguyên Đối với hạt nhân chẵn – chẵn trạng thái Spin = Điều cho tháya hạt nhân nucleon loại có momen xung lượng tồn phần ngược chiều liên kết tạo thành cặp Thực nghiệm Spin hạt nhân chẵn – lẻ hay lẻ chẵn nằm khoảng từ 1/2 đến 9/2 Pauli hạt nhân có Spin ngun (0, 1, 2,… ví dụ photon có Spin = 1) tương ứng với trạng thái chẵn tuân theo thống kê BôZơ – Anhxtanh chúng gọi hạt Bozon Các Bozon trạng thái lẻ tuân theo thống kê Fecmi – Đirăc Những hạt gọi hạt Fecmion Do bị nguyên lý pauli ràng buộc nên trạng thái ứng dụng với số lượng tử n, 1, m, j chứa hạt Momen từ hạt nhân: Nhờ máy quang phổ có độ phân giải cao người ta phát tách vạch quang phổ nguyên tử thành dãy vạch Có dãy tới 10 – 15 vạch, khoảng cách vạch thường không vượt 0,1 – 0,2 A0 Hiện tượng gọi cấu trúc siêu tinh vi nguyên tử Để giải thích điều Pauli đưa giả thiết tách vạch gây tương tác momen từ hạt nhân với từ trường lớp vỏ electron gây Theo Pauli hạt nhân có momen từ tương tác với từ trường lớp electron gây nên Năng lượng tương tác bổ xung nguồn gốc tách vạch Số vạch phụ thuộc vào số Spin hạt nhân, độ lớn khoảng lượng mức phụ thuộc vào độ lớn momen từ Momen từ hạt nhân mặt memen riêng nucleon, mặt khác lòng phát sinh chuyển động quỹ đạo proton gây nên Trước hết ta xét theo quan điểm bán cổ điển, theo lý thuyết điện từ cổ điện, momen từ hệ tích điện chuyển động có dạng: μ ⃗= ∫ [ ⃗r , ⃗V ] ρdV = c ∫ [ r⃗ , ⃗V ] ρdV ¿ Ψ ∨¿ dV ¿ 2c V V Momen từ xác định tương tác hệ với trường lượng tương H tác bằng:u=−⃗μ ⃗ Mặt khác momen xung lượng toàn phần: ⃗ ⃗ ] ρdV ¿ Ψ ∨¿2 dV M : khối lượng nucleon¿ P=M ∫ [ ⃗r , V V e Vậy ta có: ⃗μ= Mc ⃗P Tức momen từ tỉ lệ với momen xung lượng Theo học lượng tử momen xung lượng bị lượng tử hố gọi I số lượng Spin hạt nhân ⃗P=l⃗ h Lực hạt nhân: 5.1 Khái niệm: Lực hạt nhân (hay tương tác nucleon với nucleon phần dư lực tương tác mạnh) lực tương tác hai hay nhiều nucleon Nó nguyên nhân gây gắn kết proton neutron hạt nhân nguyên tử Các proton hạt nhân mang điện dương nên đẩy Nhưng hạt nhân nguyên tử bền vững nuclon liên kết với lực hút mạnh gọi lực hạt nhân 5.2 Các đặc điểm lực hạt nhân: 5.2.1 Lực hạt nhân lực tác dụng ngắn: Lực hạt nhân loại lực mạnh lực biết, tác dụng khoảng cách hai nuclon nhỏ kích thước hạt nhân, nghĩa lực hạt nhân có bán kính tác dụng khoảng 1015 m 5.2.2 Lực hạt nhân khơng phụ thuộc vào điện tích: Thực nghiệm cho thấy, tương tác proton – proton, neutron – neutron, proton – neutron hoàn toàn giống nhau, nucleon trạng thái Xét tương tác proton – proton: Phương pháp trực tiếp để khảo sát lực dựa vào thí nghiệm tán xạ proton – proton Trong thí nghiệm, người ta cho chùm proton phát từ máy gia tốc, va chạm vào bia chứa nhiều hiđrơ tức chứa proton Từ phân bố góc hạt nhân tán xạ, rút kết luận tính chất