Bài giảng Vật lý A3: Chương 6 - PGS.TS. Lê Công Hảo

Bài giảng Vật lý A3 - Chương 6: Vật lý hạt nhân cung cấp cho người học các kiến thức: Cấu trúc hạt nhân, năng lượng liên kết và lực hạt nhân, phân rã phóng xạ, sự cân bằng phân rã phóng xạ,.... Mời casc bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chương Vật lý hạt nhân PGS.TS Lê Công Hảo Lịch sử ➢ Năm 1896, năm đánh dấu cho ngày sinh vật lý hạt nhân, nhà Vật lý người Pháp tên Henri Becquerel (1852-1908) khám phá phóng xạ thành phần muối uranium ➢ Ernest Rutherford, thực nghiệm thấy xạ phát từ hạt nhân gồm có loại, ơng gọi alpha, bêta tia gamma ➢ Các thực nghiệm sau cho thấy “tia” alpha ( ) hạt nhân helium (He), “tia” bêta () hạt electron (e) tia gamma photon lượng cao ➢ Năm 1911, Rutherford học trò Geiger Marsden thực số thí nghiệm tán xạ hạt alpha lên hạt nhân nguyên tử ➢ Kết từ thực nghiệm cho thấy hạt nhân nguyên tử xem tâm khối điện tích dương khối lượng nguyên tử tập trung hạt nhân 6.1 CẤU TRÚC HẠT NHÂN 6.1.1 Các tính chất hạt nhân Mọi hạt nhân bao gồm loại hạt: proton neutron, ngoại trừ hạt nhân hydro (chỉ có proton mà khơng có neutron) Số ngun tử, Z (đơi ta cịn gọi số điện tích hạt nhân), số proton hạt nhân 56 Số neutron, N, số neutron hạt nhân 26 Fe Số khối, A, với số nucleon hạt nhân có số khối 56 v số (số neutron + số proton): A = Z + N nguyên tử 26, có 26 proton A 30 neutron X Z 6.1.1 Các tính chất hạt nhân Đồng vị nguyên tố hạt nhân có giá trị Z khác giá trị N A 63 65 Nguyên tử đồng (Cu) có hai đồng vị 29 Cu, 29 Cu Nguyên tử uranium (U) có ba đồng vị 234 92 U, 235 92 U, 238 92 U Độ phổ cập tự nhiên đồng vị hàm lượng mà đồng vị có nguyên tố tự nhiên 13 12 Độ phổ cập tự nhiên C 98,9%, ngược lại C 1,1% 6 Một số đồng vị không xuất Hydro, có đồng vị nó: tự nhiên tạo qua 1H 1H 1H phản ứng Proton Deuterium Tritium 63 64 Ví dụ: 29 Cu ( n ,  ) 29 Cu 6.1.2 Điện tích khối lượng hạt nhân Proton (p) mang điện tích dương độ lớn điện tích electron (e = 1,6x10-19C), kí hiệu: p hay 11H Neutron trung hịa điện tích, kí hiệu: 10n Neutron khơng có điện tích nên việc phát khó khăn Do hạt nhân có Z proton nên điện tích hạt nhân Ze Proton có khối lượng gần 1836 lần khối lượng electron, khối lượng proton neutron gần Khối lượng nguyên tử có đơn vị u, chẳng hạn khối lượng đồng vị 12C 12u 1u = 1,66x10-27kg Khối lượng proton: mp = 1,0072765u MeV Khối lượng neutron: mn = 1,0086649u 1u = 931,5 c Khối lượng electron: me = 0,0005486u 6.1.2 Điện tích khối lượng hạt nhân Bảng 6.1: Khối lượng proton, neutron electron theo nhiều đơn vị Khối lượng Hạt kg u MeV/c2 Proton 1,672623x10-27 1,007825 938,2723 Neutron 1,674929x10-27 1,008665 939,5656 Electron 9,11x10-31 0,000549 