Vật lý nguyên tử và hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ - 2003 LỜI NÓI ĐẦU Vật lý nguyên tử hạt nhân học phần nằm chương trình đào tạo cho sinh viên ngành vật lý trường Đại học Sư phạm Học phần gắn liền với thành tựu rực rỡ ứng dụïng to lớn ngành Vật lý nguyên tử Hạt nhân sống người, lĩnh vực kinh tế khoa học, kỹ thuật đại khác Giáo trình gồm hai phần: Vật lý nguyên tử Vật lý hạt nhân Phần Vật lý nguyên tử cung cấp cho sinh viên kiến thức mẫu nguyên tử theo lý thuyết cổ điển, sở lý thuyết lượng tử để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử; liên kết nguyên tử phân tử ảnh hưởng bên lên nguyên tử xạ Phần Vật lý hạt nhân trình bày vấn đề đặc trưng hạt nhân, mẫu cấu trúc hạt nhân, phân rã phóng xạ, phản ứng hạt nhân, lượng hạt nhân số vấn đề hạt Giáo trình tài liệu tham khảo cho sinh viên trường đại học sư phạm sinh viên trường Đại học, Cao đẳng khác Mặc dù cố gắng nghiêm túc với công việc biên soạn, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong bạn đọc lượng thứ đóng góp nhiều ý kiến cho nội dung giáo trình, để giáo trình ngày hồn chỉnh Chúng tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp đóng góp cho nội dung thảo xin cảm ơn Ban Ấn Bản Phát hành Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện giúp đỡ cho giáo trình sớm mắt bạn đọc CÁC TÁC GIẢ PHẦN THỨ NHẤT VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Chương I CÁC MẪU NGUYÊN TỬ THEO LÝ THUYẾT CỔ ĐIỂN Vào năm cuối kỷ XIX đầu kỷ XX, khám phá tia phóng xạ Electron nguyên tử phát làm đảo lộn toàn ý niệm cho nguyên tử phần tử vật chất nguyên vẹn nhỏ không phân chia Sự xuất tia phóng xạ electron chứng tỏ kích thước nguyên tử chưa phải giới hạn nhỏ bé Bên nguyên tử cịn chứa đựng nhiều hạt có kích thước cịn nhỏ bé Những hạt liên kết với tạo nên cấu trúc phức tạp bên nguyên tử Cho đến khoa học đến kết luận xác cấu trúc nguyên tử chưa phải hiểu hết chi tiết Do đề cập đến quy luật nhận biết qua thực nghiệm cấu trúc ngun tử để xây dựng mơ hình ngun tử Chúng ta bắt đầu xét mẫu nguyên tử từ đơn giản đến phức tạp theo lý thuyết cổ điển bán cổ điển §1 MẪU NGUYÊN TỬ TOMXƠN (THOMSON) Ý niệm mẫu nguyên tử V Tomxơn đề xuất lần vào năm 1902 Sau lâu, vào năm 1904 J Tomxơn xây dựng lý thuyết mẫu nguyên tử dựa ý tưởng V Tomxơn Theo J Tomxơn quan niệm nguyên tử có dạng hình cầu nhiễm điện dương khắp với bán kính cỡ 10 -8 cm Các electron có kích thước nhỏ kích thước nguyên tử nhiều, phân bố theo quy luật xác định khối cầu tích điện dương Mặt khác electron chuyển động phạm vi kích thước nguyên tử Về phương diện điện tổng trị số điện tích âm electron ngược dấu với khối cầu nhiễm điện dương Do nguyên tử hệ thống trung hịa điện tích Hình 1.1 Mẫu ngun tử Tơmxơn Ví dụ: Ngun tử Hydrơ ngun tử đơn giản khối cầu tích điện dương (+e) cịn electron tích điện âm (-e) Nếu electron vị trí cách trung tâm nguyên tử khoảng r, bán kính ngun tử R lớn khoảng cách r Khi electron chịu tác dụng lực tương tác tĩnh điện Culon từ phía khối cầu nằm trọn vùng giới hạn bán kính r Lực tương tác hướng tâm cầu có trị số bằng: e2 e e′ = K r2 = f.r F = K r2 k = 4πε hệ số tỷ lệ hệ đơn vị SI K = hệ đơn vị CGS Trị số e’ = ⏐e⏐ Tại tâm nguyên tử (r = 0) electron trạng thái cân (F = 0), lệch khỏi vị trí cân (r ≠ 0) electron thực dao động điều hịa quanh vị trí cân tác dụng lực giả đàn hồi (f.r) với f hệ số đàn hồi Do electron đóng vai trị dao động tử điều hòa dao động quanh vị trí cân xạ sóng điện từ với tần số: ν= 2π F M với m khối lượng electron Với giá trị r = 10 -8 cm tần số xạ ν nằm vùng ánh sáng nhìn thấy Nếu nguyên tử phức tạp chứa Z electron vị trí cân r0 ứng với vị trí cân lực hút tĩnh điện electron vào tâm khối cầu nhiễm điện dương lực tương tác đẩy lẫn electron lại nguyên tử Dựa vào mẫu nguyên tử, Tomxơn tính tốn ngun tử Hydrơ xạ lượng điện từ có bước sóng vùng có trị số cỡ λ = 0,6 (m kích thước ngun tử bằng: R = 3.10 -8 cm Kết phù hợp với kết cho từ lý thuyết khác, điều chứng tỏ đắn mẫu nguyên tử Tomxơn Ngày mẫu nguyên tử Tomxơn xem biểu tượng nguyên tử mang ý nghĩa lịch sử nhiều ý nghĩa vật lý q đơn giản khơng đủ khả giải thích tính chất phức tạp quang phổ xạ nguyên tử Hydrô nguyên tử phức tạp khác §2 MẪU NGUYÊN TỬ RƠDEPHO (RUTHERFORD) Khi nghiên cứu tượng xuyên thấu qua lớp vật liệu hạt mang điện tích chuyển động với lượng lớn làm thay đổi quan niệm cấu trúc nguyên tử Năm 1903 Lenard nhận thấy chùm hạt β lượng cao dễ dàng xuyên qua kim loại dát mỏng Điều chứng tỏ phần nhiễm điện dương khối cầu nguyên tử khơng thể phân bố tồn ngun tử mà định xứ vùng có kích thước nhỏ nhiều so với R = 10 -8 cm Những nhận xét Lenard Rơdepho khẳng định thí nghiệm tượng tán xạ hạt α lên kim loại