Vật lí lượng tử và thuyết tương đối và vật lí hạt nhân

Nội dung chương Vật lý hạt nhân bao gồm: 1.Cấu tạo và các tính chất cơ bản 2.Hiện tượng phóng xạ 3.Tương tác hạt nhân Nội dung chương học được phân chia cụ thể và rất dễ hiểu Chúc các bạn học tốt và đạt kết quả cao môn học này nhé

VẬT LÝ LƯỢNG TỬ VÀ THUYẾT TƯƠNG ĐỐI CHƯƠNG 26 VẬT LÝ HẠT NHÂN Cấu tạo tính chất Hiện tượng phóng xạ Tương tác hạt nhân Cấu tạo tính chất Cấu tạo  Lõi vật chất tập trung vùng nhỏ (kích thước ~ 10-15 m) tâm nguyên tử (kích thước ~ 10-10 m), mang điện tích (+) khối lượng toàn nguyên tử, chứa loại hạt (nucleon):  Proton mang điện tích (+), e = 1,6.10-19 C, khối lượng mp = 1,672.10-27 kg  Nơ-tron không mang điện, khối lượng mn = 1,675.10-27 kg  Ký hiệu:  Z: số p+ (số nguyên tử);  N: số Nơ-tron;  A = Z + N: số nucleon hay KLNT;  ZXA: mô tả hạt nhân nguyên tử  Phân loại:  Hạt nhân đồng vị: có số Z: 1H1, 1H2, 1H3  Hạt nhân đồng khối: có số A: 16S36, 18Ar36; 51Sb123, 52Te123  Hạt nhân đồng Nơ-tron: có số N: 3Li6, 4Be7;  Hạt nhân gương: Z = N hạt nhân khác: 1H3,2H3 1 Cấu tạo tính chất Cấu tạo  Thơng số kích thước:  Bán kính: R = R0.A1/3 = 1,2.10-15.A1/3 4  Thể tích: V  R  R 03 A 3 Khối lượng  Đơn vị: khối lượng nguyên tử (u), 1u = 1/12 khối lượng đồng vị C12 hay1u = 1,6605388.10-27 kg Số NT Nguyên tố Khối lượng Số NT Nguyên tố Kh/lượng H 1,00797 13 Al 26,9815 He 4,0026 14 Si 28,086 Li 6,639 20 Ca 40,08 C 12,0111 26 Fe 55,847 N 14,0067 28 Ni 58,71 O 15,9994 29 Cu 63,54 Cấu tạo tính chất Năng lượng liên kết  Tương tác hạt nhân: lực hút có đặc điểm:  Không phải lực hút tĩnh điện (do có p+);  Khơng phải lực hấp dẫn;  Khơng phải lực xun tâm;  Có chất trao đổi;  Có tác dụng phạm vi ngắn;  Có tính bão hịa, tức khơng có tương tác đồng thời với tất nucleon;  Phụ thuộc spin hạt nhân; Nguyên nhân: proton nơ-tron hạt mà cấu tạo từ hạt nhỏ bé gọi hạt quark  Độ hụt khối M (do tương tác nucleon): khối lượng hạt nhân M nhỏ tổng khối lượng nucleon hạt nhân : M = [Zmp + (A – Z)mn] - M Cấu tạo tính chất Năng lượng liên kết  Năng lượng ứng với độ hụt khối lượng (M): NL liên kết hạt nhân Elk = M.c2 = [Zmp + (A – Z)mn - M].c2  2,224 MeV  Là lượng cần thiết để tách hạt nhân nucleon riêng biệt;  Năng lượng liên kết riêng: lượng liên kết tính cho nucleon,    Tăng nhanh với hạt nhân nhẹ;  Tăng chậm với hạt nhân trung bình  có độ bền vững nhất;  Giảm chậm với hạt nhân nặng (vì A tăng  tăng số p+  lực đẩy Coulomb cạnh tranh với lực hạt nhân) Elk A E lk A hạt nhân nặng hạt nhân TB hạt nhân nhẹ Cấu tạo tính chất Spin hạt nhân mô men từ  Mỗi nucleon tự quay quanh trục riêng tạo mô men spin  vừa có mơ men động lượng quỹ đạo spin giống electron  Độ lớn mô men spin nucleon: s  11     1  22      mơ men động lượng tồn phần nucleon: j  l  s    mô men động lượng toàn phần hạt nhân: J   j  Độ lớn động lượng toàn phần hạt nhân: J  j ( j  1)  Số lượng tử j có giá trị bán nguyên (1/2, 3/2, 5/2, …) tổng số nucleon A lẻ, giá trị nguyên (1, 2, 3, ) với A chẵn j = hạt nhân có số proton Z nơ-tron N chẵn (ví dụ: C12, O16, S32 ,…)  CĐ tự quay