lực tác dụng hai proton, lực biểu diễn gần đường cong hình Từ đồ thị cho thấy khoảng cách xa, proton đẩy với lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Tới khoảng cách xấp xỉ 3.10-15 m có chuyển đột ngột đường cong từ dương thành âm, chừng tỏ bắt đầu xuất lực hạt nhân cặp proton: lực hút mạnh khoảng cách gần vào bậc fecmi Lực tương tác neutron proton nghiên cứu thí nghiệm tương tự: Cho chùm neutron tán xạ bia chứa proton Từ đồ thị ta thấy khoảng cách xa, khơng có lực hai hạt, tới khoảng cách xấp xỉ fecmi, xuất lực hút mạnh So sánh hai đường cong nói trên, thấy hai lực hút thuộc chất Điều chứng tỏ tương tác hạt nhân không liên quan đến điện tích Đối với tương tác cặp neutron, ta khơng thể tiến hành thí nghiệm tán xạ trực tiếp hai trường hợp khơng thể tạo bia chứa neutron tự Tuy nhiên phương pháp thực nghiệm gián tiếp khác, thu kết tương tự trường hợp 5.2.3 Lực hạt nhân có tính chất bão hịa: Mỗi nuclon tương tác với số nuclon lân cận quanh nó, khơng tương tác với nuclon hạt nhân 5.2.4 Lực hạt nhân lực trao đổi: Theo Hideki Yukawa, tương tác hai nuclon thực cách trao đổi loại hạt gọi mê-zơn (π ) Hạt mê-zơn (π ) có khối lượng vào cỡ 200 ÷ 300 lần khối lượng electrơn Có ba loại mê-zơn (π ): π +¿, π ,π ¿ −¿ ¿ Ví dụ tương tác neutron – proton thực theo trình sau: n+ p ↔ ¿ hay n+ p ↔ ¿ tương tác hai hạt đồng p – p; n – n xảy theo: 0 0 p+ p ↔( p +π )+ p ↔ p+( π + p) ↔ p+ p n+ n↔(n+π )+n ↔ n+( π + n)↔ n+n Trong q trình cho thấy nuclon biến đổi tạo thành mê-zôn(π) Mê-zôn bị nuclon thứ hai nuốt 5.2.5 Lực hạt nhân phụ thuộc Spin nucleon: Thí nghiệm tán xạ neutron nhiệt (10-1 ÷10-3 ) eV octhơhiđrơ (phân tử hiđrơ hai proton có mơmen spin song song) parahiđro (phân tử Hyđrơ hai proton có momen spin đối song) cho biết xác suất xảy tán xạ neutron hạt nhân octhohiđrô lớn xác suất xảy tán xạ neutron hạt nhân parahiđrô khoảng 30 lần Kết chứng tỏ lực hạt nhân phụ thuộc nhiều vào định hướng tương hỗ mômen spin hạt tương tác Từ đặc tính trên, cho phép ta đến kết luận: Tương tác hạt nhân loại tương tác mạnh, chất khác hẳn với tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ Đối với tương tác hạt nhân, proton neutron xem tương đương với Trong lý thuyết lượng tử quan niệm proton neutron hai trạng thái điện tích khác hạt Cho tới nay, vấn đề chất lực hạt nhân chưa biết cách đầy đủ tiếp tục nghiên cứu CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN Các loại tương tác hạt nhân: Tương tác hạt nhân chia làm ba loại: va chạm đàn hồi, va chạm không đàn hồi phản ứng hạt nhân Trong va chạm đàn hồi, trạng thái nội hạt tương tác không thay đổi động lượng động hạt thay đổi A+a→a+A Trong va chạm khơng đàn hồi, có thay đổi trạng thái nội hạt tương tác A + a → a’ + A* Trong đó: A* hạt nhân trạng thái lượng