Giáo trình Cơ sở Vật lý hạt nhân: Phần 1 - Nguyễn An Sơn

Giáo trình Cơ sở Vật lý hạt nhân được biên soạn bởi tác giả Nguyễn An Sơn có bố cục nội dung gồm 7 chương. Ở phần 1, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu 4 chương đầu tiên. Chương 1: Các tính chất cơ bản của hạt nhân nguyên tử; Chương 2: Một số mẫu cấu trúc hạt nhân; Chương 3: Phản ứng hạt nhân; Chương 4: Phân rã phóng xạ. Mời thầy cô và các em cùng tham khảo giáo trình.

NGUYỄN AN SƠN CƠ SỞ VẬT LÝ HẠT NHÂN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Lời mở đầu Kỹ thuật hạt nhân ngành học sử dụng chùm xạ đời sống theo hai hình thức: phi lượng lượng Gần đây, Việt Nam triển khai đào tạo ngành Kỹ thuật hạt nhân nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển nguồn nhân lực lĩnh vực lượng nguyên tử, đáp ứng an toàn lượng quốc gia ngành ứng dụng chùm xạ phi lượng phục vụ cho phát triển kinh tế, xã hội đất nước Về ứng dụng lượng hạt nhân, kỹ thuật hạt nhân cung cấp nguồn lượng vô lớn quan trọng tồn cầu, khơng gây vấn đề phát thải khí nhà kính, nhiễm khơng khí, ; phi lượng hạt nhân sử dụng nhiều lĩnh vực ứng dụng chùm xạ y học, nông nghiệp, công nghiệp, Vật lý hạt nhân môn học bắt buộc cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân trường đại học giới Cuốn sách Cơ sở Vật lý hạt nhân biên soạn theo chương trình cho sinh viên đại học hệ kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân, Trường Đại học Đà Lạt Sách sử dụng làm tài liệu cho sinh viên ngành học khác Vật lý tổng hợp, Sư phạm vật lý, Vật lý hạt nhân trường đại học cao đẳng Nội dung sách gồm chương, biên soạn để phục vụ giảng dạy từ 45 tiết  60 tiết lý thuyết Chương Trình bày tính chất hạt nhân nguyên tử Các vấn đề về: Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, Khối lượng nguyên tử khối lượng phân tử, Bán kính nguyên tử, Trạng thái kích thích phát xạ nguyên tử, thành phần hạt nhân, Khối lượng lượng liên kết hạt nhân, Năng lượng liên kết, Độ chẵn lẻ, spin, spin hạt nhân đề cập chương i Chương Trình bày số mẫu cấu trúc hạt nhân thường dùng để tính tốn, dự đốn cấu trúc hạt nhân từ kết phản ứng hạt nhân thực nghiệm Các mẫu cấu trúc bao gồm: Mẫu giọt, Mẫu khí Fermi, Mẫu lớp hạt nhân, Mẫu suy rộng Chương Trình bày kiến thức Phản ứng hạt nhân Nội dung gồm: Phân loại phản ứng, Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân, Năng lượng phản ứng, Phản ứng hạt nhân hợp phần Chương Trình bày dạng Phân rã phóng xạ Trong chương này, vấn đề: Độ bền hạt nhân trình phân rã phóng xạ, Các đặc trưng tượng phóng xạ, Các dạng phân rã phóng xạ như: Phân rã alpha, Phân rã beta, Dịch chuyển gamma trình bày chi tiết Chương Trình bày số nguồn xạ, phơng phóng xạ nguồn phóng