0,511 Khối lượng nguyên tử 12C ,012kg − 26 = , 99  10 kg 23 ,02  10 Do nguyên tử 12C định nghĩa có khối lượng 12u, nên ta tìm 1,99  10 −26 1u = = 1,66  10 − 27 kg 12 6.1.3 Kích thước cấu trúc hạt nhân Rutherford kết luận điện tích dương nguyên tử tập trung khối cầu nhỏ có bán kính gần 10-14m Trong vật lý hạt nhân đơn vị đo chiều dài Fermi (fm), 1fm = 10-15m Rutherford đề nghị hạt nhân gồm có (A – Z) hạt trung hịa điện neutron Năm 1932 James Chadwick (1891-1974) chứng tỏ có tồn hạt neutron Chadwick nhận giải Nobel vào năm 1935 Một loạt thí nghiệm khác chứng minh hầu hết hạt nhân có dạng hình cầu có bán kính trung bình: 1/ r = r0 A A số khối hạt nhân r0 số r0 = (1,2-1,4).10-15m Tất hạt nhân gần có mật độ Khi nucleon liên kết lại để tạo thành hạt nhân chúng liên kết chặt chẽ với có dạng khối cầu 6.1.4 Tính bền vững hạt nhân Hạt nhân gồm proton neutron bó chặt vào hạt nhân bền vững diện lực hạt nhân Lực hạt nhân lực hút có tầm tác dụng ngắn (khoảng fm) tác dụng lên tất nucleon hạt nhân Các proton hút với qua lực hạt Lực Coulomb nhân đồng thời chúng đẫy lực Coulomb Lực hút hạt nhân có tương tác neutron - neutron neutron - proton Tại khoảng cách fm, tương tác n-p p-p gần giống nhau, khoảng cách lớn fm tương tác p-p có rào cản lượng dương có giá trị lượng cực đại MeV fm 6.1.4 Tính bền vững hạt nhân Vùng xám cho biết hạt nhân phóng xạ (khơng bền), Có khoảng 270 hạt nhân bền Hàng trăm hạt nhân khác tìm thấy chúng khơng bền Hạt nhân nhẹ đa số bền vững có số neutron số proton (N = Z) Hầu hết hạt nhân bền hạt nhân có số khối A chẵn Số Magic Z N 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 Hạt nhân bền Đường bền vững Điều kiện N=Z 6.1.5 Spin mômen từ hạt nhân (SV đọc thêm) 6.1.6 Sự tương đương khối lượng lượng Năng lượng toàn phần = lượng nghỉ + động E = (pc) + (m c ) 2 2 Đối với hạt khơng có khối lượng photon ta thấy lượng toàn phần phụ thuộc vào động lượng vận tốc ánh sáng: E = p.c 6.4 PHÂN RÃ PHĨNG XẠ Có ba loại xạ phát từ hạt nhân phóng xạ: hạt alpha (), hạt nhân 4He; hạt bêta (), hạt electron (e-) positron (e+); tia gamma (), photon lượng cao Ba loại xạ có độ xuyên thấu khác 6.4.1 Các đại lượng bảo tồn phân rã phóng xạ Phân rã phóng xạ hạt nhân làm thay đổi xếp nucleon Loại tia KL Điện tích Ghi PX (amu) Các định luật bảo toàn sau Quãng chạy ngắn -ray +2 phải thỏa mãn Ion hóa cao Quãng chạy ngắn -ray -1 0.0005 phân rã phóng xạ: 1.Bảo tồn lượng -ray 0 2.Bảo toàn động lượng neutron 3.Bảo tồn mơmen động lượng 4.Bảo tồn điện tích Bảo tồn số nucleon Qng chạy dài Qng chạy dài Phản ứng HN 6.4.2 Động học phân rã phóng xạ ➢ Phân rã phóng xạ trình ngẫu nhiên, phân rã hạt nhân đồng vị có xác suất định ➢ Hằng số