bị kích thích a’ hạt trạng thái khác Trong phản ứng hạt nhân, có thay đổi chất hạt tương tác A +a → b + B Phản ứng kí hiệu A(a,b)B có nghĩa hạt a bắn vào hạt nhân A làm phát hạt b sinh hạt nhân B Ví dụ: phản ứng biến đổi nguyên tố 14 17 14 N +¿2 He →1 H +¿8 O ¿ ¿ hay N ¿ 2 H + ¿1 H →1 H +¿1 H ¿¿ hay H ¿ Phản ứng chia thành loại: - Phản ứng hạt nhân tự phát: trình tự phân rã hạt nhân khơng bền vững thành hạt nhân khác Ví dụ: q trình phóng xạ - Phản ứng hạt nhân kích thích: q trình hạt nhân tương tác với tạo hạt nhân khác Ví dụ: phản ứng phân hạch – phản ứng nhiệt hạch Các Định luật bảo toàn tương tác hạt nhân: Định luật bảo toàn số nuclon (số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclon hạt tương tác tổng số nuclon hạt sản phẩm AA + AB = AC + AD Định luật bảo tồn điện tích (ngun tử số Z): hạt nhân phản ứng tương tác với nhau, không tương tác với vật khác nên họp thành hệ kín (hay hệ lập) điện Điện tích hệ kín không đổi, nghĩa “Tổng đại số điện tích hạt tương tác tổng đại số điện tích hạt sản phẩm” ZA + ZB = ZC + ZD Định luật bảo toàn lượng toàn phần (bao gồm động lượng nghỉ): “Tổng lượng toàn phần hạt tương tác tổng lượng toàn phần hạt sản phẩm” WA + WB = WC + WD Định luật bảo toàn động lượng: Vectơ tổng động lượng hạt tương tác vectơ tổng động lượng hạt sản phẩm → → → → p A + p B = pC + p D Định luật bảo tồn mơmen động lượng: → → → → J A + J B=J C + J D Khơng có định luật bảo toàn khối lượng (nghỉ) hệ vật lí hạt nhân Hệ thức lượng phản ứng hạt nhân: Sự hụt khối hạt nhân kéo theo khơng bảo tồn khối lượng phản ứng hạt nhân Xét phản ứng hạt nhân: A + B → C + D giả thuyết hạt A B đứng yên Tổng số nuclon không đổi phản ứng A, B, C D có độ hụt khối khác nên tổng khối lượng m0 hạt nhân A + B khác tổng khối lượng m hạt nhân sinh C + D Giả sử m < m0 Hệ ban đầu có lượng nghỉ E = m0C2, sau có lượng nghỉ E = mc2 Năng lượng toàn phần bảo toàn, phản ứng phải tỏa lượng ΔE=(m−m0 ) c2 , dạng động hạt C D photon γ m bé m0 hạt sinh có độ hụt khối lớn hạt ban đầu, nghĩa bền vững Vậy, phản ứng hạt sinh có tổng khối lượng bé hạt ban đầu, nghĩa bền vững hơn, phản ứng tỏa lượng Ngược lại, m > m0 E > E0 phản ứng khơng thể tự xảy mà phải cung cấp cho hạt A B lượng W dạng động hạt A chẳng hạn bắn A vào B W lớn ΔE=E−E0 hạt sinh có động năng: 10 W =ΔE+ W đ Vậy, phản ứng hạt nhân sinh hạt có tổng khối lượng lớn hạt ban đầu (kém bền vững) phản ứng thu lượng E m0 E0 m … … … … … … … … E Wđ W E m0 E0 m E m > m0 m < m0 Do xét phản ứng hạt nhân: a + X → Y + b Năng lượng Q phản ứng định nghĩa: Q=[ ( ma +mX ) −(mb +mY )]c Theo định luật bảo tồn lượng thì: K a +ma c 2+ mX c 2=K b +mb c 2+ K Y + mY c  Q= [ ( ma +mX ) −( mb +mY ) ] c ¿ K Y + K b−K a Q > : phản ứng toả nhiệt Q < : phản ứng thu nhiệt Nếu phản ứng