vàng dát mỏng năm (1908 – 1910) Tia α chùm hạt nhân ( 2He4 ) mang điện tích (+2e) phát từ nguồn phóng xạ với vận tốc lớn Ví dụ: Chất phóng xạ RaC cho hạt α phóng xạ với vận tốc v ≈ 109 cm/s tương ứng với động E ≈ 106 eV Nếu hướng chùm hạt α bay chân khơng từ nguồn phóng xạ N qua qua khe hẹp lọc L hướng thẳng vào kim loại vàng dát mỏng V Ở phía sau vàng dát mỏng đặt kính ảnh K nơi có hạt α đập vào kính ảnh để lại vết đen thẫm so với chỗ khơng có hạt α đập vào Kết thí nghiệm cho thấy dấu vết hạt α để lại kính ảnh khơng phải đốm đen mà vùng lấm hình tròn Hiện tượng phản ánh tán xạ chùm hạt α xuyên qua vàng mỏng Rơdepho khảo sát tượng tán xạ chùm hạt α xuyên qua vàng mỏng nhận thấy hạt α bị tán xạ nhiều góc độ khác từ θ= 00 θ =1800 Đối với hạt α bị tán xạ góc độ lớn θ =1800 khơng thể giải thích dựa vào mẫu nguyên tử Tomxơn Do vậy, Rơdepho buộc phải đưa giả thuyết cấu tạo nguyên tử Năm 1911 Rơdepho giả thiết nnguyên tử có trung tâm tích điện dương tập trung tồn khối lượng ngun tử có bán kính nhỏ bán kính nguyên tử gấp nhiều lần gọi hạt nhân nguyên tử Kích thước nguyên tử xác định khoảng cách từ tâm hạt nhân electron phân bố xung quanh hạt nhân Như mẫu nguyên tử Rơdepho hoàn toàn khác so với mẫu nguyên tử Tomxơn Để khẳng định giả thuyết mẫu nguyên tử Rơdepho xây dựng lý thuyết tán xạ hạt α lên hạt nhân nguyên tử kiểm nghiệm lại thực nghiệm Nội dung lý thuyết tán xạ hạt α lên hạt nhân nguyên tử khảo sát định lượng phân bố hạt α bị tán xạ theo góc tán xạ θ đối chiếu với kết thực nghiệm Theo lý thuyết tán xạ hạt α lên hạt nhân mang điện tích dương Rơdepho đề xuất thì: Hạt α với khối lượng m mang điện tích (+2e) bay với vận tốc v thâm nhập vào vùng tác dụng trường lực Culon hạt nhân mang điện tích dương (+Ze) gây Nếu giả sử hạt nhân (+Ze) đứng yên hạt α bay tới gần hạt nhân bị lực đẩy hạt nhân nên quỹ đạo bay hạt ( có dạng nhánh Hyperbon (Hình vẽ) α ∆P θ Fn +2e α P θ r α N θ F b ∆P α θ α P0 α θ ϕ α +Ze Hình 1.3 Minh họa lý thuyết tán xạ hạt α lên hạt nhân α Lực tương tác đẩy tĩnh điện Culon bằng: (+Ze)(+2e) 2Ze2 F = K = K r2 r2 K hệ số tỷ lệ, r bán kính tương tác hạt nhân (+Ze) hạt anpha (+2e) Trên hình vẽ minh họa cho lý thuyết tán xạ hạt αlên hạt nhân trường hợp hạtα bay ngang qua cách hạt nhân khoảng b gọi khoảng nhằm Nếu hạt α bay với khoảng nhằm b nhỏ chịu lực đẩy tĩnh điện Culon hạt nhân mạnh làm cho góc tán xạ θ lớn, ngược lại bay với khoảng nhằm b lớn chịu lực đẩy tĩnh điện Culon từ hạt nhân yếu làm cho góc tán xạ θ nhỏ Như góc tán xạ θ khoảng chằm b có quan hệ tỷ lệ nghịch Chúng ta thiết lập quan hệ b θ dựa định luật bảo tồn động lượng mơmen động lượng trường lực xuyên tâm trình tán xạ hạt anpha (+2e) lên hạt nhân tích điện dương (+Ze) Gọi P = mv động lượng ban đầu hạt α bay tới hạt nhân (trước lúc tán xạ), sau tán xạ hạt nhân theo kiểu va chạm đàn hồi hạt α hạt nhân nên động lượng hạt anpha p = mv Kết trình tán xạ làm xuất số gia véc tơ động lượng véc tơ ban đầu P = mv véc tơ sau tán xạ P = mv (Xem hình vẽ minh họa) Trị số véc tơ số gia động lượng bằng: → θ θ ⏐∆p⏐ = p sin = 2mv sin 2 Mặt khác theo định lý xung lượng ta có: t → ⌠ ⏐∆p⏐ = ⎮ Fn dt ⎮ ⌡ Trong Fn = F cosα hình chiếu lực tương tác đẩy tĩnh điện hạt nhân (+Ze) lên hạt α (+2e) lên phương véctơ số gia động lượng ∆ p Từ hình vẽ cho thấy π ⎛θ ⎞ α = − ⎜ + ϕ ⎟ nên đó: ⎝2 ⎠ ⎛θ ⎞ Fn = Fcosα = F.sin ⎜2 + ϕ ⎟ ⎝ ⎠ dϕ dϕ 2Ze hay dt = F = k biểu diễn: ϕ = ϕ r dt → Ta có: ∆p⏐= Ze2 π −θ ∫ ⎛θ ⎞ sin ⎜ + ϕ ⎟ ⎝2 ⎠ dϕ r ϕ Cận tích phân lấy từ φ = ứng với hạt α bay lên từ bên trái bị tán xạ theo nhánh Hyperbon xa vô men theo đường tiệm cận ứng với góc φ = (π - θ) Do tương tác hạt α với hạt nhân trường lực xun tâm nên mơmen động lượng bảo tồn: L = mv.b = mϕ.r2 = const Suy ra: v.b = ϕ.r2 Do ta có: → ⏐∆p⏐ π-θ 2Ze2 ⌠ ⎛θ ⎞ = v.b ⎮sin ⎜2 + ϕ⎟ dϕ ⎠ ⎝ ⌡ = 2Ze2 θ 2cos v.b Đồng hai biểu thức: → ∆p⏐= 2mv.sin θ → ∆p⏐= Ze2 θ cos v.b ta có: 2Ze2 θ θ 2mv.sin = v.b 2cos Suy kết quả: θ cotg = Hàm cot g θ mv2 2Ze2 b hàm nghịch biến, b giảm θ tăng ngược lại b tăng θ giảm Kết ban đầu phản ánh trình tán xạ hạt α lên hạt nhân phù hợp với dự báo Trong thực tế chùm hạt α gồm nhiều hạt bay tới bị nhiều hạt nhân kim loại gây tán xạ, việc giả thiết hạt α bị hạt nhân gây tán xạ trường hợp đơn giản hóa vấn đề để xem xét ban đầu Bây ta xét chùm hạt α bay tới kim loại Ta giả thiết hạt α chùm hạt bay song song cách Chùm hạt α có tiết diện ngang S Những hạt α bay theo khoảng nhằm b tới hạt nhân bị tán xạ góc θ, hạt α bay theo khoảng nhằm (b - db) bị tán xạ góc lớn (θ + dθ) Au dθ α θ b db dS = 2πbdb Trong thực nghiệm xác định hạt α bị hạt nhân gây tán xạ xác suất hạt α bị tán xạ hoàn toàn xác định Xác suất hạt α bị tán xạ hạt nhân tỷ số diện tích hình vành khăn bao quanh hạt nhân: dS = 2π.b.db tiết diện S chùm hạt α hạt α; tiến đến gần hạt nhân kim loại vàng Au Hình 1.4 (hình 1.4) vùng khoảng nhằm b biến thiên từ b đến (b + db) rơi vào diện tích hình vành khăn dS = 2π.b.db vùng bị hạt nhân tán xạ Còn hạt α nằm tiết diện ngang S chùm α giới hạn diện tích hình vành khăn dS = 2π.b.db khơng bị tán xạ mạnh vùng diện tích hình vành khăn xét Do vậy, xác suất số hạt α bị 2π b.db Nếu có n hạt nhân gây tán xạ xác suất bằng: hạt nhân gây tán xạ là: S 2π.b.db S N.S.