phân rã  mô tả cho xác suất mà hạt nhân phân rã đơn vị thời gian ➢ Xác suất mà hạt nhân phân rã đơn vị thời gian dt dt ➢ Nếu N số hạt nhân phóng xạ thời điểm t tốc độ phân rã mẫu dN = −N ➢ N số hạt nhân phóng xạ thời N t dt dN điểm t = N N = − 0 dt ➢ Số hạt nhân phóng xạ  N  mẫu cho trước giảm theo thời gian   Ln  = − t − t  N theo qui luật hàm mũ N = N0e  0 6.4.2 Động học phân rã phóng xạ Độ phóng xạ A, số phân rã đơn vị thời gian nguồn hay mẫu chất phóng xạ dN − t − t A= = N e = A e dt A = N A0 = N t = Đơn vị thường dùng để đo hoạt độ phóng xạ Curie (Ci), 1Ci = 3,7.1010 phân rã/giây hoạt độ 1g radium mà ông bà Curies đề xuất 1Ci = 3,7.1010Bq mCi (1mCi = 10-3Ci), Ci (1Ci = 10-6Ci) 6.4.2 Động học phân rã phóng xạ Một đại lượng khác đặc trưng cho q trình phân rã phóng xạ đồng vị phóng xạ chu kỳ bán rã, T1/2 Chu kỳ bán rã chất phóng xạ thời gian mà số hạt nhân phóng xạ ban đầu giảm T1 / Ln 0,693 = =   Từ 1986 đến 2016, 30 năm tai nạn nhà máy điện hạt nhân Chernobyl → lượng phóng xạ Cs-137 giảm cịn 1/2 Chu kỳ bán rã Cs-137 ~ 30 năm 6.5 SỰ CÂN BẰNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ Chuỗi phân rã bắt đầu hạt nhân cha A phân rã thành hạt nhân B B phân rã thành hạt nhân C,….được viết A → B → C → •Tốc độ phân rã hạt nhân cha: dN p dt = − p N p Tốc độ phân rã hạt nhân (= tốc độ tạo thành – tốc độ phân rã) dN d = p Np − d Nd −pt dt N p ( t ) = N p (0)e N d ( t ) = N p (0) p d − p (e − p t ) − e − d t + N d (0)e − d t 6.5 SỰ CÂN BẰNG PHÂN RÃ PHĨNG XẠ Phương trình Bateman A d ( t ) = A p (0) Thời điểm mà hoạt độ nhân đạt giá trị cực đại tính sau: ( p dN d ( t ) d  − t =  N p ( 0) e p − e − d t dt dt  p − d  pe −  p t max =  d e −  d t max t max = ln( d /  p ) p − d )  =0  p d − p (e − p t ) − e −  d t + A d ( 0) e −  d t 6.5 SỰ CÂN BẰNG PHÂN RÃ PHĨNG XẠ Phương trình Bateman thường phân tích: Hạt nhân bền, d = Nd (0) = dN d − t =  p N p =  p N p ( 0) e p dt  ( N d (t ) = N p (0) − e − pt ) Chu kỳ bán rã nhân cha ngắn chu kỳ bán rã nhân con, T1/2p < T1/2d (p > d) Tất nhân cha chuyển thành nhân hoạt độ mẫu hoạt độ nhân Điều kiện gọi không cân phân rã phóng xạ 6.5 SỰ CÂN BẰNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ Chu kỳ bán rã nhân cha dài chu kỳ bán rã nhân con, T1/2p > T1/2d (p < d): độ giảm hoạt độ nhân cha bỏ qua Trường hợp gọi cân tức thời 99Mo (65,94 giờ) phân rã thành nhân 99mTc (6,01 giờ)  p  d : e  − d t  e −  pt N d (t ) = N p (0) p d −  p (e ) = N − pt p (t ) p d −  p Tỉ số số hạt nhân cha số hạt nhân thời điểm t p N d (t) = N p (t)  d −  p 6.5 SỰ CÂN BẰNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ Chu kỳ bán rã nhân cha dài nhiều chu kỳ bán rã nhân con, T1/2p >> T1/2d (p