CÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂN

CÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂNCÁC DẠNG CẤU TRÚC HẠT NHÂN

ĐẢNG HUY UYẺN H ATNHAN N H À X U Ẩ ’ B À N Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G ỈA h À N Ộ Đ A I H O C Q U Ố C G IA H À N Ộ I ĐẶNG HUY UYÉN CẤU TRÚC HẠT NHÂN N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I HỌC Q ố c G IA H À N Ộ I - 2001 C hịu trách nhiệm x u ấ t bản: Giám đốc NGUYỄN VÃN THOA Tổng biên tập NGUYEN THIỆN GIÁP Người n hản xét: GS TS CAO CHI PGS TS TRƯƠNG BIÊN PGS TS PHẠM QUỐC HÙNG B iên tập : PHẠM HỬU ĐOAN Trình bày bìa: NGỌC ANH CẤU TRÚC HẠT NHÂN M ã s ố : Đ H 0 - 3 0 In 0 c u ổ n , tạ i N h in Đ i h ọ c Q u ố c g ia H N ộ i S ô ' x u ấ t b ả n : 6 /3 /C X B S ố tr íc h n g a n g In x o n g v n ộ p lư u c h iể u q u í II n ă m 0 1 K H /X B LỜI GIỚI THIỆU C u ố n s c h c ấ u trú c h t nhân lẳ n đ ầ u tiê n m ắ t vờ i b n đọc, đ ặ c b iệ t đ ố i v ò i s in h v iê n c ủ a trư n g Đ H Q G H N ội Đ â y c u ổ n s c h c h u y ê n n g n h đ ã đ ợ c d y c h o n h iề u th ế h ệ s in h v iê n n ă m c u ố i n g n h V ật li H t n h ả n th ự c n g h iệ m G ầ n n ả m c u ố n s c h đ ã g iá o trình củ a c c th y g iả o ỏ B ộ m ô n V ật li H t n h â n th ự c n g h iệ m , K h o a V ậ t li Trư ờng Đ H T H H N ộ i (cũ) n a y trường Đ H K H T N , thu ộc Đ H Q G H Nội Đ â y c u ố n s c h d n h c h o n h ữ n g n g i m th ự c n g h iệ m vậ y n h ữ n g v ấ n đ ề li th u y ế t k h n g trìn h b y c h i tiế t m c h ỉ trin h b y n h ữ n g ý tư ỏ n g v n h ữ n g k ế t q u ả th ự c n g h iệ m ; g iú p c h o s in h v iê n c c n h n g h iê n c ứ u v ề c ấ u trú c h t n h n b n g c c s ố liệ u th ự c n g h iệ m đ o đư ợ c từ c c lo i p h ổ h t n h n D o đ ó c ó th ể c o i c u ố n s c h n y n h m ộ t c u ố n s c h vừ a th ự c n g h iệ m vừ a ti th u yế t, m ộ t cẩ m n a n g c h o c c n h n g h iê n u n ă n g lư ợ n g p h ổ h t n h ả n C u ố n s c h trin h b y tro n g v ò n g ba c h n g vớ i n h iề u tiể u m ụ c , h y v ọ n g m a n g lạ i n h ữ n g k iế n thứ c b ả n c h o c c n h th ự c n g h iệ m n g h iê n u tro n g ữnh vực H t n h â n M ặ c d ù c u ố n s c h đ ã trìn h b y n h iề u n m c h o s in h vié n n h iề u thô' h ệ n h n g đ â y lầ n đ ầ u tiê n đư ợc in ấ n x u ấ t b ả n c ó tính rộ n g rãi, c h â c c h n k tió n g tra n h k h ỏ i n iíữ iig th iế u í>ót X in m o n g đ ợ c s ự c h ì g iá o c ủ a b n đ ọ c N h â n d ịp n y tá c g iả x in c ả m ơn N h x u ấ t b ả n Đ i h ọ c Q u ố c g ia H N ộ i đ ã tạ o m ọ i đ iề u k iệ n th u ậ n lợ i đ ể c u ố n s c h sớm m ắ t b n đ ọ c , tà c g iả c ủ n g x in c m ơn c c th ế h ệ s in h viê n đ ã g h i c h é p lạ i b i g iả n g m ộ t c c h c ẩ n th ậ n , đ ặ c b iệ t s in h v ié n K đ ã c ù n g v i trợ li g iả n g d y trẻ H T h ụ y L o n g c ủ a B ộ m ô n V ậ t l i H t n h ã n đ ã b ỏ n h iề u c ô n g sứ c c h ế b ả n h iệ u đ in h h ìn h Mẽ c ũ n g n h c c c ò n g th ứ c tro n g q u trin h ấ n loát Tàc giả MỞ DẦU C c s ổ liệ u th ự c n g h iệ m đ ặ c trư n g c h o cá