δ dW = (1.1) Trong đó: - N mật độ nguyên tử kim loại vàng gây tán xạ (là số nguyên tử chứa đơn vị thể tích kim loại N = n ) V - δ bề dày kim loại - S tiết diện chùm hạt α phủ lên bề mặt kim loại Kết ta có: dW = 2π.b.db.N.δ Từ biểu thức: cot g θ = mv b Ze2 mv2 − dθ = 2Ze2 db ⎛θ⎞ ⎜ ⎟ sin ⎝ ⎠ suy ra: Thay vào biểu thức (1.1) ta có: 2 θ ⎛2Ze ⎞ dW = N.δ ⎜ mv2 ⎟ 2π cotg ⎠ ⎝ dθ ⎛θ⎞ 2sin2 ⎜2⎟ ⎝ ⎠ Để tiện tính tốn ta biểu diễn hệ thức: θ θ θ cos sin cotg sin θ = = ⎛θ⎞ ⎛θ⎞ ⎛θ⎞ sin2 ⎜2⎟ sin4 ⎜2⎟ 2sin4 ⎜2⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Suy ra: ⎛2Ze ⎞ dW = N.δ ⎜ mv2 ⎟ ⎠ ⎝ 2π.sinθ.dθ ⎛θ⎞ sin4 ⎜2⎟ ⎝ ⎠ = ⎛ Ze ⎞ N.δ ⎜mv2⎟ ⎝ dΩ ⎛θ⎞ ⎠ sin4 ⎜2⎟ ⎝ ⎠ dΩ = π.sinθ.dθ góc khối bao lấy góc tán xạ chùm hạt α từ góc độ θ đến (θ + dθ) Cơng thức gọi công thức Rơdepho trình tán xạ chùm hạt α lên kim loại Công thức kết lý thuyết tán xạ hạt α lên hạt nhân nguyên tử kim loại Năm 1913, công thức Rơdepho kiểm chứng thực nghiệm Như giả thiết tồn hạt nhân nguyên tử hồn tồn chấp nhận Dựa vào mơ hình ngun tử có hạt nhân người ta tiến hành xác định bán kính tương tác ngắn hạt nhân hạt α hạt α bay trực diện vào hạt nhân Bán kính tương tác ngắn xác định: (+2e).(+Ze) 2Ze2 mαv2 = K = K rmin rmin Từ nhận kết rmin số kim loại có giá trị vào cỡ rmin ≈ 1,13 10 -13 cm Từ kết cho phép suy đốn sơ kích thước hạt nhân nguyên tử Như kích thước nguyên tử vào cỡ 10 -8 cm kích thước hạt nhân vào cỡ 10 -13 cm, tức bán kính hạt nhân nhỏ bán kính nguyên tử khoảng bậc Dựa vào công thức Rơdepho đo đạc thực nghiệm số hạt α bị tán xạ nhiều góc độ khác (quan sát kính hiển vi dấu vết hạt α để lại cảm quang) người ta xác định giá trị Z số electron có mặt thành phần nguyên tử trung hòa hoàn toàn trùng khớp với số thứ tự nguyên tố hóa học bảng tuần hồn ngun tố hóa học Mendeleép Theo mẫu nguyên tử có hạt nhân electron phân bố không gian bao quanh hạt nhân Kích thước cấu hình electron bao quanh hạt nhân đặc trưng cho kích thước nguyên tử Theo lý thuyết điện động lực học Irnsoi hệ gồm electron mang điện tích âm hạt nhân mang điện tích dương có trị số tồn hệ cân tĩnh mà tồn dạng cân động Vận dụng lý thuyết Rơdepho “bắt” electron phải chuyển động quanh hạt nhân theo quỹ đạo khép kín theo kiểu tương tự hành tinh chuyển động quanh mặt trời Vì vậy, mẫu nguyên tử chứa hạt nhân Rơdepho gọi mẫu hành tinh nguyên tử Để cho hệ nguyên tử bền vững mặt học electron chuyển động quỹ đạo trịn với bán kính R vận tốc v phải đảm bảo cho lực ly tâm quán tính electron cân với lực hút tĩnh điện Culon hạt nhân: Ze2 mv2 R = K R2 Mặt khác lượng liên kết electron hạt nhân nguyên tử bao gồm động tương tác electron hạt nhân: mv2 Ze2 − K R E = Eñ + E t = Để đơn giản ta giả thiết hạt nhân nguyên tử đứng yên, có electron quay quanh hạt nhân Từ biểu thức ta suy ra: Ze2 mv2 = K 2R Thế vào biểu thức lượng liên kết ta có: Ze2 Ze2 Ze2 E = K 2R − K R = − K 2R K hệ số tỷ lệ ( K = e điện tích electron 4πε hệ đơn vị SI hay K=1 hệ đơn vị CGS); Nhưng theo quan điểm điện động lực học hệ khơng thể tồn bền vững electron chuyển động quanh hạt nhân tương đương dòng điện trịn khép kín có mơmen lưỡng cực điện mơmen từ Mômen lưỡng cực điện nguyên tử I quay theo kiểu mômen động lượng vụ quay trường lực hấp dẫn đất xung quanh trục thẳng đứng vng góc với mặt đất Khi mômen lưỡng cực điện I quay biến thiên tuần hồn theo thời gian, xạ sóng điện từ nên lượng liên kết E bị giảm dần, kéo theo làm cho bán kính quỹ đạo electron giảm dần Cuối electron rơi vào hạt nhân nguyên tử Như nguyên tử không tồn bền vững; điều hoàn toàn mâu thuẫn với thực tế Nguyên tử hệ tồn bền vững theo mẫu ngun tử Rơdepho khơng bền vững Như ý tưởng xây dựng mẫu nguyên tử theo kiểu học thiên thể khơng thành cơng Nhìn lại hai mẫu nguyên tử Tomxơn Rơdepho, ta nhận thấy có mặt mặt chưa Trong mẫu nguyên tử Tomxơn bắt electron “bơi” cầu nhiễm điện dương, mẫu nguyên tử Rơdepho bắt electron “quay quanh” hạt nhân không hợp lý Như chứng tỏ áp dụng rập khuôn học cổ điển cho giới nguyên tử Muốn thoát khỏi bế tắc có cách phải từ bỏ phương pháp truyền thống vật lý học cổ điển, sáng tạo lý thuyết N.Bohr người theo hướng tìm kiếm lý thuyết cho giới vi mô – giới nguyên