thu nhiệt (Q < 0), ta phải cung cấp lượng cho hệ từ bên cách truyền động cho hạt tương tác Năng lượng nhỏ cần thiết để gây phản ứng thu nhiệt gọi lượng ngưỡng phản ứng tính theo cơng thức: ( K ng ⋅tn = 1+ ) ma |Q| MX Đối với phản ứng toả nhiệt lượng ngưỡng khơng, nghĩa phản ứng hạt nhân xảy tác dụng hạt tới có lượng nhỏ 11 CHƯƠNG 3: SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN Năng lượng vỡ hạt: Khi hạt nhân vỡ khối lượng tổng cộng mảnh vỡ nhỏ khối lượng hạt nhân nặng Năng lượng toả tương ứng với độ hụt khối gọi lượng vỡ hạt hay lượng phân hạch Thí dụ bắn nơtron chậm vào hạt nhân N giải phóng hai, ba nơtron U vỡ thành hai mảnh M, 235 n + 235 92 U → M + N + kn (k = 1, 2, 3) Hai mảnh M, N hạt nhân nhiều chất khác tuỳ theo điều kiện ohanr ứng Xác xuất hai hạt nhân M, N phụ thuộc vào số nucleon chúng Trong đó: - Mass number: số khối - Percent fission yield: phần trăm sản lượng phân hạch Hình bên biểu diễn phụ thuộc xác suất vào số A hạt nhân hình thành Đồ thị xác suất cực tiểu A =118 (bằng nửa số nucleon hạt nhân Uran) Vậy xảy phản ứng hai nhân M, N có khối lượng Xác xuất cực đại A≈ 140 Thí dụ phản ứng: 139 95 n+ 235 92 U → 92 Xe + 38 Sr + 2n phản ứng dễ xảy Trong trường hợp, phản ứng vỡ nhân Uran toả lượng: W t =c [ ( m n +m Uran )−(m M + m N +km n )] Wt gọi lượng phân hạch hạt nhân Uran Năng lượng có giá trị khoảng: W ≈ 200MeW Năng lượng phân bố sau: 12 Các mảnh phân hạch: 162MeV Nơtron: 6MeV Tia γ : 6MeV Nơtrino: 11MeV 5MeV Bức xạ γ mảnh: 5MeV Phân rã β mảnh: Phản ứng dây chuyền vỡ hạt nhân Uran: Năm 1939, nhà vật lý Đức Hahn Strassman phát rằng, tác dụng neutron chậm, hạt nhân 235 92 U bị thành hai mảnh có khối lượng gần Các mảnh có động lớn đồng vị phóng xạ mạnh Ngồi phản ứng phát vài neutron nữa, gọi neutron thứ cấp (neutron bắn vào hạt nhân gọi neutron sơ cấp) Ơng gọi phân hạch 2.1 Định nghĩa: Sự phân hạch tượng hạt nhân (loại nặng) hấp thụ neutron vỡ thành hai hạt nhân trung bình Neutron chậm, có động tương đương với động trung bình chuyển động nhiệt (dưới 0,1 eV) dễ bị hấp thụ neutron nhanh 2.2 Đặc điểm: Trong trình phân hạch, trung bình có từ đến neutron thứ cấp phát Các neutron thứ cấp có lượng từ đến 10 MeV, phần lớn tập trung khoảng → MeV Các mảnh phát trình phân hạch khác Sự vỡ làm hai mảnh có xác suất bé Các mảnh vỡ nói chung thừa neutron nên chúng không bền vững 236 ¿ 144 89 phóng xạ β−¿¿ liên tiếp.Ví dụ: 10n +¿235 92 U →92 U →56 Ba +¿36 Kr+3 n¿ ¿ 13 Hai mảnh vỡ phóng xạ β−¿¿ liên tiếp Phản ứng phân hạch tỏa lượng lớn phát số neutron thứ cấp, lớn số neutron sơ cấp Năng lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch vào khoảng 200 MeV Năng lượng phân bố sau: Động mảnh phân hạch ≈ 170 MeV Động neutron thứ cấp ≈ MeV Năng lượng tia β−¿¿ γ khoảng 15 MeV Năng