xạ dùng phịng thí nghiệm như: Nguồn phát beta, Nguồn phát hạt nặng mang điện, Nguồn xạ gamma, Nguồn neutron Chương Trình bày tương tác xạ với vật chất Các vấn đề sau trình bày rõ gồm: Tương tác hạt nặng tích điện với vật chất, Tương tác electron với vật chất, Tương tác tia gamma với vật chất, Tương tác neutron với vật chất Chương Trình bày tương tác xạ gamma bên detector số hệ phổ kế gamma thường dùng đo đạc xạ nghiên cứu cấu trúc hạt nhân Các chương mục biên soạn từ lý thuyết đến số ứng dụng Nội dung sách tác giả tham khảo biên soạn từ tài liệu nước Đây lần xuất đầu tiên, sách cịn thiếu sót bố cục nội dung Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp, độc giả, nhà nghiên cứu em sinh viên ii MỤC LỤC Chương CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 1.1 Các hạt 1.2 Cấu tạo hạt nhân nguyên tử 1.3 Khối lượng nguyên tử khối lượng phân tử 1.4 Bán kính nguyên tử 1.5 Khối lượng lượng 1.6 Bước sóng hạt 1.7 Trạng thái kích thích phát xạ nguyên tử 1.8 Tổng quan hạt nhân 11 1.8.1 Sự phát hạt nhân 11 1.8.2 Thành phần hạt nhân 12 1.9 Khối lượng lượng liên kết hạt nhân 13 1.9.1 Năng lượng liên kết 13 1.9.2 Kích thước hạt nhân 13 1.10 Độ chẵn lẻ, spin, spin đồng vị mô men điện từ 17 1.10.1 Độ chẵn lẻ spin hạt nhân 17 1.10.2 Spin đồng vị nucleon hạt nhân 18 1.10.3 Mô men điện từ hạt nhân 19 BÀI TẬP CHƯƠNG 22 Chương MỘT SỐ MẪU CẤU TRÚC HẠT NHÂN 24 2.1 Mẫu giọt 25 2.1.1 Công thức bán thực nghiệm Weizsacker 26 2.1.2 Phạm vi áp dụng mẫu giọt 31 2.1.3 Hạn chế mẫu giọt 36 2.2 Mẫu khí Fermi 37 iii 2.3 Mẫu lớp 40 2.3.1 Cơ sở thực nghiệm mẫu lớp hạt nhân 40 2.3.1.1 Sự biến đổi lượng liên kết 40 2.3.1.2 Sự phân bố nucleon 41 2.3.1.3 Quy luật phân rã alpha, beta 42 2.3.2 Nguyên tắc xây dựng mẫu lớp hạt nhân 43 2.3.2.1 Các nguyên tắc xây dựng mẫu lớp hạt nhân 43 2.3.2.2 Các sơ đồ cụ thể mẫu lớp hạt nhân 46 2.3.3 Các kết thực nghiệm mẫu lớp phạm vi ứng dụng 50 2.3.4 Nhược điểm mẫu lớp 53 2.4 Mẫu suy rộng 54 2.4.1 Trạng thái đơn hạt hố không đối xứng cầu 57 2.4.2 Trạng thái quay 60 2.4.3 Các mức dao động 63 2.4.4 Dao động tất nucleon hạt nhân Các cộng hưởng khổng lồ 63 2.4.5 Phạm vi ứng dụng mẫu suy rộng 68 2.5 Mẫu hạt nhân siêu chảy 69 BÀI TẬP CHƯƠNG 73 Chương PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 74 3.1 Nghiên cứu hạt nhân phản ứng hạt nhân 74 3.2 Phân loại phản ứng 75 3.2.1 Định nghĩa phản ứng hạt nhân 75 3.2.2 Ký hiệu phản ứng kênh phản ứng 75 3.3 Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân 76 3.3.1 Định luật bảo toàn điện tích số nucleon 76 3.3.2 Định luật bảo toàn lượng xung lượng 78 3.3.2.1 Năng lượng phản ứng 78 iv 3.3.2.2 Sơ đồ lượng phản ứng lượng ngưỡng phản ứng Endo 80 3.3.3 Định luật bảo tồn