Giáo trình Vật Lý hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT F7G GIÁO TRÌNH VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYỄN HỮU THẮNG 2002 Vật lý Hạt nhân -2- MUÏC LUÏC MUÏC LUÏC CHƯƠNG I: CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN BỀN I CẤU TẠO HẠT NHÂN II ĐIỆN TÍCH HẠT NHÂN III KHỐI LƯNG HẠT NHÂN Khối lượng lượng Khối phổ kế IV NĂNG LƯNG LIÊN KẾT CỦA HẠT NHÂN 11 V KÍCH THƯỚC HẠT NHÂN 17 Phương pháp so sánh lượng liên kết hạt nhân gương 18 Phương pháp nhiểu xạ electron nhanh lên hạt nhân 19 VI SPIN HẠT NHÂN 20 VII MOMEN TỪ CỦA HẠT NHAÂN 22 VIII MOMEN TỪ CỰC ĐIỆN CỦA HẠT NHÂN 25 IX LỰC HẠT NHÂN 27 CHƯƠNG II: PHÂN RÃ PHÓNG X 29 I Các đặc trưng tượng phóng xạ 29 Phương trình tượng phóng xạ 29 Độ phóng xạ 30 Phương pháp xác định số phân rã λ thực nghiệm 31 II PHÂN RÃ ANPHA 32 III PHÂN RÃ BETA 45 Các loại phân rã beta 45 2.Các đặc điểm phân rã beta 48 a Phoå beta 48 b Phổ beta tồn neutrino 49 Cơ sở lý thuyết phân rã beta 53 a Tìm phân bố theo lượng: 53 b Số hiệu Coulomb 56 Hằng số phân rã beta λβ 58 IV Dịch chuyển GAMMA 60 Mở đầu 60 Xét chuyển dời xạ GAMMA 61 Hiện tượng biến hoán 63 V PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 66 CHƯƠNG III PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 69 I PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 69 II CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN 70 Định luật bảo toàn điện tích số nuclon 70 Nguyễn Hữu Thắng Vật lý Hạt nhân -3- Định luật bảo toàn lượng xung lïng 70 Giản đồ xung lượng phản ứng hạt nhân 74 Định luật bảo toàn momen động lượng 81 Định luật bảo toàn chẵn lẻ 82 6: Định luật bảo toàn spin đồng vị 83 III TIẾT DIỆN HIỆU DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 85 IV PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 87 Lịch sử phát minh tính chất phản ứng phân hạch 87 Lý thuyết tượng phân hạch 88 Khả sử dụng lượng phân hạch(năng lượng nguyên tử) 94 Cấu tạo nguyên tắc làm việc lò phản ứng 96 V PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH 99 CHƯƠNG IV MẪU VỎ HẠT NHÂN 102 I NHỮNG CƠ SỞ THỰC NGHIỆM CỦA MẪU VỎ HẠT NHÂN 103 II LÝ THUYẾT MẪUVỎ 104 PHUÏ LUÏC 111 I GIÁ TRỊ CUẢ VÀI HẰNG SỐ CƠ BẢN 111 II GIÁ TRỊ CUẢ VÀI BIỂU THỨC THƯỜNG DÙNG 111 III KHỐI LƯNG CUẢ MỘT SỐ HẠT SƠ CẤP 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 Nguyễn Hữu Thắng Vật lý Hạt nhân -4- CHƯƠNG I: CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN BỀN I CẤU TẠO HẠT NHÂN Hạt nhân cấu tạo từ hạt proton neutron Khối lượng proton neutron lớn gấp 1.800 lần khối lượng electron me: Khối lượng electron (me = 9,1 10-28g), khối lượng proton mp = 1836,15me = 1,67265.10-24 g; khối lượng neutron mn =1838,69 me=1,67495.10-24g Nếu lấy đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass units) kí hiệu amu Theo định nghóa, đơn vị khối lượng nguyên tử có giá trị phần mười hai khối lượng nguyên tử carbon C 12 1amu = 1, 660567.10-24g = 931,502MeV; (1 eV = 1, 6.10-19J) Khối lượng proton :mp = 1,007276amu Khối lượng neutron mn= 1,008665amu Proton mang điện tích dương, có độ lớn điện tích electron Neutron có điện tích không /e/ =1,6.10-19 C = 4,8 10-10CGSE Spin proton neutron 1/2h hai hạt tuân theo thống kê Fermi-Dirac, thoả mãn nguyên lí loại trừ Pauli Momen từ spin proton : µsp = 2, 792763 µ0 Momen từ spin neutron : µsn = -1, 91348 µ0 Trong µ0 đơn vị momen từ có giá trị µ0 = eh/2mpc = µB/1836 với µB = eh/2mec gọi magneton Bo đơn vị đo memen từ nguyên tử µ0 gọi magneton nhân Ta thấy neutron có điện tích không, có momen từ khác không điều chứng tỏ neutron có cấu trúc bên phức tạp Proton neutron tương tác với qua lực hạt nhân, lực không phân biệt điện tích, khối lượng proton neutron xấp xỉ nhau, spin chúng giống vật lý hạt nhân, proton neutron thực chất hai trạng thái hạt gọi chung nuclon Chúng biến đổi qua lại lẫn điều kiện định Các biến đổi tương hỗ neutron proton a) Neutron biến đổi thành proton : Do khối lượng neutron lớn khối lượng proton (xấp xỉ 0,14%) trạng thái tự neutron phân rã thành proton với chu kì bán rã T1/2=11,7 phút n > p + e(1.1.1) b) Proton biến đổi thành neutron: Nguyễn Hữu Thắng Vật lý Hạt nhân -5- Proton hạt bền, nhiên bên hạt nhân phóng xạ bêta, proton biến đổi thành neutron: p -> n + e+ (1.1.2) Hiệu khối lượng hạt hai vế bù trừ lượng hạt nhân truyền cho proton Neutron proton tương tác với qua lực hạt nhân chất điện, liên quan đến trao đổi meson Nếu mô tả phụ thuộc tương tác hai nuclon lượng nhỏ khoảng cách r chúng, phụ thuộc có dạng sau: U u R0 uk r r u0 u0 Hình (a): cặp n -n hay n -p Hình (b) : cặp p -p Hình vẽ chứng tỏ proton neutron (hoặc neutron neutron) khoảng cách xa r>>R0 ; (R0 bán kính tác dụng lực hạt nhân) tương tác không Khi r≤ R0 lực hút nuclon có tác dụng tạo thành hệ liên kết hạt nhân Độ sâu giếng khoảng 30MeV, R0 cỡ 10-13cm Nói lực hạt nhân tồn r ≥ R0 yếu Trong trường hợp hai proton tương tác có dạng khác Ở khoảng cách r > R0 lực hạt nhân, trường lực coulomb proton lại tăng r giảm Trong hạt nhân khoảng cách r