tử Những hạn chế mẫu nguyên tử Rơdepho khắc phục mẫu nguyên tử N Bohr §3 MẪU NGUYÊN TỬ N BOHR Năm 1913 N Bohr xây dựng mẫu nguyên tử Hydrô nguyên tử đơn giản Để xây dựng mẫu nguyên tử N Bohr sử dụng kết quang phổ xạ nguyên tử Hydrô, vận dụng ý tưởng lượng tử thuyết Plank thuyết photon ánh sáng Anhstanh I TÍNH QUY LUẬT CỦA QUANG PHỔ NGUN TỬ HYDRƠ Vào năm cuối kỷ XIX, nghiên cứu quang phổ người ta nhận thấy bước sóng phổ nguyên tử hợp thành dãy vạch xác định gián đoạn gọi dãy phổ Năm 1885 Banme (Balmer) nhà toán học Thụy Sĩ thiết lập biểu thức mô tả vạch dãy quang phổ xạ nguyên tử Hydrô vùng ánh sáng nhìn thấy Dãy quang phổ mang tên dãy quang phổ Banme Trong dãy quang phổ Banme vạch có bước sóng dài rõ λ = 6564 A0 ký hiệu Hα , vạch tiếp thép ký hiệu Hβ , với bước sóng λ=4863 A0 Theo chiều giảm bước sóng vạch phổ bố trí sát vào cường độ sáng yếu dần vạch giới hạn mà từ khơng cịn phân biệt vạch riêng lẻ mà thấy dãy mờ liên tục Công thức Banme cho dãy quang phổ Hydrơ vùng nhìn thấy biểu diễn công thức: 1⎞ ⎛1 = R ⎜22 - n2⎟ ν = λ ⎠ ⎝ Trong đó: * ν gọi số sóng – số bước sóng đơn vị độ dài; n = 1, 2, 3, 4, … số nguyên tự nhiên * R số Ritbe (R = 1,096776 107 m-1 ) tinh chế nguyên liệu để giảm tạp chất đến mức tối thiểu Còn để chống thất nơtrơn khỏi lị, người ta bố trí lớp phản xạ nơtrôn bao quanh vùng hoạt động lị Nếu vùng hoạt động lị bé, nơtrơn dễ ngồi, nên kích thước vùng hoạt động lò phải đủ lớn Người ta thấy tốc độ sản sinh nơtrơn tỷ lệ với thể tích lò (=a3 khối lập phương), rò hiệu ứng bề mặt (= 6a2 khối lập phương) • Tiết diện hiệu dụng 235U tăng lượng nơ trôn giảm (đạt tới 550 barn nơtrôn nhiệt); mặt khác tiết diện bắt nơtrôn 238U lại tăng lượng nơtrơn tăng Trong đó, nơtrơn thứ cấp lại nơtrơn nhanh, với động trung bình tới 1MeV Vì phải làm chậm nơtrơn này; giảm lượng chúng tới giá trị lượng nhiệt Điều thực cách dùng chất làm chậm thích hợp, cho hiệu việc làm chậm nơtrôn va chạm đàn hồi không làm nơtrôn, cách hấp thụ chúng mà không gây phân hạch Người ta thường xếp xen kẻ nguyên liệu Urani chất làm chậm Các chất làm chậm thích hợp nước nặng (D2O), Graphit, Be số hợp chất hữu Khi làm giảm nguồn gốc, làm mát nơtrôn để thực phản ứng phân hạch dẫn tới phản ứng phân hạch khác lị đạt điều kiện “tới hạn” Nếu phản ứng phân hạch tạo phản ứng phân hạch khác, tức phản ứng dây chuyền khơng trì, lị gọi tới hạn Ngược lại, phản ứng gây phản ứng phân hạch khác, lò trạng thái tới hạn: trạng thái này, lượng giái phóng lớn, khoảng khắc dẫn tới vụ nổ, trường hợp bom nguyên tử Để đảm bảo giữ trạng thái tới hạn ổn định lò, người ta sử dụng điều kiển Cadmi (Cd) cắm xen kẻ nhiên liệu Urani Đối với Cd, tiết diện bắt nơtrơn cao, tùy theo vị trí này, rút lên cao đưa xuống sâu, mà tăng giảm tốc độ sản sinh phản ứng: dẫn đến thay đổi cơng suất lị • Hệ số nhân nơtrơn k = η pf ε thơng số lị phản ứng hạt nhân Trong η hệ số tái sản xuất, số trung bình nơtrơn thứ cấp sinh nơtrôn chậm bị hạt nhân 235U hấp thụ Chẳng hạn 235U : η =2,11; 239 Pu : η = 1,94 Trong trình làm chậm số nơtrơn thứ cấp bị bị hấp thụ 238U, tạp chất rị ngồi, có phần p biến thành nơtrơn chậm Như có η p nơtrơn chậm Trong số nơtrơn chậm phần bị hấp thụ 238U , tạp chất hạt nhân chất làm chậm, lại phần f tức η pf nơtrôn chậm bị 235U hấp thụ (f gọi hệ số sử dụng nôtrôn chậm) Như nơtrôn, sau “mắt” dây chuyền trở thành η pf nơtrôn Trên ta xét phân hạch nơtrôn chậm Thực số nhỏ nơtrôn nhanh, trước bị làm chậm, gây phân hạch 235U 238U , nên phải nhân tích số η pf với hệ số ε ( ε hệ số sử dụng nơtrôn nhanh) Nếu k = 1, hoạt động lò phản ứng gọi tới hạn điều mong muốn để sản xuất lượng đặn ổn định Các lò phản ứng thiết kế để k > 1, hệ số nhân nơtrơn điều chỉnh, để có hoạt động tới hạn (k = 1) điều khiển • Có nhiều cách phân loại lị phản ứng hạt nhân: − Theo nhiên liệu: Urani thiên nhiên, Urani làm giàu 235U ; 239 Pu … − Theo chất làm chậm: nước thường (H20), nước nặng (D2O), graphit, berili,… − − − − Theo cách phân bố nhiên liệu chất làm chậm: đồng chất, không đồng chất Theo lượng nơtrôn phân hạch: chậm, trung bình, nhanh, … Theo chất trao đổi nhiệt: nước, hơi, kim loại lỏng, … Theo công dụng: cho lượng, cho nguồn nơtrôn, cho sản suất chất đồng vị phóng xạ, cho tái sản suất nhiên liệu phân hạch, … Việc tái sản suất nhiên liệu phân hạch tính ưu việt có lị phản ứng hạt nhân Có thể nhờ phản ứng hạt nhân để biến hạt nhân không bị phân hạch với nơtrôn chậm, trở thành nhiên liệu phân hạch với nơtrôn chậm Đó phản ứng: 238 239 * n + U → U 92 93 β− → (23 phuùt) 232 233 * n + Th → Th 90 90 β− 239 239 → Np Pu 93 94 (23 ngày) β− → (23 phút) 233 Pa 91 β− 233 → U 92 (27 ngaøy) Các đồng vị 239 Pu 233U hạt nhân phân hạch với nơtrơn