quanh trục riêng nucleon  tạo dịng điện  có mơ men từ riêng với đơn vị mô men từ magnetron hạt nhân n  e 2m p Hiện tượng phóng xạ  Phóng xạ: tượng số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi phát xạ hạt nhân (thường gọi tia phóng xạ)  Hạt nhân phân rã: chất phóng xạ mẹ  Hạt nhân hình thành: chất phóng xạ Tốc độ thời gian phân rã phóng xạ  Xét q trình phân rã chất phóng xạ:  Thời điểm t: số hạt nhân chưa bị phân rã N(t)  Thời điểm t + dt: số hạt nhân chất phóng giảm -dN(t) = .N(t)dt (*) với  phụ thuộc chất phóng xạ: số phân rã dN  N (t ) dt N (t )  N e t  Tốc độ phân rã: A   từ (*) có: Hiện tượng phóng xạ Tốc độ thời gian phân rã phóng xạ  Thời gian cần thiết để hạt nhân khơng bền phân rã cịn ½ số hạt nhân ban đầu – chu kỳ bán phân rã T1/2, t = T1/2 có: dN (t )   e T1 / N0 ln 0,693  Chu kỳ bán phân rã: T1/     T  Thời gian sống trung bình:   TTB   1/  0,693  Cân phóng xạ:  Số hạt nhân dN’ chất phóng xạ tương ứng số hạt nhân bị phân rã từ chất phóng xạ mẹ, dN’ = .N.dt  Trong thời gian chât phóng xạ bị phân rã, -dN” = ’.N’.dt  Cân phóng xạ xảy ra, dN’= -dN’’ hay .N=’.N’ Hiện tượng phóng xạ  Q trình phân rã phát hạt tương đương hạt nhân hê-li, chứa proton neutron (24He2)  spin tổng cộng =  Quá trình xảy với hạt nhân nặng, có khối lượng nguyên tử A > 200 số proton Z > 82  Cơ chế trình: cạnh tranh lực đẩy tĩnh điện Coulomb lực hút hạt nhân; hạt  thoát khỏi hạt nhân có cơng thấp NL liên kết hạt nhân, nhờ hiệu ứng xuyên ngầm học lượng tử Năng lượng (MeV) Phân rã anpha ()  Do điện tích (+) khối lượng nặng  hạt  có quãng đường tự TB ngắn  dễ tỏa NL (~ vài MeV) phạm vi hẹp  phân rã  ko gây 10 tác hại lên thể sống dễ dàng tạo chắn 2 Hiện tượng phóng xạ Phân rã beta ( )  Q trình hạt nhân không bền phát xạ ra:  e- + phản hạt (antineutrino): phân rã  -  biến đổi thành hạt nhân (bền) nguyên tố phía trước bảng tuần hoàn, ZAN  Z+1AN’ + e- + ve Hoặc:  Positron (e+) + antineutrino: phân rã +  biến đổi thành hạt nhân (bền) nguyên tố phía sau bảng tuần hồn, ZAN  Z-1AN’ + e+ + ve 11 Hiện tượng phóng xạ Phân rã Gamma ()  Quá trình hạt nhân trạng thái có mức NL cao trở trạng thái có mức NL thấp phát xạ xạ điện từ (photon) với bước sóng cực ngắn  Phân rã  thưởng xảy sau phân rã  , sau trình này, hạt nhân (hình thành từ hạt nhân mẹ) trạng thái kích thích  sau có xu hướng trở mức lượng thấp  Do phát xạ điện từ, nên ngăn chặn tia xạ lớp bảo vệ chì (độ dày ~ vài cm) 12 Hiện tượng phóng xạ Tính chất tia phóng xạ  Có khả tác dụng sinh lý hóa học, kích thích số phản ứng sinh-hóa, có khả phá hủy tế bào;  Có khả i-ơn hóa khí;  Có khả làm cho vật rắn lỏng phát huỳnh quang;  Có khả xuyên thấu qua vật liệu thông thường giấy, vải, gỗ kim loại mỏng, theo mức độ mạnh xuyên thấu tia ,  cuối ;  Tỏa nhiệt phóng xạ, đó, khối lượng chất phóng xạ giảm dần chất biến thành chất khác 13 Tương tác hạt nhân Phản ứng hạt nhân  Quá trình tác động (bắn phá) hạt nhân hạt cách chủ động để tạo hạt nhân mới, tương tự phản ứng hóa học, a (hạt) + X (hạt nhân)  Y (hạt nhân mới) + b (hạt)  Bản chất phản ứng hạt nhân trình