mơ men động lượng 83 3.3.4 Định luật bảo toàn chẵn lẻ 86 3.3.5 Định luật bảo toàn spin đồng vị 86 3.4 Lý thuyết hạt nhân hợp phần 86 3.4.1 Hạt nhân trung gian 86 3.4.2 Các mức hạt nhân hợp phần 89 3.5 Tiết diện phản ứng hạt nhân Công thức Breigh - Wigner 93 BÀI TẬP CHƯƠNG 103 Chương PHÂN RÃ PHÓNG XẠ 104 4.1 Độ bền hạt nhân q trình phân rã phóng xạ 104 4.2 Các đặc trưng tượng phóng xạ 105 4.2.1 Phương trình tượng phóng xạ 106 4.2.2 Độ phóng xạ 108 4.2.3 Phương pháp xác định số phân rã  thực nghiệm 108 4.3 Các dạng phân rã phóng xạ 110 4.3.1 Phân rã alpha 110 4.3.2 Phân rã beta 121 4.3.3 Dịch chuyển gamma 135 BÀI TẬP CHƯƠNG 147 Chương NGUỒN BỨC XẠ 148 5.1 Bức xạ phông 149 5.1.1 Phóng xạ vật liệu thông thường 149 5.1.2 Phóng xạ khơng 151 5.2 Nguồn phát electron nhanh 152 5.2.1 Phân rã beta 152 5.2.2 Nguồn biến hoán 154 v 5.2.3 Electron Auger 156 5.3 Nguồn phát hạt nặng mang điện 157 5.3.1 Nguồn phát alpha 157 5.3.2 Phân hạch tự phát 158 5.4 Nguồn xạ gamma 161 5.4.1 Bức xạ Gamma phát sau phân rã beta 161 5.4.2 Bức xạ hủy cặp 163 5.4.3 Bức xạ gamma sinh từ phản ứng hạt nhân 164 5.4.4 Bức xạ hãm 165 5.4.5 Tia X đặc trưng 165 5.4.6 Kích thích phân rã phóng xạ 166 5.4.7 Kích thích xạ 168 5.5 Nguồn neutron 171 5.5.1 Phân hạch tự phát 171 5.5.2 Các nguồn (α, n) đồng vị phóng xạ 173 5.5.3 Các nguồn quang neutron 177 5.5.4 Phản ứng từ hạt mang điện gia tốc 180 BÀI TẬP CHƯƠNG 182 Chương TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT 184 6.1 Tương tác hạt nặng tích điện với vật chất 184 6.1.1 Độ lượng riêng 184 6.1.2 Quãng chạy hạt tích điện vật chất 190 6.1.3 Tương tác electron với vật chất 193 6.1.3.1 Độ lượng riêng electron 193 6.1.3.2 Độ ion hóa riêng 194 6.1.3.3 Bức xạ hãm 195 6.1.3.4 Quãng chạy electron vật chất 198 6.2 Tương tác tia gamma với vật chất 201 vi 6.2.1 Sự suy giảm xạ gamma qua vật chất 201 6.2.2 Các chế tương tác xạ gamma với vật chất 206 6.2.2.1 Hiệu ứng quang điện 206 6.2.2.2 Hiệu ứng Compton 210 6.2.2.3 Tạo cặp electron - positron 213 6.2.2.4 Tổng hợp hiệu ứng gamma tương tác với vật chất 215 6.3 Tương tác neutron với vật chất 217 6.3.1 Các loại tương tác neutron với vật chất 217 6.3.2 Sự suy giảm chùm neutron qua vật chất 218 6.3.3 Làm chậm neutron tán xạ đàn hồi 219 6.3.3.1 Khả làm chậm vật liệu 219 6.3.3.2 Độ dài làm chậm độ dài khuếch tán neutron 221 6.3.4 Hấp thụ neutron 223 BÀI TẬP CHƯƠNG 224 Chương TƯƠNG TÁC BỨC XẠ GAMMA TRONG DETECTOR VÀ MỘT SỐ HỆ PHỔ KẾ GAMMA THƯỜNG DÙNG 225 7.1 Các tương tác tia gamma bên detector 225 7.1.1 Hấp thụ quang điện 225 7.1.2 Tán xạ Compton 227 7.1.3 Hiện tượng tạo cặp 228 7.2 Các hàm đặc tuyến bên detector 229 7.2.1 Các detector nhỏ 229 7.2.2 Các detector lớn 231 7.2.3 Các detector kích thước trung bình 232 7.3 Một số loại detector thông dụng 235 7.3.1 Detector chứa khí 235 7.3.2 Detector nhấp nháy 238 vii 7.3.3 Detector bán dẫn 240 7.4 Các loại phổ kế ghi đo xạ gamma thường dùng 243 7.4.1 Phổ kế gamma sử dụng detector 243 7.4.2 Phổ kế gamma phản trùng phùng 245 7.4.3 Phổ kế Compton 246 7.4.4 Phổ kế tạo cặp 248 7.4.5 Phổ kế trùng phùng gamma - gamma 249 7.4.6 Hệ đo trùng phùng Viện nghiên cứu hạt nhân 251 BÀI TẬP CHƯƠNG 254 TÀI LIỆU THAM KHẢO 256 viii EdE EdE  pdp  pdp= 2 c c lấy vi phân hai vế: Đối với : p dp  E dE c tương tự p dp  E dE c2 Thay giá trị vào d, ta có: 2 d  H ik  16  V 2  2   c  E 2  2E2  E  E v   m 02 c   2v  m 02 c  c c     (4.48) dE Ta phải chuyển E   E  E  khơng đo trực tiếp E = Emax - E đưa vào khái niệm lượng tương đối:   E , m0c d    đặt số: 0  V m05 c 2  V m 05 c 2  d   d E  m ax ta có cơng thức cuối cùng: m0c 2   H ik    H ik 2     d (4.49)  C , ta có:    I    C    1     (4.50) Gọi hàm phân bố hạt beta theo lượng I() cường độ hạt beta với lượng tương đối , ta biến đổi: I ( )  C (   )  F ( )  (  1)1/2 (4.51) F() phụ thuộc tuyến tính vào , gọi đường cong Fermi Các phổ thực nghiệm tuân theo quy luật tuyến tính F() = C(0 - ) Đặc 133 biệt với ba phổ  đơn giản sau đây, phổ thu phù hợp với lý thuyết đường cong Fermi 64 Cu (-) 571 keV 1,5 2,0 Hình 4.19 Đường Curie phân rã  64Cu  H  100% T1/ 12 naêm  He n  T1/ =0,85 giây   T1/ =11,6 phút Emax = 18 KeV He Emax = 3,5 MeV Li p  e   Emax = 0,78 MeV - Số hiệu Coulomb Nếu tính đến tương tác Coulomb hạt nhân lên hạt beta phải đưa thêm vào số hiệu f(Z, ) Đường cong Fermi có dạng: I   F      2 1   C     (4.52) f Z ,  134 Nếu kể đến hiệu Coulomb ta thấy: Tương tác Coulomb tăng số e- vùng lượng nhỏ, làm giảm số e+ vùng lượng nhỏ I() ee+  Khơng kể đến tương tác Coulomb Hình 4.20 Ảnh hưởng hiệu ứng Coulomb phân rã beta 4.3.3 Dịch chuyển gamma Hiện tượng hạt nhân chuyển dời từ trạng thái kích thích cao xuống trạng thái kích thích thấp hơn, cách phát xạ điện từ có bước sóng ngắn gọi tia gamma Trong q trình này, hạt nhân khơng thay đổi số khối A điện tích Z, mà thay đổi trạng thái hạt nhân mà thôi: A* Z X  ZA X   (4.53) Hạt nhân trạng thái kích thích tạo nên thường thơng qua phản ứng hạt nhân sau trình phân rã beta, phân rã alpha để mức lượng cao hạt nhân con, mà trạng thái dịch chuyển bị cấm bậc cao spin độ chẵn lẻ hạt nhân mẹ hạt nhân khác biệt Ví dụ xét sơ đồ phân rã beta 24Na 135 24 11 Na 4+ 4+ 1 2+ 2 0+ 24 Mg Hình 4.21 Sơ đồ phân rã 24 11 Na Từ sơ đồ phân rã ta thấy, hạt nhân 24Na có spin độ chẵn lẻ 4+, phân rã - trạng thái 24Mg có spin độ chẵn lẻ 0+, phân rã thuộc loại bị cấm bậc cao, phân rã beta trạng thái 4+ thuận lợi có trạng thái spin độ chẵn lẻ Phân rã beta có chu kỳ bán rã 15 Do tính chất lượng tử mức lượng hạt nhân, nên gamma phát có phổ lượng phổ vạch Ở ta xét phân rã gamma không liên quan đến ngun nhân gây q trình kích thích hạt nhân mà xét chất chuyển dời Hiện tượng chuyển dời từ trạng thái kích thích cao trạng thái lượng thấp chuyển dời có lượng: E > 2m0c2 người ta thấy hạt nhân phát cặp electron positron gọi tượng tạo cặp Q trình chuyển dời trạng thái hạt nhân cách phát xạ gamma cịn có tượng electron biến hốn tượng tạo cặp Theo lý thuyết điện từ thì: 136 E   h  2          2 c P   k , k vector són g , k  k   hc hc   h E (4.54) k 2 E  hc    k= n c  2 h 2    hc c c Theo lý thuyết điện động lực học lượng tử, xác suất dịch chuyển gamma  phụ thuộc mạnh vào spin J số lượng tử mô men động lượng L xạ Mỗi xạ đặc trưng bậc đa cực l Trường hợp l = xạ lưỡng cực, l = xạ tứ cực, … Có hai loại dịch chuyển trình hạt nhân phát gamma, dịch chuyển điện dịch chuyển từ Dịch chuyển điện liên quan đến phân bố lại điện tích hạt nhân, dịch chuyển từ liên quan đến phân bố mật độ dòng hạt nhân Giá trị l xác định bởiJđ - Jc  l  Jđ + Jc Trong Jđ, Jc spin trạng thái đầu spin trạng thái cuối mức lượng hạt nhân Ứng với giá trị l có (2)l xạ đa cực điện (2)l-1 xạ đa cực từ Với l = ta có dịch chuyển lưỡng cực điện, ký hiệu E1; với l = ta có dịch chuyển tứ cực điện E2 dịch chuyển lưỡng cực từ M1, với l = ta có E3 M2, … 137 Khi giá trị mô men động lượng L xạ tăng, thời gian sống mức lượng kích thích tăng nhanh Ví dụ, với chuyển dời lưỡng cực (l = 1), tương ứng với thời gian sống  cỡ 1013  10-17 giây, với chuyển dời tứ cực (l = 2)  cỡ 10-13 giây Do xạ chủ yếu tập trung vào bậc đa cực thấp, tuân theo quy tắc lựa chọn: l = J, J+1 Chẳng hạn, xét xạ gamma phát từ hạt nhân 36 18 Ar 3E3, M2 2+ E2, M1 36 18 Ar 0+ Hình 4.22 Mơ tả bậc đa cực phân rã 36 18 Ar Theo định luật bảo toàn chẵn lẻ chuyển dời đa cực điện xảy tính chẵn lẻ hạt nhân trạng thái đầu cuối thỏa mãn hệ thức: (đ/c)=(-1)l, chuyển dời đa cực từ xảy khi: (đ/c) = (-1)l+1 Bảng 4.1 Các loại chuyển dời theo spin bậc đa cực J=0  J =1  J =2  J =3  thay đổi E1, M2 E1, M2 M2, E3 E3, M4  không đổi M1, E2 M1, E2 E 2, M3 M3, E4 Trong chuyển dời khả dĩ, phải loại trừ chuyển dời với  J= 0, nghĩa dịch chuyển - bị cấm Tương tự  J= với l 138 = dịch chuyển - 1, - bị cấm; J= dịch chuyển 2, - bị cấm, … Giữa chuyển dời bậc đa cực tỷ số xác suất dịch R2 chuyển điện từ (R bán kính hạt nhân) (2L  3)3 Nếu xét tỷ số xác suất dịch chuyển hai đa cực loại, có bậc đa cực khác đơn vị thì: E1 M1    105 E2 M2 Các chuyển dời bậc cao với lượng chuyển dời thấp có thời gian sống lớn (cỡ vài giây giờ), trạng thái kích thích hạt nhân có thời gian sống lâu gọi trạng thái đồng phân hạt nhân Hiện tượng đồng phân hạt nhân phát lần O Hann vào năm 1921 hạt nhân 234Pa chuỗi hạt nhân phóng xạ tự nhiên thuộc họ Uranium (4n + 2), sau I V Kurchatov (1935) phát hạt nhân 80Br 115In * Hiện tượng biến hoán Trong trình chuyển dời, hạt nhân phát xạ gamma Tuy nhiên, q trình phát gamma khơng phải trình để hạt nhân giảm lượng kích thích Hạt nhân giảm lượng kích thích cách bứt electron từ vỏ điện tử, gọi tượng biến hoán Các electron bị bứt gọi electron biến hoán Năng lượng electron biến hốn trong, ví dụ lượng e- từ vỏ K, L bứt ngoài: EeK = E - EK (4.55) EeL = E - EL 139 Năng lượng liên kết electron vỏ thứ K, L, EK, EL,… có giá trị xác định Năng lượng xạ gamma có giá trị gián đoạn nên lượng e- biến hoán phát gián đoạn Nói cách khác phổ lượng e- biến hoán giống phổ gamma, nghĩa phổ vạch Cơ cấu tượng biến hốn hình thức gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: hạt nhân phát ; Giai đoạn 2: Các xạ gamma tương tác với electron lớp vỏ điện tử làm bứt electron giống hiệu ứng quang điện Tuy nhiên, xem trình hai giai đoạn đúng, đồng thời với electron biến hoán phát với lượng xác định gamma phát có lượng tương ứng Nhưng thực tế, đa số trường hợp quan sát thấy electron biến hoán mà khơng có xạ gamma có lượng tương ứng Điều chứng tỏ tượng biến hốn q trình độc lập cạnh tranh với q trình phát xạ gamma, hồn tồn khơng phải xạ gamma gây Do đó, q trình biến hốn khơng phải q trình hai giai đoạn Người ta giải thích việc phát electron biến hốn tương tác điện từ hạt nhân với electron nguyên tử, coi electron rơi vào vùng trường điện từ hạt nhân coi tương tác tương tác trực tiếp Như đề cập trên, để giảm lượng kích thích, ngồi q trình phát xạ gamma cịn có q trình hạt nhân tương tác với electron vỏ điện tử, electron thu lượng kích thích hạt nhân xạ ngồi với lượng xác định: Ee = E - lk lk lượng liên kết electron 140 Hiện tượng electron biến hốn q trình xảy với dịch chuyển gamma Người ta định nghĩa hệ số electron biến hốn trong:  Ne N Trong Ne số electron phát từ vỏ điện tử, N số xạ gamma phát   e = e   (4.56)  = K + L + M + i hệ số biến hoán lớp vỏ thứ i Lý thuyết chứng minh được: Z 3      điệnK, L =         Z        từK, L =       l l  l  1 2  l    l 1   (4.57) (4.58) Trong đó:  = E/mec2 lượng tương đối;  = e2/hc số tương tác * Hiệu ứng Mossbauer Lý thuyết cộng hưởng xây dựng cho nhiều ngành vật lý có vật lý nguyên tử hạt nhân Hiện tượng hấp thụ cộng hưởng xảy sau: Bức xạ gamma phát hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích E1 xuống trạng thái E0 hiệu lượng hai trạng thái  = E1 - E0 Photon phát bị hấp thụ nhanh chóng hạt nhân loại làm cho hạt nhân chuyển từ trạng thái lên trạng thái kích 141 thích Tuy nhiên, tượng xảy khơng nhiều, có hấp thụ cộng hưởng xảy với xạ lượng gamma phát không hiệu lượng  Nếu P xung lượng lượng tử phát hạt nhân giật lùi với hướng ngược lại, hạt nhân có khối lượng M lượng hạt nhân giật lùi xác định công thức:  lùi  P2 2  M Mc Như photon mang lượng  -  lùi I Im Im/2   E Hình 4.23 Sự phân bố cường độ xạ gamma theo độ bất định lượng Độ rộng đường cong cộng hưởng nửa chiều cao cực đại  đỉnh nằm giá trị  khơng tính đến hiệu ứng giật lùi Thực tế đường cong phân bố gamma phát xạ dịch chuyển sang bên trái khoảng  lùi Ta dễ thấy rằng, đường cong hấp thụ có dạng hồn tồn tương tự nằm cách đường cong khoảng  lùi phía tay phải Nhờ có chồng chéo vùng hai đường phân bố, số photon hấp thụ nhanh chóng 142 Tương tự photon bị hấp thụ chuyển xung lượng cho hạt nhân tương ứng với lượng  lùi, để có hấp thụ cộng hưởng photon phải có lượng  +  lùi Do độ chênh lệch lượng photon phát lượng cần thiết để gây cộng hưởng là:  +  lùi -  +  lùi =  lùi Như tượng hấp thụ cộng hưởng khơng xảy khơng có bất định lượng mức kích thích Độ bất định   mức lượng liên hệ với thời gian sống t xác định hệ thức bất định Heisenberg: t ~  hay   =  /  t Đối với hạt nhân bền  t   nên   =0, độ bất định lượng photon phát độ bất định mức kích thích I   E  -  lùi  +  lùi Hình 4.24 Mô tả hiệu ứng hấp thụ cộng hưởng Muốn tăng hiệu ứng hấp thụ cộng hưởng ta cần phải tăng vùng chồng chất hai đường cong Có nhiều cách để thực điều này, cách cổ điển gây dịch chuyển Doppler vào nguồn phóng xạ, vào chất hấp thụ hay vào hai Sơ đồ thí nghiệm quan sát tượng hấp thụ cộng hưởng Hình 4.25 143 Khi nguồn phát gamma (nguồn phóng xạ Hg) chuyển động chiều với photon phát bay tới vật hấp thụ hiệu ứng Doppler xuất Nhờ hiệu ứng mà chênh lệch lượng giật lùi  lùi.của gamma phát gamma hấp thụ loại trừ Với thiết bị người ta thấy nguồn phát gamma có vận tốc 3104cm/s cộng hưởng tăng lên cực đại Hiệu ứng Doppler cịn xuất cách nung nóng nguồn phát gamma vật hấp thụ hai lên nhiệt độ Ví dụ có lượng giật lùi  lùi = 0,1 eV nhiệt độ cần thiết T =  lùi/k = 1200 K, k số Boltzman K1 Đĩa quay Chì bảo vệ Detector K2 Mẫu hấp thụ Hg Nguồn phóng xạ Hg Buồng chì Hình 4.25 Sơ đồ thí nghiệm quan sát tượng hấp thụ cộng hưởng Một nguyên tử có khối lượng M, phát xạ gamma với xung lượng p lượng giật lùi nguyên tử  lùi = p2/(2M) Từ tính chất này, Mossbauer nhận thấy rằng, nguồn phát gamma phần tinh thể chất rắn cơng thức trên, khối lượng nguyên tử khối lượng nguyên tử tự mà khối lượng mạng tinh thể, nhờ lực liên kết tinh thể lượng giật lùi giảm nhiều, chưa đủ để gây cộng hưởng Mặt khác, biên độ giật lùi giảm nhỏ tượng giật lùi phải xét theo quan điểm lượng tử Mossbauer cho 144 theo thuyết lượng