nhiệt Lị phản ứng với cơng dụng gọi lò tái sinh Nhà máy điện nguyên tử Nhiệt tỏa phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển lị phản ứng hạt nhân, tải ngồi qua phận trao đổi, để đốt nóng nước làm quay tuabin phát điện Phần lớn nhà máy nguyên tử hoạt động giới dùng lị phản ứng nơtrơn nhiệt, nghĩa lò phản ứng dựa phân hạch tác dụng nơtrôn nhiệt Urani tự nhiên chứa 0,7% 235U 99,3% 238U Nhiên liệu lò phản ứng Urani tự nhiên làm giàu từ 3% đến 10% 235U Các nhà máy điện nguyên tử loại này, ngồi việc cung cấp điện năng, cịn sản xuất nhiên liệu hạt nhân 239 Pu 235U , dựa theo phản ứng hạt nhân trình bày Máy phát Thanh Urani Tua bin Bơ Bơ m m Chất làm chậm Bộ phận trao đổi Hình 10.2: Sơ đồ nhà máy điện ngun tử Bộ phận ngưng tụ Hiện giới, có nhiều nước phát triển sử dụng lượng điện nguyên tử Số lượng công suất nhà máy điện nguyên tử giới hàng năm không ngừng tăng lên Theo số liệu quan lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), năm 1980 công suất điện nguyên tử giới 287 triệu KW chiếm 19% tổng công suất điện; năm 1990 1610 triệu KW năm 2000 đạt khoảng 4400 triệu KW chiếm 83% tổng công suất điện Hiện nhiều nước giá thành điện nhà máy điện nguyên tử rẻ so với nhà máy nhiệt điện thủy điện Cùng với việc phát triển thêm nhiều nhà máy điện nguyên tử, người ta đưa vào sản xuất thí nghiệm nhà máy điện nguyên tử kiểu mà điển hình nhà máy điện ngun tử sử dụng lị phản ứng nơtrơn nhanh Hiện có số nước thực thành cơng kiểu lị Trong Liên Xơ (cũ) có lị nơtrơn nhanh kiểu 5H – 350 hoạt động thành phố Xépsencô gần biển Caxpiên với cơng suất150 MW; Pháp có lị Phenix với cơng suất 320 MW … Tuy nhiên, sau xảy cố nhà máy điện nguyên tử Trecnôbưn (Liên Xô cũ) tháng – 1986 buộc người ta phải xem xét lại cách nghiêm túc nhiều vấn đề nghiêm trọng điện nguyên tử, như: kiểm soát q trình phản ứng phân hạch, tự động hóa cao độ độ tin cậy cao trình điều khiển, yêu cầu nghiêm ngặt việc chấp hành quy trình vận hành kỷ thuật, phối hợp quốc tế xảy cố, … Ở nước ta, lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt với cơng suất 5000 KW, để phục vụ cho công tác nghiên cứu điều chế số đồng vị phóng xạ Lị Liên Xơ (cũ) giúp thiết kế xây dựng thuộc nước – nước (chất làm chậm chất trao đổi nhiệt nước) §3 PHẢN ỨNG NHIỆT HẠT NHÂN (NHIỆT HẠCH) Ta biết phản ứng hạt nhân có kèm theo q trình tỏa hay hấp thụ lượng Nếu lượng liên kết hạt nhân sau phản ứng (về trị tuyệt đối) tăng lên có tỏa lượng Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân nặng có liên kết riêng 7,5 MeV bị phân chia thành hai hạt nhân, có khối lượng trung bình, với lượng liên kết riêng 8,5 MeV giải phóng lượng lớn (khoảng 200 MeV) Ngồi cịn có phản ứng mà lượng tỏa lớn hơn, phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng Phản ứng tổng hợp hạt nhân bị cản trở lực đẩy Culomb, ngăn cản hai hạt nhân tiến đến gần để lọt vào vùng tác dụng lực hút hạt nhân “tổng hợp” với Để tạo lượng hữu ích cho tổng hợp hạt nhân, cần phải xảy khối chất Hy vọng tốt để làm điều nâng nhiệt độ vật liệu để hạt có đủ lượng (chỉ chuyển động nhiệt chúng) xuyên qua bờ Chúng ta gọi phản ứng phản ứng nhiệt hạt nhân nhiệt hạch Dưới số phản ứng nhiệt hạch điển hình, với giá trị lượng giải phóng: H + H → He + 1 n (d − t) , Q = 17,59 MeV 2 H + H → He + 1 n (d − d) , Q = 3,27 MeV 2 1 H + H → H + H (d − d) , Q = 4,03 MeV Ta thấy giá trị Q nhỏ so với phản ứng phân hạch, hạt nhân tham gia phản ứng nhiệt hạch lại hạt nhân cực nhẹ, nên lấy đơn vị khối lượng nhiên liệu để so sánh, số phản ứng nhiệt hạch lớn số phản ứng phân hạch hàng trăm lần ; tổng lượng giải phóng phản ứng nhiệt hạch lớn nhiều so với lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch Năng lượng xạ mặt trời ngơi bắt nguồn từ phản ứng nhiệt hạt nhân Trong lòng mặt trời khơng cịn ngun tử trung hịa, tất bị ion hóa trở thành phần tử mang điện Một môi trường vật chất gọi plaxma; ởù nhiệt độ đạt khoảng 100 triệu độ Vì phần tử plaxma có lượng cựa lớn dễ dàng xảy khả hai hạt nhân va chạm, thắng lực cản Coulomb kết hợp tác dụng lực hút hạt nhân Phản ứng có tên nhiệt hạt nhân, cần có nhiệt độ cao để phản ứng xảy Năng lượng mặt trời xuất chuỗi phản ứng nhiệt hạt nhân có tên gọi chung chu trình prơtơn ( prơtơn: 1 H + H → H + 1 1e + ν H + H → He + γ 3 He + He → He + H Năng lượng giải phóng chu trình vào khoảng 25 MeV Cịn có chu trình thứ hai xảy bên sao, gọi chu trình Cácbon –Nitơ, có tham gia C N: 12 13 1H + C → N + γ 13 13 N → C + 1e + ν 13 14 1H + C → N + γ 14 15 1H + N → O + γ 15 15 O → C + 1e + ν 15 12 H + N → C + He Trong chu trình này: bốn hạt prơtơn (1 H) tổng hợp lại thành hạt nhân Heli (2 He) hai pơzitrơn, cịn hạt nhân C, N đóng vai trị trung gian, hai