va chạm  tuân theo định luật:  Bảo toàn động lượng:  pi   pk ; i k  Bảo tồn mơ men động lượng:  Li   Lk ; i  Bảo toàn lượng: E  E i i k k ; k  Bảo tồn điện tích:  Z i   Z k ; i k  Bảo toàn số Nucleon (chỉ có vật lý đại):  Đặc điểm: A A i i k k  Không phải va chạm đàn hồi;  Khối lượng tổng cộng ban đầu  khối lượng tổng cộng thành phẩm 14 Tương tác hạt nhân Năng lượng phản ứng hạt nhân  Chênh lệch khối lượng trước sau phản ứng hạt nhân  lượng phản ứng (dưới dạng nhiệt) theo biểu thức lượng Einstein   Q    mi   mk c  M  M 'c k  i   M: tổng khối lượng trước phản ứng;  M’: tổng khối lượng sau phản ứng;  c: tốc độ ánh sáng  Phân loại phản ứng:  Q >  tổng khối lượng giảm, tổng động tăng: phản ứng tỏa nhiệt  Q <  tổng khối lượng tăng, tổng động giảm: phản ứng thu nhiệt  NL nhỏ cần thiết để gây phản ứng thu nhiệt lượng ngưỡng: EQ M A  ma MA Tương tác hạt nhân Phản ứng phân hạch (nuclear fission)  Quá trình tách hạt nhân không bền (thường hạt nhân nặng) thành mảnh có khối lượng khác hấp thụ nơ-tron Hạt nhân Hạt nhân 236U 235U Mảnh vỡ Mảnh vỡ 16 Tương tác hạt nhân Phản ứng phân hạch (nuclear fission) Xác suất phân bố mảnh theo số nucleon A  Phân bố khối lượng theo sô nucleon A cho thấy xác suất để phân hạch tạo mảnh có khối lượng khó xảy (có giá trị A = 118) E ~ 200 MeV  Phân hạch cảm ứng: có hấp thụ nơ-tron;  Phân hạch tự phát: khơng hấp thụ nơ-tron (chính q trình phân rã);  Phân hạch xảy lượng kích hoạt hạt nhân > liên kết trị số thông số phân hạch: Z2 A Hàng rào Thế điện tĩnh ~ 1/r  17 17 Tương tác hạt nhân Phản ứng phân hạch (nuclear fission) Phản ứng dây chuyền (chain reaction)  Quá trình xảy liên tiếp phản ứng phân hạch thứ cấp nhờ nơ-tron sản phẩm từ phản ứng phân hạch sơ cấp  Điều kiện: hệ số nhân nơ-tron hiệu dụng k:  k < 1: phản ứng dây chuyền ko xảy  k = 1: phản ứng dây chuyền xảy với mật độ nơ-tron không đổi  phản ứng điều khiển  k > 1: phản ứng dây chuyền xảy với số nơ-tron tăng không ngừng  18 phản ứng không điều khiển 3 Tương tác hạt nhân Phản ứng nhiệt hạch (nuclear fusion)  Quá trình tạo hạt nhân kết hợp hay hạt nhân nhẹ (đồng vị) trạng thái tan chảy  có giải phóng nhiệt  Điều kiện: đồng vị mang điện tích (+)  kết hợp với cần lượng đủ lớn để vượt qua rào tĩnh điện, tương ứng khoảng cách r ~ 10-15 m: e2 U ~ 0,5 MeV 4 r  Năng lượng dạng nhiệt  hạt có động năng: Wđ  kT  Phân loại:  phản ứng khơng điều khiển:  phản ứng có điều khiển:  Phản ứng nhiệt hạch thường xảy vũ trụ, đặc biệt mặt trời 19 ... Tương tác hạt nhân Phản ứng hạt nhân  Quá trình tác động (bắn phá) hạt nhân hạt cách chủ động để tạo hạt nhân mới, tương tự phản ứng hóa học, a (hạt) + X (hạt nhân)  Y (hạt nhân mới) + b (hạt) ... lực hút hạt nhân; hạt  thoát khỏi hạt nhân có cơng thấp NL liên kết hạt nhân, nhờ hiệu ứng xuyên ngầm học lượng tử Năng lượng (MeV) Phân rã anpha ()  Do điện tích (+) khối lượng nặng  hạt ... Giảm chậm với hạt nhân nặng (vì A tăng  tăng số p+  lực đẩy Coulomb cạnh tranh với lực hạt nhân) Elk A E lk A hạt nhân nặng hạt nhân TB hạt nhân nhẹ Cấu tạo tính chất Spin hạt nhân mô men từ