Bài giảng Điện học (Phần 11) 2.5 Lực hạt nhân mạnh, phân rã alpha và sự phân hạch Một khicác nhàvật lí nhậnra hạt nhân gồm có những protontích điện dươngvà neutronkhông mangđiện,họ lại có trongtay một vấn đề phải giải quyết. Lực điện giữa các protonđều là lựcđẩy, nên hạt nhânphải dễ dàng bay tản ra từng mảnh! Lí do màmọi hạt nhân trong cơ thể bạn khôngnổ tung tứcthời tại thời điểm nàylà còn có một lực khác nữa tác dụng. Lực này, gọi là lực hạt nhân mạnh, luôn luônlà lực hút,và tác dụng giữaneutronvớineutron,neutron với proton, và protonvới protonvới độ lớn xấp xỉ bằng nhau.Lựchạt nhân mạnh không có bấtkì tác dụngnàolên electron,đó là lí do tại saonó khôngảnh hưởng tới các phản ứng hóa học. q/ Lực hạt nhân mạnh đột ngột rất mạnh khi khoảng cách dưới 1 fm Không giống như lực điện, lực có độ lớn chobởi địnhluật Coulombcó dạng đơn giản, khôngcó công thứcđơngiản nào cho mức độ mà lực hạt nhân phụ thuộc vào khoảng cách. Nói đại khái, nó phát huytác dụng trong ngưỡng ~1 fm, nhưng giảm cực kì nhanhở những khoảngcáchlớn hơn (nhanh hơn1/r 2 nhiều). Vì bán kính củamộtneutron hayprotonlà vào khoảng 1 fm,nghĩa là khi một bó neutron và proton gói chặt vào nhau để hìnhthành nên hạt nhân, nên lực hạt nhân mạnh chỉ hiệu quả giữa nhữnghạt lân cận. Hình rminh họacách thức lực hạt nhân mạnh tác dụng để giữ hạt nhân bình thường lại với nhau, nhưngnó khôngthể giữ hạt nhân rấtnặng khỏi bị phá vỡ thành từng phần. Trong hìnhr/1, một proton ở giữa một hạtnhâncacbon cảm nhậnlực hạtnhân mạnh (cácmũi tên) húttừ những lâncận gầnnhất của nó. Các lực đó đều có hướng khác nhau, và có xuhướng triệt tiêu nhau. Điều tương tự cũng đúngcho các lực điện đẩy (không chỉ trong hình). Trong hìnhr/2,một proton ở rìa của hạt nhân chỉ có các lân cận ở một phía, và dođó tất cả lực hạt nhân mạnh tác dụnglên nó có xu hướnghút nó trở vào. Mặc dù tất cả lực điện từ năm protonkia (mũi tên đen) đều đẩy nó ra khỏi hạtnhân,nhưng chúng không đủ để thắng được lực hạtnhânmạnh. r/1. Các lực triệt tiêu nhau. 2. Các lực không triệt tiêu nhau. 3. Trong một hạt nhân nặng, số lượng lớn lực đẩy điện có thể thêm một lực so sánh được với lực hạt nhân mạnh. 4. Phát xạ alpha. 5. Sự phân hạch. Trongmột hạt nhân rấtnặng, r/3, một protonở rìa chỉ có vài lân cận đủ gần để hút nó đángkể thông qualực hạtnhân mạnh, nhưng mỗi proton khác trong hạt nhântác dụng một lựcđẩy điện lên nó. Nếuhạt nhân đủ lớn, thì lựcđẩy điện tổng hợp cóthể đủ để thắng được sứchút của lực mạnh,và hạt nhân cóthể nhả ramột proton. Tuynhiên, sự phát xạ proton kháhiếm; loạiphân rã phóng xạ phổ biến hơnở hạt nhân nặng làphân rã alpha, minhhọatrong hìnhr/4.[Phân rãalpha phổ biến hơn vì hạt alphalà sự sắp xếprất bềncủa cácneutron vàproton]. Sự không cân bằng lực tương tự như trên, nhưng kẻ bị phóng ra là hạt alpha(haiprotonvà hai neutron)chứ không phải một proton. Hạt nhân cũng có khả năngtách thành hai mảnh cókích thướcxấp xỉ bằng nhau, r/5, một quátrình gọi là sự phân hạch. Lưu ý là ngoài haimảnh vỡ lớn, còn có mộtchùm neutronriêng lẻ. Trongquả bom phânhạch hạt nhân hoặc lòphản ứng phân hạch hạt nhân, một số neutron này bayra và vachạm với