chất xúc tác Phép tính chứng tỏ chu trình xảy nhiệt độ vài chục triệu độ tỏa khoảng 26,8 MeV - Phản ứng nhiệt hạt nhân có khả cung cấp cho ta lượng lớn lượng phản ứng phân hạch, ưu điểm bật biết Ngồi phản ứng nhiệt hạt nhân cịn có ưu điểm quan trọng khác - Trữ lượng Urani hạn chế cạn dần: nhiên liệu H coi vơ tận Vì tỷ lệ khoảng H khoảng 1/6000 đại dương mênh mông - Phản ứng nhiệt hạt nhân coi “sạch” khơng để lại sản phẩm phóng xạ phản ứng sảy ⎧⎪ ⎨ ⎪⎩ ⎧⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪⎩ Phản ứng nhiệt hạch thực lần trái đất đảo san hô Eniwetor ngày 31 tháng 10 năm 1952, Mỹ cho nổ bom nhiệt hạch (cịn gọi bom khinh khí hay bom H) với lượng phát tương đương với 10 triệu thuốc nổ TNT Nhiệt độ cần thiết để khởi động phản ứng tạo cách sử dụng bom phân hạch (bom nguyên tử hay bom A) Để tạo nguồn lượng nhiệt hạch trì điều khiển được, tức lò phản ứng nhiệt hạch khó khăn Tuy vậy, mục tiêu nghiên cứu cách tích cực nhiểu nước giới Có ba u cầu để lị phản ứng nhiệt hạch hoạt động thành cơng, là: mật độ hạt cao, nhiệt độ cao (khoảng 108 độ) thời gian giữ Plaxma dài Vấn đề chủ yếu phải giữ Plaxma đủ lâu với mật độ nhiệt độ đủ cao, để đảm bảo cho nhiên liệu tổng hợp Rõ ràng khơng thể có bình chất rắn chứa nhiệt độ cao vậy, phải cần tới kỷ thuật giữ Plaxma đặc biệt Người ta tìm phương pháp giữ Plaxma từ trường Các hạt mang điện chất Plaxma chuyển động theo đường cong tác dụng từ trường Trong hình 10.3 vùng chấm chấm vùng có từ trường Hạt tích điện gặp từ trường chuyển động cong nên quật trở lại khơng đụng vào thành bình Ta có vỏ từ trường có tác dụng cách nhiệt mà khơng thu lượng hạt Tokamak thiết bị tổng hợp nhiệt hạch phát triển lần Liên Xô (cũ) Từ trường giữ Plaxma Tokamak vỏ bao đường sức Lực từ tác dụng lên điện tích chuyển động Plaxma giữ cho Plaxma khơng chạm vào thành bình Hình 10.3 Ngồi phương pháp dùng từ trường, cịn có phương pháp tổng hợp nhiệt hạch Laser Phương pháp có liên quan tới việc nén cục nhiên liệu cách “bắn” từ phía chùm Laser (hoặc chùm hạt); nén nó, vừa làm tăng nhiệt độ, vừa làm tăng mật độ hạt; khiến cho tổng hợp nhiệt hạch xảy So với thiết bị giữ từ trường Tokamak, giữ Laser làm việc với mật độ hạt lớn nhiều thời gian ngắn nhiều Tổng hợp nhiệt hạch Laser nghiên cứu nhiều phịng thí nghiệm Mỹ nhiều nước khác Cho tới Liên Xô (cũ) Mỹ hai nước đầu tư vào nghiên cứu nhiệt hạch nhiều Mặc dù có tiến nhanh việc nghiên cứu, cịn nhiều vấn đề kỷ thuật nan giải, việc xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch dường chưa thể làm vài chục năm đầu kỷ XXI Tuy nhiên nhà vật lý tin tưởng rằng, kỷ XXI kỷ lượng nhiệt hạch Chương XI CÁC HẠT CƠ BẢN § MỞ ĐẦU Trong chương trước, nghiên cứu cấu trúc nguyên tử, hạt nhân quy luật biến đổi nội diễn nguyên tử hạt nhân với thành phần êlectrôn, prôtôn nơtrơn Vấn đề đặt ngồi hạt đó, giới vật chất cịn cấu tạo từ hạt khác? Giải vấn đề nhiệm vụ lĩnh vực vật lý: Vật lý hạt Hạt hạt nhỏ cấu tạo nên vật chất Cho đến người ta tìm ngày nhiều hạt (đặc biệt hạt cộng hưởng) khó mà định nghĩa từ “cơ bản” theo nghĩa từ khuôn khổ số lớn hạt Tên gọi mang nhiều tính chất quy ước, thân hạt có cấu trúc nội phức tạp Các hạt phân rã thành hạt khác, chí phân rã theo nhiều cách Các hạt va chạm vào biến hóa thành hạt khác Động ban đầu lớn hạt sinh phong phú, nên vật lý hạt gắn liền với lĩnh vực vật lý lượng cao Trước năm 1950, người ta dựa vào nguồn tia vũ trụ để nghiên cứu khám phá hạt bản, nguồn lượng cao lợi dụng Tia vũ trụ chùm hạt (thường prơtơn) có lượng lớn tới hàng tỷ eV, từ khoảng không thiên thể bay tới Trái Đất Khi vào lớp khí bao quanh Trái Đất, chúng tương tác (va chạm) với hạt nhân có khí cao gây phản ứng hạt nhân, tạo thành hạt Tuy nhiên việc nghiên cứu hạt tia vũ trụ bị hạn chế, cường độ chùm tia vũ trụ thường bé, khả gây phản ứng bé Sau năm 1950, với việc chế tạo thành công máy gia tốc với lượng cao đơn sắc, người ta liên tiếp khám phá hàng loạt hạt Ngoài máy gia tốc, ngày cịn có phương tiện kỹ thuật đại dùng để nghiên cứu hạt bản; điển hình buồng bọt lớn chứa đầy hyđrô lỏng, cho phép chụp ảnh ghi nhận trình tương tác phức tạp diễn hạt Có thể nói vật lý hạt vật lý lượng cao, cho phép ta sâu vào giới bên hạt nhân Cho đến người ta tìm hàng trăm hạt thu nhiều kết thực nghiệm trình phân rã tương tác chúng Nhưng chưa có lý thuyết hồn chỉnh hạt §2 PHÂN LOẠI CÁC HẠT CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA CHÚNG Có thể phân chia hạt thành bốn loại dựa vào khối lượng chúng: Phôtôn lượng tử trường điện từ có khối lượng tĩnh khơng Leptôn hay hạt nhẹ, gồm êlectrôn, muyôn nơtrinô Có hai loại nơtrinơ: nơtrinơ thuộc êlectrơn ( ve ) nơtrinơ thuộc muyon ( vµ ) Mêzơn hay hạt trung bình, có khối lượng lớn êlectrôn bé khối lượng nuclôn, gồm hạt mêzơn ( π ) mêzơn (K) – cịn gọi piôn kaôn Bariôn hay hạt nặng, gồm nuclôn (prôtôn nơtrôn) hyperôn lamđa, xicma, kxi, ơmêga ( Λ, ∑, Ξ, Ω ) Ngồi khối lượng, hạt đặc trưng đại lượng vật lý khác điện tích, mơmên từ, thời gian sống, … số lượng tử spin, spin đồg vị, tích leptơn … Ta điểm qua số đặc trưng: • Điện tích hạt số nguyên lần điện tích ngun tử e, dương (ký hiệu π + , ∑ + …) âm ( π − , ∑ − …) Ngược lại có hạt trung hịa khơng mang điện, ký hiệu số ( π , ∑ …) • Thời gian sống hạt đặc trưng cho trình phân rã tự nhiên chúng - Những hạt không bị phân rã (một cách tự nhiên) gọi hạt bền e, p, … - Ngoài hạt bền, hạt khác thường có thời gian sống bé Người ta tìm thấy hạt có thời gian sống cực ngắn, vào khoảng 10-23 s gọi hạt cộng hưởng Khi hạt có lượng xác định va chạm vào nhau, chúng tạo thành trạng thái liên kết trước rã thành hạt khác Trạng thái liên kết gọi hạt cộng hưởng Mặc dù hạt cộng hưởng “hệ thống gồm nhiều hạt bản”, chúng thường xem hạt Muốn xác định tồn nó, dựa vào phân bố lượng sản phẩm phân rã (phổ lượng có đỉnh nhọn, nên gọi cộng hưởng) Hiện số lượng hạt cộng hưởng tới vài trăm hạt • Mở rộng khái niệm điện tích, hạt cịn đặc trưng tích Leptơn tích Bariơn Tích Leptơn +1 ứng với hạt Leptôn –1 ứng với phản hạt, cịn với hạt Bariơn tích Tương tự tích Bariơn +1 với hạt Bariôn –1 với phản hạt Bariôn, hạt Leptơn tích Ở hạt mêzơn phơtơn hai tích khơng 2 • Spin hạt có giá trị bán nguyên ( , ,… ) chiếm đại phận hạt (hạt có spin bán ngun gọi fecmiơn), trừ mêzơn có spin phơtơn có spin (hạt có spin ngun gọi bơzơn) • Tính chẵn lẻ đặc trưng liên quan đến tính đối xứng hàm sóng diễn tả trạng thái hạt phản xạ (đối chiều) tọa độ Dẫn tới có hai loại hàm sóng: Hàm chẵn khơng đổi dấu phản xạ tọa độ: → → ψ (− r ) = ψ ( r ) Và hàm lẻ đổi dấu phản xạ tọa độ: → → ψ (− r ) = − ψ ( r ) Mọi hạt có bậc chẵn lẻ nội Chẳng hạn, êlectrơn, prơtơn nơtrơn coi chẵn, cịn mêzơn π có bậc lẻ Người ta cho tương tác, bậc chẵn lẻ hệ thống hạt phải không thay đổi Nếu trước tương tác chẵn, sau tương tác chẵn Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy tương tác yếu, tượng bị vi phạm • Spin đồng vị đặc trưng quan trọng cho xếp thành nhóm hạt có liên quan với tương tác mạnh Ví dụ điển hình cặp nuclơn gồm prơtơn nơtrơn Nếu khơng kể đến điện tích prơtơn nơtrơn hồn tồn giống Vì vậy, người ta thường xem chúng trạng thái khác hạt Prôtôn nơtrôn hai trạng thái nuclơn Về phương diện tốn học, người ta đưa vào cặp lượng tử số spin đồng vị I hình chiếu Iz trục Oz khơng gian trừu tượng (khơng gian spin đồng vị) Mỗi nhóm hạt cịn gọi đa tuyến với spin đồng vị I xác định gồm 2I + trạng thái mang điện khác nhau, trạng thái ứng với hạt nhóm Chẳng hạn nuclơn có spin đồng vị I = prơtơn có IZ = + hay thành đơi, 1 nơtrơn có IZ = - Các mêzôn π họp thành tam 2 tuyến với I = 1, hạt π + có IZ = 1, hạt π có IZ = hạt π - có IZ = - 1, … • Số lạ đặc trưng dùng để giải thích số tính chất kỳ dị hạt bản, chẳng hạn mêzôn k hạt hyperơn chúng rã theo tương tác mạnh, song trình rã lại yếu (thời gian sống vào bậc 10 - 12 s) Để giải thích Gell Mann Nishijima đưa vào lượng tử số gọi số lạ S Đại lượng bảo toàn tương tác mạnh tương tác điện từ, thay đổi đơn vị tương tác yếu Gell Mann đưa công thức liên hệ số lạ S đặc trưng khác: Q = IZ + B + S (11.1) Chẳng hạn mêzơn k+ có Q = + B = phải có S = + 1, để sinh với hyperôn Λ ∑ Cơng thức (11.1) địi hỏi IZ = tức k+ thành phần đôi spin đồng vị, thuộc tam tuyến Như dự đoán ban đầu xếp ba hạt k+ , k0 ,kthành tam tuyến không đúng; trái lại có đơi k+ k0 với phản hạt k- k0 Tiên đoán đánh dấu thành công khái niệm số lạ Ví dụ thứ hai hạt hyperơn ≡ Áp dụng công thức (11.1) cho thấy ≡ - ≡ thành phần đôi tam tuyến Kết phù hợp với thực nghiệm khơng tìm thấy hạt ≡ + Sự phân loại hạt với đặc trưng nêu trình bày cụ thể bảng (11.1) Việc đưa hàng loạt lượng tử số vật lý hạt bản, cần thiết cho việc phân loại, xếp hạt ; mà cịn có liên quan chặt chẽ đến trình tương tác phân rã chúng Các lượng tử số gắn liền với định luật bảo toàn mà ta xét sau §3 CÁC LOẠI TƯƠNG TÁC CƠ BẢN- HẠT VÀ PHẢN HẠT Các loại tương tác Ngày người ta xác nhận tự nhiên tồn bốn loại tương tác bản: • Tương tác hấp dẫn: Là loại tương tác yếu lại phổ biến Lực hấp dẫn bao trùm lĩnh vực biễu diễn định luật hấp dẫn – tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách • Tương tác điện từ diễn tả định luật Coulomb Biotsavart, định luật lực tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Các phương trình Maxwell cho thấy lực điện lực từ, thực chất hai biểu tượng thống Lực điện từ chi phối tính chất êlectrơn ngun tử phân tử Các q trình hạt nhân, đơi có liên