c q u trình b iế n đ ổ i b ê n tro n g củ a h t n h â n n g y c n g tâ n g v i k ỹ th u ậ t h t n h â n n g y c n g đ ọ c p h t triể n T h i d ụ từ lú c c h ì c ó ố n g đ ế m k h i n a y có d e te c to r b n d ẫ n v i đ ộ p h n g iả i ca o , từ lú c c ó m y g ia tố c đ n g iả n n h V a n d e g f c h o đ ế n n g y n a y có m y g ia tố c c c h t nặng, từ lú c c h ỉ c ó đ è n đ iệ n tử n g y n a y đ ã c ó c c v i m c h , từ lú c c ò n tín h to n b ằ n g ta y n a y c ó m y tinh Tất n h ữ n g k ỹ th u ậ t đ ó p h t triể n ch o p h é p c h ủ n g ta n h ậ n n h ữ n g s ố liệ u th ự c n g h iệ m h t n h â n n g y c n g c h in h xác D o đó, đ n h g ià c ấ u trủ c b ê n tro n g h t n h â n n g y c n g c h o p h é p c h ú n g ta c h u ẩ n đ o n c n g c h ín h x c Đ n g lẽ p h ả i c ó m ộ t li th u y ế t đ i trư c đư ợc c h u ẩ n đ o n c h u n g ch o c c lo i h t n h â n , n h n g c h o đ ế n n a y c ó th ể n ó i chưa c ó m ộ t li th u y ế t n o h o n h ả o m a n g tin h c h ấ t c h u n g c h o c c lo i h t n h ã n v i n h ữ n g khó khăn sau: L ự c h t n h â n ch a b iế t c h ắ c ch ắ n d n g tường m in h củ a H t n h â n m ộ t h ệ n h iề u hạt, th ế m tro n g to n h ọ c b i to án n h iề u h t c h o đ ế n n a y n g i ta v ẫ n chư a có c c h g iả i m ộ t cá ch c h in h xác, m ặ c d ù đ ã p h ả i s d ụ n g đ ế n cá c ch n g trình m y tính Vì ch a có m ộ t li th u y ế t h t n h â n c h u n g n o c h o n ê n n g i ta p h ả i tim li th u y ế t th ic h h ợ p đ ể g iả i th ic h c h o lo i h t n h â n c h ỉ g iả i th ic h đư ợ c m ộ t s ố đ ẫ c trư n g th ự c n g h iệ m m M ỗ i li th u y ế t tương ứng n h v ậ y n g i ta g ọ i c c m ẫ u h t nh ân C ác m ẫ u h t n h â n n y c h in h n g h iê n u c ấ u trú c từ n g lo i h t n h ã n tức n g h iê n cử u c ấ u trú c bên tro n g củ a h t nhân M Ụ C LỤC L i g iớ i th iệ u Mở đẩu M ụ c lụ c C huưng 1: Các tính c h ấ t ch un g h t n h â n n g u y ê n tử 11 T h n h phấn hạt nhàn N ă n g lư ợ n g ỉiê n k ế t, k h ố i lư ợ n g h t n h â n 1.3 C c lo i b iế n đ ổ i tự n h iê n v n h n tạ o c ủ a c c h t n h ả n không bền 11 1.3.1 S ự p h â n rã tự n h iê n S ự p h â n c h ia 12 1.3.2 Bức x ỵ v p h ả t c c h t 14 3 P h ả n rà p 15 M ộ t s ổ n h ậ n x é t r ú t trẽ n s n n g lư ợ n g liê n k ế t 16 C c m o m e n t từ v c c m o m e n t đ iệ n 17 1.5.1 M o m e n t từ n u c le o n 17 1.5.2 Toàn tử m o m e n t từ c ủ a h t n h ả n M o m e n t từ c ủ a h t nhản D ng c o n g S c h m id ỉ 19 1.5.3 M o m e n t [ứ cực đ iệ n củ a h t n h â n K íc h th c h t n h â n v s ự p h â n b ố m ặ t đ ộ tr o n g h t n h â n L ự c h t n h â n 28 31 1.7.1 S ự p h ụ th u ộ c v o s p in củ a h t n h â n 32 S p in đ ố n g v ị 36 C c lực tra o đ ổ i C c tr n g th i k íc h th íc h c ủ a h t n h â n 38 44 P h ổ n n g lư ợng 44 1.8.2 P h n g p h p xá c đ ịn h c c m ứ c n n g lư ợ n g 47 S p in s ố c h ẵ n lẻ củ a c c trạ n g th ả i 53 Chương 2: M ộ t s ô m ẩu h t nhân th ôn g d ụ n g M ẫ u k h í F e rm i 57 57 1 Đ ộ n g n ă n g , n ả n g lư ợ n g đ ố i x ứ n g 57 2.1.2 T h ế n ă n g 61 2.1.3 N ã n g lư ợ n g b ề m ặ t 64 2.1.4 N ă n g lư ợ n g C o u lo m b n ă n g lư ợ n g c ặ p 68 2.1 C ó n g th ứ c n n g lư ợ n g liê n k ế tb n th ự c n g h iệ m m ẫ u g iọ t 69 2.2 Mầu lớp 71 2.2.1 C c s ự k iệ n th ự c n g h iệ m 72 2.2.2 T rư n g th ế 76 2 H m th ế c h ữ n h ậ t 81 2.2.4 H m th ế P a r a b o l 83 2.2.5 T o n g tá c s p in v q u ĩ đ o 87 2.2.6 N h ữ n g tiê u c h u ẩ n c ủ a m ẫ u lò p 92 2 S ự d ịc h c h u y ể n đ iệ n từ tro n g m ẫ u ló p 99 M ầ u m ộ t h t c ủ a h t n h â n b iế n d a n g 104 2.3.1 K h i n iệ m m ỏ đ ầ u 104 2.3.2 T rư n g th ế c ủ a h t n h â n đ ố i x ứ n g trụ c 105 2.3.3 S d ụ n g s đ N ils o n 111 M u s u y r ộ n g 115 2.4 K h i n iệ m c h u n g 115 2.4.2 D a o đ ô n g tậ p th ể n u c le o n c ủ a h t n h ả n 117 2.4.3 C h u y ể n đ ộ n g q u a y c ủ a h t n h â n 127 Chưomg 3: L í th u y ế t xạ Gama M ố i liê n q u a n g iữ a c c đ a c ự c c ủ a b ứ c x g a m a v m o m e n t đ ộ n g lư ợ n g c ủ a lư ợ n g tử g a m a X c s u ấ t b ứ c x g a m a Q u i t ắ c lư a 146 ch ọ n xạ g a m a 151 Bài tập 155 Tài liệu tham khảo 156 CHƯƠNG CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CÁC HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 1.1 T H À N H P H Ầ N CỦA H Ạ T N H Â N Năm 1911, Rutherford người dầu tiên nêu khái niệm hạt nhân ngun tử Ơng chứng m inh rằng: điện tích dương nguyên tử xem phần nhỏ, tồn khối lượng tập trung hạt nhân đặt ỏ điểm nguyên tử bán kính lõi có cỡ nhỏ 10‘5 lần bán kính nguyên tử Chúng ta nhớ lạ i là: Điện tích hạt nhân số nguyên lần điện tích nguyên tố e tức Ze (Trong điện tích điện tử -e z ỉà số nguyên đặc trưng cho vị tr í nguyên tử bảng tuần hoàn Mendeleep) Năm 1913 J J Thomson rằng: điện tích khơng xác định khơ'i lượng hạt nhân Do hạt nhân có điện tích giống sô' khối khác gọi đồng vị Số khối hạt nhân nguyên tử thường kí hiệu chữ A Năm 1932 Chadwick tìm hạt neutron sau Ivanenko Heisenberg đưa giả thuyết cấu trúc hạt nhân Theo ơng proton neutron thành phần hạt nhân Như hạt nhân có số khối A có nghĩa hạt nhân có z proton có N = A-Z neutron tạo thành Rõ ràng đối vởi đồng v ị có số proton giống tức z nhau, số N khác Cho nên tính chất hố học nguyên tử chứa hạt nhân dồng vị thực tế Các hạt nhân có số z khác nhau, số neutron gọi đồng neutron Proton neutron gọi nucleon Như vậy, sơ nucleon hạt nhân sơ khơi A Các hạt nhân có sơ khơi A người ta gọi các' hạt nhân đồng lượng Trong hạt nhân thơng số quan trọng đặc biệt hạt nhân dồng lường người ta thường dùng số lượng tử spin dồng vị đổ dặc trưng cho trạng thái nucleon, trạng thái proton neutron tức ta có biểu thức spin đồng vị theo trục z là: Ty - (N - z ) Tóm lạ i có số đưực đặc trưng cho hạt nhân A, z , N , Tỵ Thông thường người ta biểu thị hạt nhân kí hiệu VA / a n • đó: X tên nguyên tố Các đặc trưng nucleon là: Khỏi lượng* Điện tích Spin Moment từ Tinh chát thống kê Đối với 1,00867 1/2 -1.9131 Fermi 1,00728 1e 1/2 2,7928 Fermi neutron Đối với proton Bảng 1.1 * Lấy nguyên tử lượng Cacbon làm đơn vị sỏ eft Moment từ tinh theo magneton