Bài giảng điện nguyên tử chương 2 hạt nhân nguyên tử

Chương HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 2.1 Cấu trúc hạt nhân Năm 1909 Rutherford tìm proton năm đưa mẫu hành tinh nguyên tử n sát tán xạ hạt ỏ qua vàng m khám phá rằng:: toàn điện ơng nguyên tố toàn khối lư yên tử tập trung vùng nhỏ yên tử gọi hạt nhân nguyên tử tử,, điệ quay xung quanh theo quỹ đạo xác ơtron năm 1932, o dựa hệ thức Heisenberg, vào xác định mẫu gồm hai loại hạt notron, có tên g nuclon James Chadwick Heisenberg We hạt mang điện tích dương, điện tích electron e 19C, có khối lượng mp = 0-27 kg hạt trung hoà điện, ượng lớn khối lượng ột chút, cụ thể 48.10-27 kg ể tích hạt nhân nguyên tử vào khoảng 10-14 10 tích nguyên tử, khối lượng electron rấ : me = 9,1095.10-31 31 kg nên khối lượng nguyên ại chủ yếu tập trung hạt nhân nguyên tử ton hạt ằng số thứ tự nguyên tử ệ thống tuần Menđeleev Notron Proton Electron c gọi số điện y nguyên tử số ng số nuclon hạt nhân gọi số khối lượng ậy: A = Z + N N số nơtron ân nguyên tử ký hiệu ZXA, X un tử tương ứng Ví dụ hạt nhân liti: 3Li7 có prot Sự tương tác proton nơtron tuân ao đổi hạt mezon Có ba loại hạt mezon là: ó điện tích điện tích proton, điện tích điện tích electron hạt không mang điện Khối lượng ba hạt cỡ 200 - 30 ượng electron tức khoảng 0,25.10-27kg 0,25.10 Sụ tương tác proton nơtron thực ộ+ thành nơtron: p ấp thu ộ- thành nơtron: p + ộú thể cho ộ0 proton khỏc: p ộ- thành proton: n ành proton: n + ộ+ ộ p ú thể cho ộ0 nơtron khỏc: ộ+ n n ộ0, + p ộp Nơ n ộ0, n ON-loại loại hạt sơ cấp khơng bền Có loại mezo n muy, mezon pi mezon k Các mezon tạo từ cặp quac phản quac Mezon ƒđ đư ll tìm thấy vào năm 1947 o hệ thức bất định lượng ta có:  34 h 1,05 10 h  t    , 46  27 16 m X C , 25 10 10 g đó: h số Planck tt thời gian sống hạt mezon g thời gian sống hạt mezon đoạn: L = 0,466.10-23(s)3.108(m/s) 23(s)3.108(m/s) = 1,399.10-15m 1,399.10 trị gần bán kính hạt nhân, cho L đơi cịn gọi bán kính điện xác đ Đồng vị nguyên tố ồng vị nguyên tử nguyên học có khối lượng khác Hạt nhâ đồng vị có số proton Z có số nơtr ụ: hyđro có ba đồng vị là: 1H1, 1D2, 1T3 Các ba đồng vị hyđro có proton nh o thường 1H1 có nơtron, đơteri 1D2 có nơt T3 có nơtron bon có bẩy đồng vị là: 6C10(T1/2=19,1s), 6C1 2=20,4phỳt), 6C12(98,892%), 6C13 (1,108%) Đồng vị phóng xạ đồng vị khơng bền vữ a ngun tố có tính phóng xạ Trong thiên nhiên có chừng 50 đồng vị phó tự nhiên nằm họ phóng xạ, mà đồn ởi đầu hạt nhân U235, U238, Th232 237 có chu kỳ bán rã lớn tận cá nhân bền Pb206, Pb207, Pb298 Bi209 Ngoài người ta tạo hàng nghì ng hạt nhân thường gặp loại phân rã sa ây: hân rã alpha : tượng hạt nhân tự tách hạt alpha Đó hạt nhân hêli gồm nơtron roton Một số hạt nhân nặng (thuộc nhóm siêu urani nh phóng xạ alpha hân rã bêta : phân rã bêta có hai loại - + Phân rã - tượng hạt nhân tự phóng cịn gọi tia) electron e có điện tích âm Đó mộ iến đổi hạt nhân lòng hạt nhân nguyên tử ơtron biến thành proton theo phản ứng: hân rã + + tượng hạt nhân tự phóng (1 tia) positron e+ có điện tích dương Đó n đổi hạt nhân lịng hạt nhân ngun tử on biến thành nơtron theo phản ứng  0n1 + -1eo + oo o Dĩ nhiên sau hai loại phân rã hạt nhân biến nh hạt nhân khác hân rã gamma : tượng hạt nhân tự phát tia gama (một chùm photon) có lượng xác h (tần số xác định) hạt nhân chuyển mức ng chịu tác nhân ngồi Các phân rã hạt nhân kể ng xạ tự nhiên Phản ứng dây chuyền điều kiện tr ản ứng dây chuyền 2.9.1 Phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền phản ứng xả ng hệ mà hạt sau gây g, lại xuất kết phản ứng, d vừa xuất sau thời gian gây phản ứng khác giống phản ứng phản ứng hạt ban đầu gây ợc tiếp diễn Ví dụ xét tương tác nơtr hạt nhân berili Be9: Sau phản ứng xuất hai hạt  hai nơtro t nơtron xuất sau lại g phản ứng tương tự Be9 Như vậy, ản ứng dây chuyền loại (n, 2n) với Be Phản ứ ã