lượng v phân rã β−¿¿ khoảng 10 MeV Từ phản ứng phân hạch đầu trên, phản ứng phân hạch khác lại phát triển tiếp tục, số neutron thứ cấp sinh lại bị hạt nhân Urani khác hấp thụ để phân hạch…, toàn nhiên liệu hạt nhân sử dụng hết Chỉ thời gian ngắn, số phản ứng tăng lên theo cấp số nhân lượng tỏa vô lớn Phản ứng tiếp diễn tự trì gọi phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền xảy nhanh (như bom hạt nhân) điều khiển (như lò phản ứng hạt nhân) 2.3 Điều kiện xảy phản ứng dây chuyền: Trong thực tế, neutron sinh xảy phân hạch, có nhiều neutron bị mát nhiều nguyên nhân khác Muốn có phản ứng dây chuyền xảy phải xét tới số nhân neutron trung bình k cịn lại sau phân hạch (họi hệ số nhân neutron) 14 Nếu k < hệ thống gọi hạn, phản ứng dây chuyền không xảy Nếu k = hệ thống gọi tới hạn: phản ứng dây chuyền tiếp diễn không tăng vọt, lượng tỏa khơng đổi kiểm sốt Đó chế độ hoạt động lò phản ứng hạt nhân nhà máy điện nguyên tử Nếu k > hệ thống gọi vượt hạn: dịng neutron tăng liên tục theo thời gian, không khống chế phản ứng dây chuyền, lượng tỏa có sức tàn phá dội Trường hợp sử dụng để chế tạo bom nguyên tử Số neutron bị mát ngồi so với số neutron sinh nhỏ khối lượng urani lớn Để giảm tối thiểu số neutron mát ngồi nhằm đảm bảo k ≥ khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải đạt giá trị tối thiểu, gọi khối lượng tới hạn mth Với 235U mth = 50 kg, cịn với 210Po mth = kg 15 CHƯƠNG 4: PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH Ngoài tượng tỏa lượng phá vỡ hạt nhân nặng, có tượng toả lượng kết hợp hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng Thực vậy, kết hợp đồng vị hiđrô để tạo thành hạt nhân Hêli, phản ứng tỏa lượng 4 H + ¿1 H →2 He+n+17,5 MeV ¿1 H + ¿1 H →2 He+γ +19,2 MeV ¿ Li +¿ 21 H →224 He+22,2 MeV ¿73 Li +¿ 21 H →224 He+n+ 15,1 MeV ¿ Những phản ứng gọi phản ứng kết hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch Năng lượng tỏa gọi lượng nhiệt hạch Năng lượng nhiệt hạch lớn lượng phân hạch nhiều lần Ví dụ: 1kg hỗn hợp đồng vị hiđrô nặng tỏa lượng 9,2.10 Kw.h gấp lần lượng kg U235 tỏa (2,3.107Kw.h) Điều kiện thực phản ứng nhiệt hạch: Vì hạt nhân đồng vị Hidro hạt tích điện dương, nên muốn tạo phản ứng nhiệt hạch, phải cung cấp cho hạt nhân động đủ lớn để vượt hàng rào Coulomb tiến lại gần đến khoảng cách nhỏ 30.10-15 m Khi lực hạt nhân phát huy tác dụng phản ứng nhiệt hạch xảy Ở khoảng cách đó, tương tác hạt nhân đơtêri là: −19 ( 1,6.1 ) e2 −14 W t= = =7,7.10 J ≈ 0,5 MeV −12 −15 π ε r π 8,85 10 Như vậy, muốn đẩy hạt nhân dotron lại gần nhau, cần phải tốn cơng 7,7.10-14 J Tuy nhiên, cung cho hạt nhân dotron lượng nhỏ 0,5 MeV Chúng xuyên qua hàng rào hiệu ứng đường ngầm muốn chuyển lượng cần thiết cho số lớn hạt nhân dotron cần tạo nên nhiệt độ cao Theo cơng thức: W = kT 1eV tương đương với lượng chuyển động nhiệt nhiệt độ gần 11.400 K Do đó, muốn cho dotron có lượng 0,5 MeV cần có nhiệt độ xấp xỉ 10 10 K Thực cần nhiệt độ 108 K phản ứng nhiệt hạch xảy 16 Nguyên nhân theo định luật phân bố vận tốc Maxwell, nhiệt độ không cao có số hạt có lượng trung bình lớn để bảo đảm số phản ứng cần thiết xảy Thành thử muốn thực phản He ứng tổng hợp hạt nhân phản ứng nhiệt hạch) phải tạo nhiệt độ cao (vì lẽ mà có tên Ngồi điều kiện nhiệt độ cao, để phản ứng nhiệt hạch xảy mật độ hạt phải đủ lớn thời gian trì nhiệt độ cao phải đủ dài Kết hợp hai s 14 16 điều kiện Lo-sơn chứng minh hệ thức: nτ ≥(1 ÷ ) nêu lên điều kiện để xảy phản ứng nhiệt hạch cm Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển: Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ, dùng bom hạt nhân để tạo nhiệt độ đó, phản ứng nhiệt hạch xảy tồn thời gian ngắn (cỡ 106s) tắt hẳn Vì phản ứng nhiệt hạch xảy điều kiện gọi phản ứng nhiệt hạch không điều khiển Dotri Triti Sơ đồ nguyên tắc hoạt động bom nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch khơng điều khiển, thực làm bom khinh khí Nhiên liệu nhiệt hạch Liti Hydrua (LiH) hay Liti nặng Hiđrua LiD trạng thái rắn Nhiên liệu nhiệt hạch dễ sản xuất Li có nhiều thiên nhiên, cịn Dotri lấy nước biển điện phân Nếu bom hạt nhân tương đương 20000 thuốc nổ Trinitronoluen bom khinh khí tương đương với triệu thuốc nổ Bom H (còn gọi bom nhiệt hạch hay bom khinh khí) loại bom làm Hidro, mơ q trình giải phóng lượng hạt nhân mặt trời Nguyên tắc hoạt động có nhiều khác biệt so với nguyên lý bom nguyên tử Ở bom nguyên tử (bom A), lượng bùng phát đồng vị nặng Uranium Plutonium phân rã thành đồng vị nhẹ Trong đó, bom nhiệt hạch, lượng xuất từ bùng nổ hạt nhân Hydro chúng chuyển thành Helium Bởi nhiên liệu 17 bom H nhẹ nhiên liệu bom A nhiều, phản ứng nhiệt hạch có hiệu suất cao hẳn phản ứng ngun tử, nên bom H có sức cơng phá mạnh nhiều lần bom A Phản ứng nhiệt hạch điều khiển: Vì phản ứng tỏa phản ứng nhiệt hạch lớn lượng tỏa phản ứng phân hạch nhiều, nguyên liệu nhiệt hạch coi vơ tận thiên nhiên, nên vấn đề quan trọng đặt làm thực phản ứng nhiệt hạch điều khiển để bảo đảm cung cấp lượng mải cho nhân loại Vấn đề phải giải phản ứng nhiệt hạch thực nhiệt độ cao hàng chục triệu độ thể tích giới hạn chứa đầy Dotri hay hỗn hợp Dotri-Liti Ở nhiệt độ cao chất khí hồn tồn bị ion hóa, nghĩa gồm hạt nhân trần trụi electron tự Trạng thái khối chất gọi plasma Muốn giữ plasma nhiệt độ cao hàng chục triệu độ, phải giữ không cho plasma tiếp xúc với thành bình để tránh trao đổi nhiệt Có thể thực cách nhiệt “hiệu ứng nén” Hiệu ứng tương tác dịng điện với từ trường tạo (giống tương tác hai dòng điện thẳng) Giả sử có chùm hạt tích điện chạy theo