hạt nhân (tửc = — ), M rc M p khối lượng proton K ố u t :\ c h ú V t i (lồ t h ị h i ể u t h ị c c đ n g v ị h t n h â n t r ê n t o (ló tlu*o sỏ z N Ĩ có: Đường đóng nơtron 1.2 NÀNG LƯỢNG L IÊ N KỂT,' K H O I LƯỢNG H ẠmT NHẢN • m N A n ic r» l o« ’n £c c n n íhiốt đ ổ enữ c c n u r l n o n t r o n c~ r hạt nhan người ta gọi lượng liên kết kí hiệu B(N,Z) Theo biểu thức Einstein lượng khcíi lượng nàng lượng liên kết phụ thuộc vào chênh lệch khôi lượng hạt nhân khối lượng nucleon Đồng thời người ta gọi chênh lệch khối lượng hao khôi tách nucleon khỏi hạt nhân kí hiệu AM Do dó ta cỏ B(N,Z) = AM c2; dầy c tốc độ ánh sáng chân không Nếu M(Z,N) khối lượng nguyên tử trung hoà chứa z số proton N số neutron; M |t M N khối lượng nguvên tử trung hồ hydro khơi lượng neutron, lượng liên kết là: z H inh 32 ú : ô(,-)=ô(-)+^f '- - V ị ) - , ? ■ ; Chẵn lẻ hàm sóng cùa hộ trù ng với chần lẻ hàm sóng chuyển động nội tạ i X- Với hàm sóng y ứng vói giá tr ị khác I giá tộ tạo thành dãy quay I=K , K + l, K+2, rõ ràng K=0 ta có: I = \ \ \ 1=1', 3', 5', Năng lượng trạng thái hạt nhân quay mơ tả, K * l/2 th ì thành phần Coriơlit bỏ qua, ta có: tr o n g dó: H 0’( r ’)vỊ/= E K‘\|> Vậy ta có: E = E“ + |^I(I+ ) (*) tr ị riêng I 1(1+1) K hi K = l/2 th ì ảnh hưởng thành phần Coriôlit tăng lên E khác với công thức (*) nhiều Trường hợp ỏ không khảo sát tới 142 2.4.3.5 So sánh với thực nghiệm Mẫu mỏ tả hạt nhân vùng 150dỏ có xạ gama xuất hiện, tức lànó phụ thuộc vào lượng, spin, chằn lỏ mức kích thích Giả sử có xạ L = tức xạ lưỡng cực điện Trong điện dộng lực học cổ cliổn ỏ lý thuyết lượng tử trường điện từ, giây lưỡng cực cho lượng là: u * g ' ' c Trong (ló co tần số dao dộng cưa lưỡng cực, ji biên độ dao dộng lưỡng cực Lưỡng cực xạ lượng tử có u nàng lường /ko , xác suất xạ AltĩJf = — = - — 11 tm 3/ic3 Nếu R bán kính hạt nhân, e điện tích proton ụ biên độ |A-2éR Ta đà biết lưỡng cực có ba thành phần thực* chíít chi rò llianh phần phát búc xạ gama Do dó 1-1“, phải chia ba dổ lấy phần Ta có xác suất xạ trường điện là: A , , H = w 9hc’ Đ ôì vớ i L>1theoc ơh ọ ccổđiểnthì n ếuhạt gam ac ókhối lượng xác định moment dộng lượng, xung lượng, bán kính vector có giá trị xác định Với mối liên hệ đó, ta có moment động lượng là: 151 L = h - L đó, X bước sóng Do Broglie Ằ Như vậy, photon chuyển độnẹ; quĩ đạo xác định Trong thực tế, gama khơng có quĩ đạo xác định điện từ trường có bưóc sóng X lớn Trường diện từ khơng tuể nén phần trường có kích thưổc nhỏ X Do nghiên cứu cách gần giả thiết photon tồn chuyển động bán kính r ( r, Tức là: = (L - l ) x r, = LX Trường điện từ truyền vối biên độ giảm nhanh Irong hạt nhân, khác không, giá t r ị bé Ngưòi ta tính xác suất dịch chuyển nhỏ trưòng hợp L =1 đơn vị là: g đó, O) = h ' = -L h Vậy, xác suất dịch chuyển L >1 là: ^E (I-> I) _ T I1 n í 0) \ L + _ C0 R 2(I h 4e R CO 9/íc ' R 2I 152 N g i ta c h ứ n g m in h (ìược r ằ n g , với xạ củ a từ trư ờng s ẽ là: A ụ_u>,) = A /.:(í.>,)1 h ' đó, m khối lượng proton Theo học lượng tử, ta có: « (/.> l) l/q ; '->í J Ị\ \ I f (