phát năm 1939 Tuy nhiên, điều k ản ứng xảy phải tốn số lượ ên khơng có lợi mặt lượng: lượng + n + 4Be9   + 2n Sau ta quan tâm tới phản ứng n sinh nhiệt Những phản ứng dây chuyền kh oả lượng đủ lớn khơng ó nguồn lượng gọi phản ứ Phản ứng dây chuyền nơtron gây Sự phân hạch xảy tự phát dư dụng nơtron Hiện tượng phân hạch tự ph iếm xảy Thông thường, người ta quan tượng phân hạch tác dụng on Thí dụ, phản ứng xả với 92U235 là: + 92U235  54Xe139 + 38Sr95 + 20n1 Thí dụ ơtron chậm vào nhân hì vỡ thành hai N có khối lượng khác iải phóng từ hai đến ba ụ thể từ cơng thức 2.35, ta mảnh M(54Xe139 ) ) có khối lượng khác (%) mảnh vỡ với g khác xuất hạt nhân 92U235 Đường xứng với cực tiểu nằm suy rằng, xác suất để nhân 92U235 tách thành hai mảnh bằ A/2 hỏ xác suất để tách thành mảnh có khối lượng khác n để hạt nhân tách thành hai mảnh có khối lượng khác nhi ơng xảy Xác suất cực đại M=90 N=140 , phù hợp vớ ên để có nơtron ban đầu để gây phản ứ U235 người ta phải dùng phản ứng nơtron, ký hiệu (,, n) hạt tới lượng tử phản ứng nơtron Dưới tác dụng  chất phóng xạ tự nhiên (thí dụ ngu Ra226) lên nguyên tố dùng làm bia beri ó thể xảy hai trình sau đây: 0 +4Be9  4Be8 + 0n1 (2.36 1+ 1H2  1H1 + 0n1 (2.37 Điều kiện trì phản ứng dây d chuyền Ta biết lị phản ứng chạy urani 235 nhân xảy lò ò là: 0n1 + 92U235  A + B + n' Trong A B hai hạt nhân nh nhẹ U235 (bằng gọi mảnh phân n hạch, n' số nơtron phát t ạch hạt nhân,  phụ thuộc vào lượng nơt thuộc mạnh vào nhiên n liệu phân ph hạch Đối với U235 nơtron nhiệt   2,5 Ngồi ra, phản ứng kh ạnh tranh mạnh với phản ứng tr phản ứng bắt n y chuyền phản ứng dõy chuyền Phản ứng dây chuyền lò phản ứng xảy ơtron số  nơtron phát phân h p thụ hạt nhân phân hạch khác gây phả hạch Để lò đạt trạng thái tới hạn tức tr mà phản ứng dây chuyền tự trì, phải có ằng xác số nơtron số nơtron xu rong phân hạch Trong số nơtron bị phải k g nơtron gây phản ứng phân hạch để gây phản ứng xạ mà phải kể đến n bị hấp thụ hạt nhân nguyên tố kh ong lò (các vật liệu xây dựng, chất tải nhiệt, chất làm ) nơtron rò khỏi lò Cho nên nh m vụ người thiết kế lị phải xác định kích thước nơtron phát phản ứng phân hạch lượng cao nhiều(cỡ MeV) để c on phản ứng với hạt nhân U2 ân hạch ta phải đưa thêm vào thành phần lò làm chậm Sau sinh ra, nơtron lượng chủ yếu nhờ va chạm đàn hồi với ên tử chất làm chậm Người ta thường c ên tố nhẹ hyđrơ,, đơteri, berili graphit làm chậm va chạm đàn hồi phần ơtron truyền cho hạt nhân nhẹ nhiều lượng mà truyền cho hạt nhân nặng ác nơtron bị chậm nhiều Phản ứng dây y chuyền không kh điều khiển Muốn phản ứng dây y chuyền xảy th điều ki hạt nhân n vỡ, phải phát ph số nơ g nơtron lại bắn phá ph hạt nhân ó phản ứng tiếp diễn thành dây d n Muốn có phản ứng dây y chuyền ta phải xét x tớ nơtron k hệ Hệ số nhân nh nơtron k tỷ số tron sinh số nơtron mát m n khácc Nếu k nhỏ đơn vị (k < 1) phả huyền không ng thể xảy Nếu k đ hì phản ứng dây y chuyền xảy với mật độ mơi trường đồng nhất, nồng độ U2 phản ứng dây chuyền xảy T với khối lượng U235 đủ lớn phản ứng uyền tự phát xảy sau thờ n ngắn toả nhiệt lượng lớn Ta gọi k ng tối thiểu urani để xảy phản ứng dây uyền tự phát khối lượng tới hạn (đối với U2 uyên chất 1kg, Plutôni Pu239 nguyê ất 1,235kg) Nhiệt toả tương đương năn ng làm nổ 25.000 thuốc nổ TNT Thành phản xạ nơtron Chất nổ phụ òi nổ Chốt an tồn Lỗ hở khí Khối Urani Sơ đồ nguyên lý bom nguyên tử yên lý bom nguyên tử: Người ta dùng hai mảnh U235 khối lượ 1kg đặt cách xa Dùng thuốc nổ phụ đẩy hai mảnh đ liền nhau, khối lượng lớn mức tới hạn Kết s vụ nổ ngun tử Trong thực tế khó có U235 nguyê Sự làm chậm nơtron va chạm Mỗi nơtron va chạm vào hạt nhân nơtron s g lượng phải chuyển phần động cho hạt Lý thuyết tính lượng nơtron tán góc  sau va chạm đàn hồi với hạt nhân cố định A tuân theo hệ thức: A   2A cos E  E ( A  1) g E0 lượng nơtron trước va chạm Từ