hạt nhân khác, làm cho chúng cũng chịu sự phân hạch. Kết quả là một phản ứngdây chuyền. Khi một hạt nhân có thể chịu một trong những quátrình này,người ta nóinó có tính phóngxạ và chịu sự phân rãphóng xạ. Một số hạt nhân xuất hiện tự nhiên trên Trái Đấtcó tính phóngxạ. Thuật ngữ “phóng xạ” có nguồn gốctừ hình ảnhcủa Becquerelvề nhữngtia phátra từ một thứ gì đó, chứ không phải từ sóngvô tuyến, chúng làmộthiện tượng hoàn toànkhác. Thuật ngữ “phân rã” cũng cóthể hơi dễ nhầmlẫn, vìnó ám chỉ hạt nhân chuyển hóathànhbụi haydễ dàng biến mất– thật ra thì nó táchthànhhai hạtnhân mới với cùng tổng số protonvàneutron, nên thuật ngữ “biến đổi phóng xạ” sẽ thích hợp hơn.Mặc dù các electroncủa nguyên tử gốc chỉ là khán giả trong quá trìnhphân rãphóng xạ yếu, nhưng chúngta thường nói kém chặt chẽ là “nguyên tử phóng xạ” chứ khôngnói “hạt nhânphóng xạ”. Sự ngẫu nhiên trong vật lí học Làm sao một nguyên tử quyếtđịnh khinàothì phân rã? Chúngta có thể tưởng tượngđiều đó giống như một ngôi nhà bị mối mọt phá hoại càng ngày càng suy yếu đi, cho đến cuối cùngthì đến cái ngày trù định nó sẽ đổ sập xuống.Tuy nhiên,các thí nghiệm đã không thànhcôngtrong việc phát hiện “chiếc đồng hồ tíc tắc” như thế nằm dưới nền nhà; bằng chứnglà mọi nguyên tử của một đồngvị cho trướclà hoàn toànđồng nhất.Tại sao một nguyên tử uraniumlại phân rãvào lúc này, trongngày hôm nay, còn nguyên tử kia thì sống thêm hàng triệu năm nữa ? Câu trả lời cóvẻ nó là hoàn toàn ngẫu nhiên. Chúngta có thể phát biểu chung chung về thời gian trung bìnhcầnthiết cho một đồng vị nhất định phân rã, hay cần bao lâucho phân nửa số nguyên tử trong mộtvật phân rã (chukì bán rãcủa nó), nhưng chúng ta chưa baogiờ có thể tiên đoán được hànhvi của một nguyên tử nhất định. Đây làví dụ đầu tiên mà chúng ta gặp phải của sự ngẫu nhiên không thể tránh được trongcác định luật vậtlí. Nếu sự ngẫu nhiên này khiếncho bạn bực bội, hẳn bạn là một kẻ nghiêmtúc. Câunói nổi tiếng của Einsteinlà “… tôi bị thuyết phục rằng Ông ta(Chúa) không chơi trò xúc xắc”. Sự không ưa tínhngẫu nhiên của Einstein,và sự liên tưởng của ông về tính quyết địnhluậnvới thầnthánh,quaylại với quan niệm thời kì Khai sáng xemvũ trụ là một bộ máy khổng lồ chỉ được đưa vào chuyển độngban đầu bởi Đấngsáng tạo. Vật lí học phải đượcxây dựnglại toàn bộ trong thế kỉ thứ 20 để hợp nhất với tính ngẫu nhiên cơ bản của vật lí,và cuộc cách mạng hiện đại nàylà chủ đề củaquyển thứ sáu trongloạt bài giảngnày. Đặc biệt, chúngta sẽ gác lại sự phát triển của khái niệm chu kì bán ra cho đến lúc ấy. . Bài giảng Điện học (Phần 11) 2.5 Lực hạt nhân mạnh, phân rã alpha và sự phân hạch Một khicác nhàvật lí nhậnra hạt nhân gồm có những protontích điện dươngvà neutronkhông mangđiện,họ lại. tạo. Vật lí học phải đượcxây dựnglại toàn bộ trong thế kỉ thứ 20 để hợp nhất với tính ngẫu nhiên cơ bản của vật lí,và cuộc cách mạng hiện đại nàylà chủ đề củaquyển thứ sáu trongloạt bài giảngnày qualực hạtnhân mạnh, nhưng mỗi proton khác trong hạt nhântác dụng một lựcđẩy điện lên nó. Nếuhạt nhân đủ lớn, thì lựcđẩy điện tổng hợp cóthể đủ để thắng được sứchút của lực mạnh,và hạt nhân cóthể