Vật lý hạt nhân và vật lý nơtron tài liệu gồm 2 phần: Phần 1 những kiến thức cơ bản về vật lý hạt nhân, phần 2 tương tác của nơtron với vật chất. Mời các bạn tham khảo Vật lý hạt nhân và vật lý nơtron tài liệu gồm 2 phần: Phần 1 những kiến thức cơ bản về vật lý hạt nhân, phần 2 tương tác của nơtron với vật chất. Mời các bạn tham khảo
Chương SƠ LƯỢC VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ NƠTRON PGS TS Nguyễn Nhị Điền Đà Lạt, 2014 Phần NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN Một số kiện tiền đề góp phần vào đời ngành Vật lý hạt nhân: Phát tia X: + Năm 1895, Wilhelm Roentgen phát tia X-rays mà ngày vào lịch sử ứng dụng ngành y học Phát tia xạ: + Năm 1896, Henri Becquerel phát tia xạ đặc biệt (tia phóng xạ) Uranium làm đen kính ảnh Phát electron e-: + Năm 1897, J Thomson tìm hạt sơ cấp đầu tiên, hạt electron thành phần tia cathode Một số kiện tiền đề góp phần vào đời ngành Vật lý hạt nhân: Tìm nguyên tố phóng xạ: + Năm 1898, Marie Pierre Curie tìm nguyên tố phóng xạ Radium Polonium + Năm 1902, Ernest Rutherford giải thích tượng phân rã phóng xạ Một số kiện tiền đề góp phần vào đời ngành Vật lý hạt nhân: + Năm 1905, thuyết tương đối Albert Einstein đời, ông tìm mối liên hệ lượng E khối lượng m vất chất E = mc2 với c = 3.108 m/s + Một hạt có khối lượng bé chuyển thành lượng lớn Ngành Năng lượng hạt nhân đời + Vật lý hạt nhân sử dụng triệt để tư tưởng vật lý đại tính lượng tử tính tương đối Bức xạ ion hoá tương tác xạ với vật chất: • Bức xạ ion hoá: • Là loại xạ có khả tạo ion hoá môi trường vật chất mà qua •Tia X, tia gamma: xạ điện từ có bước sóng ngắn •Tia alpha, beta: hạt mang điện •Nơtron: hạt trung hòa, không mang điện • Tia X phát từ cấu trúc điện tử nguyên tử • Tia gamma, beta, alpha phát trình biến đổi hạt nhân • Nơtron: hạt không mang điện, với proton tạo thành hạt nhân nguyên tử Bức xạ ion hoá tương tác xạ với vật chất: • Tia alpha hạt mang điện tích dương nên lệch phía cực âm điện trường Điện tích hạt α gấp lần điện tích hạt proton, có khối lượng khối lượng nguyên tử heli Vận tốc khoảng 20.000 km/s • Tia beta mang điện tích âm nên lệch phía cực dương điện trường, hạt electron Vận tốc khoảng 100.000 km/s • Tia gamma xạ điện từ, không lệch cực điện trường, có chất tia sáng Tốc độ ánh sáng Tương tác hạt alpha bêta với vật chất: • hạt mang điện nên gây ion hoá mạnh • nhanh chóng lượng tương tác nên khả xuyên sâu Một tờ giấy đủ ngăn chùm hạt alpha lượng 1.5 MeV Tương tác nơtron với vật chất: - tán xạ, lượng dần, đặc biệt nguyên tố nhẹ - kích hoạt nơtron: bị hấp thụ hạt nhân tạo thành đồng vị phóng xạ phát xạ gamma, bêta, alpha - kích hoạt nơtron cách để tạo đồng vị phóng xạ Lò phản ứng hạt nhân 59Co(n, γ)60Co Tương tác tia X tia gamma với vật chất: • hấp thụ quang điện: hấp thụ toàn lượng phát điện tử • tán xạ compton: tán xạ với điện tử, truyền phần lượng cho điện tử • tạo cặp: tương tác với trường điện từ hạt nhân, tạo cặp electronpositron • Khả xuyên sâu lớn I = B Io exp(-µ.d.x) Cần che chắn vật liệu nặng Cấu trúc nguyên tử hạt nhân: - Năm 1911, mẫu nguyên tử có hạt nhân E Rutherford đời, đánh dấu thời điểm khởi đầu Vật lý HN (dùng hạt alpha bắn phá nguyên tử, phát tồn hạt nhân kích thước cỡ 10-12cm) - Nguyên tử gồm: Hạt nhân & điện tử (J Thomson tìm hạt e- từ năm 1897) - Hạt nhân gồm: Các proton (p) nơtron (n), hay gọi chung hạt nucleon (giả thuyết Ivanenko & Heisenberg năm 1932) - Proton có điện tích dương (Rutherford tìm năm 1914) Nơrton hạt trung hòa không mang điện (James Chadwick tìm năm 1932) 10 4.3 Tiết diện nơtron (Neutron cross section): Mức độ tương tác nơtron với vật chất mô tả lượng (con số) gọi tiết diện tương tác (cross section) Chúng định nghĩa tốc độ tương tác nguyên tử bia với đơn vị cường độ chùm nơtron Tiết diện tương tác có thứ nguyên diện tích đo đơn vị barn (b), b = 10-24 cm2 Bảng 2.4 Các tiết diện tương tác nơtron với đồng vị 9Be, 12C, 10B 235U Nuclei σt σs σa σγ σf σα 9Be 7,01 0,01 0,01 - - 12C 4,8034 4,8 0,0034 0,0034 - - 10B 4014 4,0 4010 0,5 - 4009,5 235U 704 10 694 112 582 59 Trong đó: σt= σa+σs tiết diện toàn phần; σs tiết diện tán xạ; σa tiết diện hấp thụ nơtron; σa=σγ+σα+σf+ … Cross section (barns) Neutron energy (eV) Neutron energy (eV) Neutron energy (MeV) Hình 2.3 Tiết diện toàn phần tương tác nơtron với 238U hàm 60 lượng Khuếch tán nơtron 5.1 Phương trình khuếch tán (Diffusion equation): Là mô tả khuếch tán nơtron môi trường Nó thu từ phương trình cân sản phẩm tạo ra, hấp thụ rò nơtron thể tích cho: ∂Φ = D∆Φ −∑aΦ + S v ∂t (2.5) Φ thông lượng nơtron, D hệ số khuếch tán, ∆ toán tử Laplace, Σa tiết diện hấp thụ vĩ mô, v vận tốc nơtron S nguồn nơtron Trong trường hợp dừng, tốc độ thay đổi nơtron 0, phương trình (2.5) trở thành: D∆Φ −∑aΦ + S = (2.6) 61 5.2 Các điều kiện biên: Trong nhiều toán, nơtron khuếch tán môi trường có bề mặt bề mặt môi trường không khí Các điều kiện biên trường hợp thông lượng triệt tiêu khoảng cách nhỏ d sau bề mặt môi trường không khí Thông số d gọi độ dài ngoại suy (extrapolation), Hình 2.4: d = 0.71 λtr (2.7) λtr=3D độ dài dịch chuyển tự trung bình môi trường Các điều kiện biên khác bề mặt hai môi trường khác nhau, vùng hoạt lò vành phản xạ Các điều kiện thông lượng dòng nơtron tới bề mặt phải tiếp tục qua biên (Hình 2.5) Tức là: Φ1 (x-0) = Φ2 (x+0) ∂Φ2 ∂Φ1 D1 ( x − 0) = D ( x + 0) ∂x x− ∂x x+ (2.8) (2.9) 62 ↑ Medium Medium Φ x x-0 x+0 Φ0 Diffusion medium Vacuum or air Φ1 Φ2 ∂ Φ1 ∂ Φ D1 (x − 0) + D (x 0) ∂x ∂ x x −0 x +0 d x Hình 2.4 Khoảng cách ngoại suy từ bề mặt Hình 2.5 Các điều kiên biên môi trường 63 5.3 Nghiệm phương trình khuếch tán nhóm: Để đơn giản toán, xem sinh ra, khuếch tán hấp thụ nơtron xẩy lượng nhiệt (không xem xét đến việc làm chậm nơtron) Với nguồn nơtron nhiệt S thì: (2.10) S = k∑aΦ Phương trình khuếch tán (2.6) trở thành phương trình nhóm nơtron (one-group diffusion equation): ∆Φ + B2Φ = B2 = L2 = (2.11) k− ; B2 Laplacien hay Buckling (2.13) L D Σa ; L độ dài khuếch tán nơtron nhiệt (2.14) 64 Đại lượng B2 gọi Buckling, L2 diện tích khuếch tán (diffusion area), L độ dài khuếch tán (diffusion length) k hệ số nhân (multiplication coefficient) môi trường Nghiệm phương trình (2.11) lò có hình học khác thu với điều kiện biên bề mặt môi trường không khí z z (r, θ, ϕ) R0 r ϕ θ R0 H0 z r ϕ z (r, ϕ, z) c0 x x b/ y y a0 b0 a/ (x,y,z) c/ Hình 2.6 Lò trần (không có vành phản xạ) với hình học khác nhau: a Hình cầu; b Hình trụ; c Hình hộp 65 * Với lò hình cầu (Hình 2.6a): Phương trình: ∂ 2Φ ∂Φ + + B gΦ = r ∂r ∂r Nghiệm: Φ(r) = A Ở Bg = R = R0 + d π R ( ) sin B g r r (2.14) (2.15) (2.16) (2.17) Bg gọi Buckling hình học (geometrical Buckling) lò phản ứng 66 * Với lò hình trụ (Hình 2.6b): Ph/trình: ∂2Φ ∂Φ ∂2Φ + + + Bg Φ = r ∂r ∂r ∂z Nghiệm: Φ(r,z) = A cos (Bgz z) J0 (Bgr r) Với Bgz = π Bgr = H 2,405 R π 2,405 2 Bg = Bgz + Bgr = + H R (2.18) (2.19) (2.20) H = H0 + 2d R = R0 + d (2.21) (2.22) 67 * Với lò hình hộp (parallelepiped reactor) (Hình 2.6c): ∂ 2Φ ∂ 2Φ ∂ 2Φ B + + + gΦ = 2 ∂x ∂y ∂z (2.23) Nghiệm: Φ(x,y,z) = Acos(Bgxx) cos(Bgyy) cos(Bgzz) (2.24) Ph/trình: π Bgx = a π π ; Bgy = ; Bgz = b c 2 π π π 2 + B gz = + + B g2 = B gx + B gy a b c a = a0 + 2d ; b = b0 + 2d ; c = c0 + 2d (2.25) (2.26) (2.27) 68 Các thông số chất làm chậm 6.1 Công suất làm chậm (Moderating power ξΣs)” Khả làm chậm nơtron vật liệu chất làm chậm đo đại lượng số ξΣs, với Σs = Nσs tiết diện tán xạ vĩ mô Khả làm chậm có tính đến tần suất va chạm tán xạ (scattering collisions) lượng va chạm ξΣ s 6.2 Moderating ratio Σ : Khả làm chậm không cho a thông tin khả hấp thụ nơtron vật liệu Có vật liệu có khả làm chậm cao hấp thụ nơtron cao dùng làm chất làm chậm lò Bởi vậy, số hợp lý chất lượng chất làm chậm hệ số chất làm chậm (moderating ratio) ξΣ s , với Σa = Nσa tiết diện hấp thụ vĩ mô nơtron, Σ a N mật độ hạt nhân chất làm chậm 69 6.3 Độ dài làm chậm Ls: Nơtron phân hạch sinh A 18,2 nhiệt hóa va chạm để tới điểm B (Hình 2.7) Có thể biểu ξ diễn giá trị toàn phương (quadratic mean) đường quảng đường AB cho công thức sau: L s = (AB) (2.28) Ls độ dài làm chậm 6.4 Độ dài khuếch tán (Diffusion length) L: Khi nơtron nhiệt hóa điểm B, tiếp tục di chuyển chất làm chậm bị hấp thụ điểm C (Hình 2.7) Sự tương quan tương tự (2.28) viết sau: 6L2 = (B C) (2.29) L độ dài khuếch tán, biểu thị theo công thức (2.13) D L = Σa 70 ↑ 6.5 Thời gian làm chậm (Moderation time) tm: Thời gian làm chậm tm thời điểm nơtron phân hạch sinh thời điểm trở thành nơtron nhiệt 6.6 Thời gian khuếch tán (Diffusion time) td: Thời gian khuếch tán td thời điểm nơtron trở thành nhiệt thời điểm bị hấp thụ 6.7 Thời gian sống nơtron (Life time of neutron) thời gian làm chậm thời gian khuếch tán: = tm + td : Là tổng (2.30) 71 B A E0 = MeV ET = 0.025 eV Làm chậm (Moderation) tm Khuếch tán (Diffusion) C td Hình 2.7 Làm chậm khuếch tán nơtron 72 ↑ Bảng 2.5 Các thông số Ls, L, D, ξΣs, chất làm chậm ξΣ s , t t số m d Σa Modera tors Ls (cm) L (cm) D (cm-1) ξΣs ξΣ s Σa tm (s) td (s) H20 5.75 2.88 0.16 1.350 61 1.10-5 2.1.10-4 D20 11 171 0.87 0.188 5700 4.6.10-5 0.15 Be 9.9 24 0.50 0.155 125 6.7.10-5 4.3.10-3 C 17.3 50 0.84 0.061 205 1.5.10-4 1.2.10-2 73 ... ngun tử hạt nhân: Điện tử: e- = 1, 602x10 -1 9 culơng, me- = 9 ,11 x1 0-2 8 g Ngun tử Hạt nhân: mp = 18 36 me-, mn = 18 38 me- Hạt nhân có số khối A, số proton số ngun tử Z (thứ tự bảng tuần hồn), số nơtron. .. đầu Vật lý HN (dùng hạt alpha bắn phá ngun tử, phát tồn hạt nhân kích thước cỡ 10 -1 2 cm) - Ngun tử gồm: Hạt nhân & điện tử (J Thomson tìm hạt e- từ năm 18 97) - Hạt nhân gồm: Các proton (p) nơtron. .. isotopes) 13 O, 14 O, 15 O, 19 O 20O Đơn vị khối lượng ngun tử (atomic mass unit), viết tắt amu, phần 12 khối lượng ngun tử 12 C trung hòa, tức là: amu = (1/ 12) x m (12 C) = 1. 66053 .10 -2 7 kg (1. 1) 13 Bán