chiều Chùm hạt tích điện chuyển động gây chung quanh từ trường tương tự từ trường dòng điện thẳng Theo định luật tương tác từ từ trường tác dụng lên chùm hạt lực vng góc với phương chuyển động chùm hạt hướng từ vào Kết chùm hạt tích điện bị nén lại khơng tiếp xúc với thành bình Thành thử từ trường bao quanh plasma có tác dụng làm cách nhiệt plasma, hạt chạy theo bán kính với thành bình bị từ trường tác dụng kéo trở lại 18 Muốn nung nóng plasma lên nhiệt độ cao người ta cho phóng qua plasma dịng điện cực mạnh i, cường độ tới triệu Ample Dịng điện đốt nóng plasma tỏa nhiệt Jun – Lentz Mặt khác tác dụng từ lực gây nén nhanh đoạn nhiệt plasma đốt nóng plasma mạnh nhiệt độ áp suất tăng theo định luật:T V =const P V =const V thể tích cột plasma Ngồi cịn dùng phương pháp khác gọi bẫy từ: từ trường có dạng hình bắp, tăng dần theo đường sức hai đầu, cịn nhỏ Các ion chuyển động bẫy từ nhờ trường điện từ biến thiên chuyển động dọc theo đường sức bẫy từ theo đường xoắn ốc ion khơng chạm vào thành bình Bẫy từ Một tính chất đặc biệt plasma khơng bền vững: cột plasma bị thắt hay uốn cong chỗ tiếp tục thắt lại hay uốn cong bị đứt khúc Để khắc phục tượng đó, người ta phải gây từ trường dọc theo cột plasma 19 PHẦN 3:KẾT LUẬN Tiểu luận nghiên cứu, trình bày chi tiết nội dung theo chủ đề với nội dung sau:  Các khái niệm: Lực hạt nhân; Độ hụt khối hạt nhân; Năng lượng liên kết hạt nhân; Độ phóng xạ; Hiện tượng phóng xạ; Phản ứng hạt nhân; Phản ứng phân hạch; Phản ứng nhiệt hạch  Các định luật: Định luật phân rã phóng xạ; Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân: bảo tồn số điện tích, bảo tồn số khối, bảo toàn lượng, bảo toàn động lượng bảo toàn momen động lượng  Ứng dụng Đồng vị phóng xạ: Phản ứng phân hạch phản ứng nhiệt hạch Do điều kiện thời gian khả tiếp thu vấn đề cần nghiên cứu chưa nhiều, chưa sâu nên chắn cịn có nhiều thiếu sót Rất mong nhận thêm giúp đỡ, bảo thầy góp ý bạn học viên 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vật lý Đại cương Tập Chủ biên Lương Duyên Bình,NXB Giáo dục 1997 [2] I.V Xavaliev Giáo trình Vật lý đại cương Tập NXB Giáo dục, 1988 [3] David Halliday, Robert Risnick… Cơ sở vật lý Tập 4,5 NXB Giáo dục, 1996 21 ... Tên đề tài: ? ?Vật lý hạt nhân? ?? Mục đích đề tài: Nắm vững số lượng tử hạt nhân nguyên tử giúp hiểu sâu sắc tính chất hạt nhân nguyên tử, từ có nhìn tổng quát bữ tranh hạt nhân, hiểu cấu trúc hạt nhân, ... nghiên cứu mẫu hạt nhân Tuy nhiên, chưa có mẫu lý thuyết mơ tả thành cơng khía canh cấu trúc tính chất hạt nhân Vì lý mà em chọn đề tài: ? ?Vật lý hạt nhân? ?? Bố cục đề tài: Bố cục đề tài chia làm... tạo hạt nhân: .3 Kích thước hạt nhân: Spin hạt nhân: 4 Momen từ hạt nhân: 5 Lực hạt nhân: .6 5.1 Khái niệm: .6 5.2 Các đặc điểm lực hạt nhân: