Bài giảng cơ sở vật lý hạt nhân Chương I

HỌC PHẦN NE3012 CƠ SỞ VẬT LÝ HẠT NHÂN GV Trần Kim Tuấn Viện Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý Môi trƣờng Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân bền • Nội dung: gồm vấn đề Thành phần cấu tạo Điện tích Kích thƣớc Khối lƣợng Năng lƣợng liên kết Spin, Tính chẵn lẻ, Momen lƣỡng cực từ, Momen tứ cực điện Spin đồng vị Trạng thái kích thích hạt nhân Các tính chất lực hạt nhân NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân • Nguyên tử: gồm hạt nhân mang điện dƣơng điện tử quỹ đạo, đƣợc liên kết lực Coulomb (Rutherford, 1911)  Hạt nhân có khối lƣợng ≈ KL nguyên tử, kích thƣớc nhỏ (~ 10–13 cm) so với nguyên tử (~ 10–8 cm), số điện tích (+) tổng điện tích (–) số điện tử quỹ đạo  Các mẫu nguyên tử: mẫu học lƣợng tử → mây điện tích • Hạt nhân: – gồm notron proton (gọi chung: nucleon), – liên kết lực hạt nhân có cƣờng độ mạnh (thắng lực đẩy Coulomb proton mang điện tích dƣơng) – tạo thành hạt nhân bền vững NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp) • Hạt mức độ vật lý hạt nhân  Điện tử ( e ): q = -1e; me = 9,11×10–31 kg  Proton ( p ): q = +1e; mp = 1,673×10–27 kg  Notron ( n ): q = (đo đƣợc ~ 2×10–20e) mn = 1,675×10–27 kg → mn > mp; mn mp ~ 2.000 me  e, p, n: đƣợc coi hạt vật lý hạt nhân, khơng bị phân chia (lƣu ý: 1e = 1,6×10–19 C) NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp) Ký hiệu nguyên tử - hạt nhân: A ZX XA X-A (Z,A) Với:  X = ký hiệu nguyên tố  Z = nguyên tử số (số proton hạt nhân)  A = số khối (số nucleon hạt nhân) = Z + N  N = số notron hạt nhân =A–Z Ví dụ: 235 U235 U–235 (92,235) 92U NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Ký hiệu khối lượng: • Nguyên tử: M(ZXA) M(ZXA) ≈ AM(1H1) • Hạt nhân: m(ZXA) M(ZXA) ≈ m(ZXA) + Zme m(ZXA) ≠ Zmp + Nmn Thực nghiệm cho thấy m(ZXA) < Zmp + Nmn Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp) • Các đồng vị nguyên tố: nguyên tử/ hạt nhân nguyên tố (cùng số Z) nhƣng có số khối A (hay số notron N) khác  Ví dụ: 8O 14, 8O 15, 8O 16, 8O 17, 8O 18, 8O 19, 8O 20  Các đồng vị có tính chất hóa học (trừ đồng vị ngun tố nhẹ hydro) 1H 1, 1D (D2O đóng băng 3,28°C, sôi 101,4°C), 1T3  Hạt nhân có độ bền khác tùy thuộc vào tỷ lệ N/Z hạt nhân  Đồng vị bền: tồn tự nhiên  Đồng vị khơng bền: tự phát biến đổi thành hạt nhân khác (hiện tƣợng phân rã phóng xạ) NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp) • Phân loại hạt nhân theo độ bền vững:  Hạt nhân bền:  Các đặc trưng: số khối A, điện tích Z, khối lƣợng hạt nhân M, lƣợng liên kết ΔW, bán kính hạt nhân R, spin , momen từ , momen tứ cực điện , spin đồng vị T, tính chẵn lẻ hàm sóng  Hạt nhân khơng bền (hạt nhân phóng xạ): hạt nhân tự biến đổi để trở thành hạt nhân khác, kèm theo phát hạt mang điện không mang điện, phát hai loại  Những đặc trưng: loại biến đổi phóng xạ (α hay β, n, γ…), chu kỳ rã nửa (bán rã) T1/2, lƣợng hạt phát  Hạt nhân: có trạng thái (ứng mức lƣợng thấp nhất) trạng thái kích thích (ứng mức lƣợng cao hơn)  Hạt nhân trạng thái kích thích: thƣờng khơng bền, giải phóng lƣợng kích thích cách phát xạ γ hay n để thành hạt nhân bền  Đặc trƣng hạt nhân: rõ trạng thái nào, khơng hiểu ứng với trạng thái hạt nhân NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp)  Hiện biết ~ 3200 đồng vị, có:  266 đồng vị bền, tồn tự nhiên  65 đồng vị phân rã tồn tự nhiên (sống dài, chu kỳ bán rã lớn)  Còn lại đồng vị không bền, sản phẩm phân rã hay nhân tạo  Đồng vị nhẹ 1H1 nặng 109Mt269 (Meitnerium)  Độ phổ biến đồng vị tự nhiên: tỷ lệ hạt nhân đồng vị mẫu hỗn hợp đồng vị nguyên tố tự nhiên VD: độ phổ biến đồng vị uran U234 (0,0058% - 245,5 nghìn năm), U235(0,711% - 704 triệu năm), U238 (99,284% - 4,47 tỉ năm)  Bảng đồng vị: liệu đồng vị biết tƣơng đối phổ biến  Z, A, khối lƣợng (nguyên tử, hạt nhân), độ phổ biến, tính bền, phân rã, lƣợng phân rã … NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp)  Ví dụ bảng đồng vị:  Với hạt nhân bền  Z nhỏ: N = Z  Z lớn: tỷ số N/Z tăng lên  Với hạt nhân không bền  Cách xa tỷ lệ N/Z bền  Cách xa: chu kỳ bán rã T1/2 nhỏ → khơng bền, kích thích lớn, dễ phân rã NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I.1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp) • Phân loại hạt nhân / nguyên tử theo số N / Z  Đồng vị (isotope): số Z, khác số N (A) VD: 8O14, 8O15, 8O16, 8O17, 8O18  Đồng khối (isobar): số A = Z + N VD: 5B14, 6C14, 7N14, 8O14  Isotone: số N, khác số Z (A) VD: 6C14, 7N15, 8O16  Isomer: hạt nhân trạng thái kích thích có thời gian sống dài (giả bền) VD: hạt nhân isomer 27Co60m hạt nhân Co60 trạng thái kích thích thấp với lƣợng kích thích E = 59 keV thời gian sống dài τ = 10,5 phút NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 10 I.8 : Trạng thái kích thích hạt nhân (tiếp) Một số sơ đồ mức lƣợng trạng thái kích thích dƣới MeV • Hình vẽ NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 76 I.8 : Trạng thái kích thích hạt nhân (tiếp)  Nhận xét sơ đồ mức lƣợng hạt nhân: • Một số hạt nhân nhƣ 83Bi209 có sơ đồ mức đơn giản, sơ đồ mức số hạt nhân nhƣ 73Tl182 lại phức tạp • Có quy luật lặp lại mức (0+, 2+, 4+, 6+, 8+, …) nhƣ 76Os178 tất hạt nhân chẵn – chẵn khoảng 150 ≤ A ≤ 190 • Các cấu trúc mức nhƣ 52Te120 thấy xuất nhiều hạt nhân khoảng 50 ≤ A ≤ 150  Nghiên cứu sơ đồ mức hạt nhân: phân biệt trạng thái kích thích kích thích nucleon hóa trị hay kích thích tập thể lõi hạt nhân o Bằng cách so sánh đặc trƣng mức: giả thuyết phù hợp với kết thực nghiệm o Có thể giải thích chi tiết cấu trúc hạt nhân NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 77 I.8 : Trạng thái kích thích hạt nhân (tiếp) Sơ đồ mức lƣợng nucleon hạt nhân NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 78 I.8 : Trạng thái kích thích hạt nhân (tiếp)  Chuyển dời trạng thái hạt nhân: (CHLT) • Một trạng thái dừng thực hệ: tồn mãi, bền – Trong trạng thái dừng: giá trị kỳ vọng đại lƣợng đo đƣợc từ việc tính hàm sóng dừng hệ  giá trị kỳ vọng lƣợng hệ số, không đổi theo thời gian – Năng lƣợng trạng thái dừng có giá trị xác định với độ bất định không, nên theo nguyên lý bất định Heisenberg có ΔE Δt  ħ/2; ΔE =  Δt = ∞ Vậy trạng thái có lƣợng xác tồn mãi hay có thời gian phân rã vô (về trạng thái có lƣợng thấp hơn) • Xét hệ có tương tác V: giải phƣơng trình Schrodinger  tập hợp trạng thái dừng Ψn (trạng thái riêng) giá trị lƣợng riêng En tƣơng ứng NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 79 I.8 : Trạng thái kích thích hạt nhân (tiếp)  Chuyển dời trạng thái hạt nhân: (tiếp) • Nếu hệ chịu tƣơng tác phụ nhẹ V’: coi Ψn nhƣ trạng thái riêng gần hệ với tƣơng tác (V + V’) • Tƣơng tác phụ yếu V’: cho phép hệ chuyển dời trạng thái riêng “gần đúng” Ψn • Năng lượng phải bảo tồn hệ chuyển từ trạng thái ban đầu Ei đến trạng thái cuối Ef Hiệu mức lƣợng E f  Ei phải xuất dƣới dạng xạ (lƣợng tử, photon) phát phân rã trạng thái • Một trạng thái khơng dừng: có độ bất định lƣợng ΔE ≠ 0, gọi độ rộng mức Γ = ΔE Thời gian sống trung bình trạng thái thời gian Δt để thực phép đo lƣợng NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 80 I.8 : Trạng thái kích thích hạt nhân (tiếp)  Chuyển dời trạng thái hạt nhân: (tiếp) • Theo hệ thức bất định : E.t  →  / • Xác suất phân rã λ trạng thái (= xác suất chuyển dời) đƣợc xác định theo “quy tắc vàng Fermi”: 2 '   Vfi   Ef   Vfi'   *f V'  idv' với ρ(Ef) = mật độ trạng thái cuối = số trạng thái cuối khoảng đơn vị lƣợng Ef • Mật độ trạng thái cuối ρ(Ef) phải đƣợc tính dựa loại phân rã xảy ra, nhƣ phân rã β, phân rã γ, tán xạ, phản ứng hạt nhân… • Thời gian điển hình cho phản ứng hạt nhân ~ 10–20 s; thời gian chuyển dời trạng thái (phân rã γ) ~ 10–12 s ÷ 10–9 s vài s ÷ vài (ở trạng thái isomer) NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 81 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân  Các tính chất lực hạt nhân suy đoán đƣợc: Ở khoảng cách ngắn (~ fm): lực hạt nhân lực hút mạnh lực Culomb, thắng đƣợc lực đẩy proton hạt nhân Ở khoảng cách dài, cỡ kích thƣớc nguyên tử ~ Aº, lực hạt nhân nhỏ đến mức bỏ qua: tƣơng tác hạt nhân phân tử giải thích đƣợc dựa lực Culomb Một số hạt không tham gia tƣơng tác hạt nhân: VD khơng có chứng từ cấu trúc nguyên tử cho thấy điện tử chịu tác dụng lực hạt nhân  Các tính chất lực hạt nhân phát qua thực nghiệm: Lực hạt nhân nucleon – nucleon gần nhƣ khơng phụ thuộc vào loại nucleon (notron/proton): tính độc lập với điện tích Lực nucleon – nucleon phụ thuộc vào định hướng tương đối spin nucleon (song song / phản song song) NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 82 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân (tiếp)  Các tính chất lực hạt nhân phát qua thực nghiệm: Lực nucleon – nucleon có thành phần lực đẩy, giữ cho nucleon cách khoảng cách trung bình Lực nucleon – nucleon có thành phần khơng xun tâm: momen góc quỹ đạo nucleon khơng bảo tồn (Momen góc quỹ đạo bảo tồn chuyển động trƣờng xuyên tâm)  Hạt nhân deterium 1D2 hay 1H2  Trƣờng hợp lý tƣởng để nghiên cứu tƣơng tác nucleon – nucleon  Chỉ có liên kết yếu khơng có trạng thái kích thích: - Năng lƣợng liên kết: BE = 2,2246 MeV - Năng lƣợng liên kết trung bình: ε = 1,1123 MeV, nhỏ so với hạt nhân khác (ε ~ MeV) NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 83 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân (tiếp)  Hạt nhân deterium 1D2 hay 1H2 - Spin tính chẵn lẻ trạng thái đo đƣợc : Iπ = 1+ - Momen góc tồn phần D2: 𝐼 = 𝑠𝑝 + 𝑠𝑛 + 𝑙 → giải PT Schrodinger cho D2: trạng thái phải có spin n p song song, số lƣợng tử momen góc quỹ đạo l = (trạng thái s) l = (trạng thái d) - Momen lưỡng cực từ trạng thái đo đƣợc: μ = +0,8574376μN nhỏ giá trị tính tốn từ CHLT μ = +0,8798004μN Sự khác biệt nhỏ giải thích trạng thái D2 chồng chất phần nhỏ (~ 4%) trạng thái d (có I = 2) phần lớn (~ 96%) trạng thái s (có I = 0) NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 84 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân (tiếp)  Hạt nhân deterium 1D2 hay 1H2 - Momen tứ cực điện đo đƣợc trạng thái nhỏ so với momen tứ cực điện nhiều hạt nhân khác: Q = 0,00288 barn Q ≠ (mặc dù nhỏ): chứng tỏ có chuyển động quỹ đạo nucleon (n, p), nghĩa số lƣợng tử momen góc trạng thái phải ≠ Có thể giải thích: trạng thái có chồng chất hàm sóng với I = (tỷ lệ lớn) I = (tỷ lệ nhỏ) tƣơng tự nhƣ với momen lƣỡng cực từ  Tương tác nucleon – nucleon lực hút mạnh, khơng hồn tồn xun tâm, phụ thuộc vào spin nucleon NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 85 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân (tiếp)  Từ kết thí nghiệm lƣợng cao, suy nhiều tính chất khác lực hạt nhân:  Các thí nghiệm tán xạ nucleon – nucleon: - Các kết đo tán xạ n – n; n – p; p – p hoand toàn giống sau hiệu chỉnh tƣơng tác Culomb  Các tƣơng tác proton – proton notron - notron NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 86 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân (tiếp)  Các tính chất tƣơng tác hạt nhân: Thế tƣơng tác hạt nhân nucleon gần bậc thấp hút xuyên tâm, dạng cụ thể đƣợc xác định cho phù hợp tốt với cacs kết thực nghiệm 𝑠1 ⋅ 𝑠2 Tƣơng tác nucleon phụ thuộc mạnh vào spin: ℏ Dạng cụ thể phải thỏa mãn tính đối xứng thời gian, đối xứng chẵn lẻ Thế tƣơng tác nucleon có thành phần khơng xun tâm 𝑆12 = 𝑠1 ⋅ 𝑟 𝑠2 ⋅ 𝑟 − 𝑠1 ⋅ 𝑠2 𝑟2 Thế tƣơng tác nucleon đối xứng điện tích Các tƣơng tác n – n p – p phải giống NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 87 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân (tiếp)  Các tính chất tƣơng tác hạt nhân (tiếp): Thế tƣơng tác hạt nhân gần nhƣ độc lập với điện tích (khơng phụ thuộc vào điện tích) Các tƣơng tác n-n; n-p p-p phải giống nhau: giải thích mơ hình trao đổi lực hạt nhân Lực hạt nhân trở thành lực đẩy khoảng cách ngắn: V(r) = +∞ = -V0 =0 r < Rlõi Rlõi ≤ r ≤ R r>R Thực nghiệm: Rlõi ≈ 0,5 fm Thế tƣơng tác nucleon phụ thuộc vào vận tốc tƣơng đối hạy động lƣợng nucleon, nên có thành phần tương tác spin – quỹ đạo: 𝑉𝑆𝑂 𝑟 𝑟 × 𝑝 ⋅ 𝑠1 + 𝑠2 = 𝑉𝑆𝑂 𝑟 𝑙 ⋅ 𝑆 NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 88 I.9 : Các tính chất lực hạt nhân (tiếp) Dạng tƣơng tác hạt nhân nucleon – nucleon NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 89 I : Các tính chất hạt nhân HẾT CHƢƠNG NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân 90 ... mang i n tích dƣơng) – tạo thành hạt nhân bền vững NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I. 1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp) • Hạt mức độ vật lý hạt nhân  i n... hạt nhân bền  Đặc trƣng hạt nhân: rõ trạng th i nào, khơng hiểu ứng v i trạng th i hạt nhân NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I. 1: Thành phần cấu tạo hạt nhân. .. đƣợc coi hạt vật lý hạt nhân, khơng bị phân chia (lƣu ý: 1e = 1,6×10–19 C) NE3012 Cơ sở vật lý hạt nhân - HUST Chƣơng I: Các tính chất hạt nhân I. 1: Thành phần cấu tạo hạt nhân (tiếp) Ký hiệu nguyên