tử hiệu ứng liên kết tinh thể xuất theo quy luật thống kê, tức đa số hạt nhân chịu giật lùi tồn phần, cịn có số phát gamma mà không giật lùi xung lượng giật lùi mang toàn tinh thể, xảy hấp thụ cộng hưởng Từ ý tưởng này, Mossbauer chế tạo thiết bị tạo thành cộng hưởng với Iridi (191Ir), dạng tinh thể chất rắn làm vật hấp thụ để bình làm lạnh K2 Nguồn phát Iridi (191Ir), dạng tinh thể chất rắn để bình lạnh K1 với gamma phát có lượng E = 129 keV K1 K2 làm lạnh đến nhiệt độ 88 K, nguồn 1 bình K1 quay theo hai chiều ngược Trong thí nghiệm, cường độ gamma hấp thụ đo với vận tốc quay khác nguồn 9/2191 Os - 0,171 MeV 11/2  0,129 MeV 5/2+  Vật liệu hấp thụ 191Ir 3/2+ Nguồn phát 191Ir Hình 4.26 Thí nghiệm Mossbauer Từ hình vẽ ta thấy, cộng hưởng đạt cực đại vận tốc giảm nhanh với vận tốc cm/s hai phía hai chiều quay đĩa chứa nguồn phát xạ 145 Ứng dụng hiệu ứng Mossbauer dùng để đo lượng với độ xác tương đối cao Từ cho phép ta xác định phụ thuộc lượng photon vào chiều cao nguồn phát xạ -6 -4 -2 Vận tốc (cm/s) Cường độ tương đối nguồn phát xạ vật hấp thụ Hình 4.27 Mơ tả cực đại cộng hưởng 146 BÀI TẬP CHƯƠNG 4.1 Tritium (3H) phân rã việc phát tia β- với chu kỳ bán rã 12,26 năm Khối lượng nguyên tử 3H 3,016 Tính: a) Hạt nhân tạo thành phân rã 3H? b) Khối lượng 3H họat độ 1mCi? 4.2 Tính khối lượng xấp xỉ lượng 90Sr ( T 1/2= 28,8 năm) có hoạt độ với gam 60Co có T1/2 5,26 năm 4.3 Hạt nhân 210Po phân rã thành hạt nhân 206Pb trạng thái phát hạt alpha có lượng 5,305 MeV với chu kỳ bán rã 138 ngày Khối lượng 210Po cần thiết để tạo MW nhiệt từ phân rã? 4.4 Một đồng vị phóng xạ Y tạo với tốc độ R nguyên tử giây việc bắn phá neutron vào đồng vị X theo phản ứng: X(n, p)Y Nếu bắn phá neutron khoảng thời gian với chu kỳ bán rã đồng vị Y Hỏi hoạt độ phóng xạ hạt nhân thu thời điểm với giả thiết ban đầu khơng có hạt nhân Y 4.5 Xét chuỗi phân rã dây truyền sau: A B → C Tại thời điểm ban đầu hạt nhân B a) Chứng minh hạt nhân B tăng đến giá trị cực đại thời gian tm là: = ln Tại thời điểm hoạt độ hạt nhân A hạt nhân B b) Chứng minh t < tm, hoạt độ phóng xạ hạt nhân B nhỏ so với hạt nhân A trường hợp ngước lại t > tm 147 ... 1. 6 Bước sóng hạt 1. 7 Trạng thái kích thích phát xạ nguyên tử 1. 8 Tổng quan hạt nhân 11 1. 8 .1 Sự phát hạt nhân 11 1. 8.2 Thành phần hạt nhân 12 1. 9 Khối... kết hạt nhân 13 1. 9 .1 Năng lượng liên kết 13 1. 9.2 Kích thước hạt nhân 13 1. 10 Độ chẵn lẻ, spin, spin đồng vị mô men điện từ 17 1. 10 .1 Độ chẵn lẻ spin hạt nhân 17 1. 10.2... electron là: = m c = 9 ,10 95 10 × (2,979 10 ) = 8 ,18 71 10 erg = 8 ,18 71 10 joule Biểu diễn theo đơn vị MeV là: 8 ,18 71 10 joule / 1, 6022 10 = 0, 511 0 MeV joule/MeV Ví dụ 1. 3 Tính lượng tương