quan đến tương tác điện từ, chẳng hạn phóng xạ γ Có thể nói tương tác điện từ có tính chất phổ biến tương tác hiểu biết cách đầy đủ • Tương tác mạnh tương tác nuclôn hạt nhân Sỡ dĩ gọi mạnh phải thắng lực đẩy Coulomb, có tác dụng làm cho hạt nhân đáng lẻ không tồn bền vững Tương tác có bán kính tac dụng ngắn vào bậc fecmi (10-15 m), khơng có ảnh hưởng cấu trúc lớp vỏ êlectrơn ngun tử Ví dụ khác tương tác mạnh va chạm mêzôn Bariơn Ngồi đặc trưng quan trọng tương tác mạnh bán kính tác dụng ngắn, cịn có đặc trưng thời gian sống hạt tạo thành tương tác mạnh ngắn (~10–24 s) Tương tác mạnh khống chế trình phân rã (, phân hạch, nhiệt hạch tán xạ nuclôn hạt nhân lượng cao Cho tới nay, dạng toán học lực tương tác chưa xác định • Tương tác yếu loại lực chi phối hạt nhân, mà điển hình gây phân rã β - Tương tác yếu nguyên nhân gây phân rã hạt sơ cấp Tương tác yếu dạng tương tác độc nơtrinô với vật chất Thời gian sống hạt phân rã tương tác yếu không nhỏ 10-11s Sự hiểu biết lực tương tác kể cần thiết cho việc mô tả tượng hạt Sau bảng đánh giá tương quan độ lớn bốn loại tương tác kể Tương tác Mạnh Điện từ Yếu Hấp dẫn Độ lớn 10 −2 10−12 10− 40 Hạt phản hạt Năm 1928, Dirac tiên đốn êlectrơn cần phải có phản hạt mang điện tích dương Phản hạt gọi Pôzitrôn, phát thấy tia vũ trụ vào năm 1932 Carl Anderson Rồi sau ngày thấy rõ hạt có phản hạt tương ứng, có khối lượng spin, điện tích có dấu ngược lại (nếu hạt có điện tích) khác dấu lượng tử số khác Chúng ta thường ký hiệu ~ phản hạt dấu ~ đầu ký hiệu hạt Ví dụ p ký hiệu prơtơn p ký hiệu phản prôtôn Khi hạt gặp phản hạt nó, chúng hủy Tức hạt phản hạt biến mất, lượng nghĩ tổ hợp chúng trở thành dạng lượng khác Đối với êlectrôn hủy với phản hạt nó, lượng xuất hai phôtôn gamma e− + e+ → γ + γ(Q = 1,02 MeV) Về ngun tắc, phơtơn nhường lượng để tạo thành cặp êlectrơn – pơzitrơn Dĩ nhiên phơtơn phải có lượng 2m0c2 Tuy nhiên phơtơn dù có lượng lớn khơng thể tạïo cặp chân khơng hồn tồn khơng có trường ngồi Sau này, người ta tìm thấy hạt khác, đồng thời thấy phản hạt chúng; ngoại trừ vài trường hợp đặc biệt phản hạt lại trùng với hạt, phơtơn, mêzơn π Nói chung hạt phản hạt xảy tượng hủy cặp sinh cặp §4 CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN Tương tác hạt bản, trình phân rã chúng phức tạp Tuy nhiên trình tuân theo quy luật bảo toàn định Ngoài quy luật bảo toàn quen thuộc, bảo toàn lượng, điện tích, mơnem động lượng …, vật lý hạt cịn có hàng loạt quy luật bảo tồn khác bảo tồn tích Leptơn, tích Bariơn, bảo toàn chẵn lẻ, bảo toàn số lạ, bất biến spin đồng vị, … Có quy luật bảo tồn tuyệt đối loạt tương tác bảo tồn lượng, điện tích, tích bariơn …; có quy luật bảo toàn với số trình lại khơng với số q trình khác Ví dụ: tính chẵn lẻ khơng bảo tồn tương tác yếu, spin đồng vị bảo toàn tương tác mạnh ,… Ta hệ thống tất định luật bảo toàn nêu bảng (11.2) Đại lượng đặc trưng Năng lượng Xung lượng Mơmen xung lượng Điện tích Q Số barion B Bậc chẵn lẻ P Spin đồng vị I Hình chiếu Iz Số lạ S Loại tương tác Mạnh Điện từ Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Có Khơng Có Khơng Có Có Yếu Có Có Có Có Có Khơng Khơng Khơng Khơng Bảng 11.2: Các định luật bảo tồn §5 VÀI NÉT VỀ VẤN ĐỀ HỆ THỐNG HÓA CÁC HẠT CƠ BẢN Một vấn đề tồn từ lâu, thu hút quan tâm nhà nghiên cứu vật lý tìm lý thuyết hệ thống hóa tất hạt biết nhờ mà dự đốn hạt chưa biết (có ý nghĩa giống tìm hệ thống tuần hồn nguyên tố Menđelêep) Trong việc hệ thống hóa hạt bản, vai trò quy luật bảo tồn gắn liền với tính đối xứng khơng gian vật lý quan trọng Người ta thấy rằng, hạt hợp thành đa tuyến xác định spin đồng vị I Trong tất bariôn bốn đa tuyến: nuclôn (bộ đôi), Λ (bộ đơn), ∑ (bộ tam tuyến) ≡(bộ đơi) có khối lượng khơng khác nhiều lắm; thực tế khối lượng khác chừng vài phần trăm Ta lại thấy bốn đôi khác số lạ, song lại có spin giống (đều ) Do ghép tám hạt vào siêu đa tuyến có spin sác định Khi phối hợp tính bất biến spin đồng vị bảo tồn số lạ, ta thu tính đối xứng rộng đối xứng spin đồng vị, gọi đối xứng Unita Lý thuyết tiếp tục mở rộng dẫn đến lý thuyết đối xứng SU3; nhờ ghép siêu đa tuyến Đáng ý siêu đa tuyến gồm 10 hạt Bariôn Cho tới năm 1962, người ta biết chín hạt, nhờ lý thuyết tiên đốn phải có hạt thứ mười, mà năm 1964, nhà thực nghiệm tìm hạt đó: hạt omêga trừ ( Ω− ) thuộc đơn với spin đồng vị I = có khối lượng tương đương 1685 MeV, dự đoán Sau tiến xa hơn, người ta nhận thấy số hạt thống kê bảng (12 – 1) nhiều chúng chuyển hóa lẫn cách phức tạp Vì nảy ý nghĩ, phải tìm hạt thực bản, mà từ hạt tạo tất hạt biết Gell - Mann đưa giả thiết tồn số hạt nhỏ hơn, gọi hạt quark; hạt thực hạt tương tác mạnh Việc tồn hạt hoàn toàn phù hợp với lý thuyết đối xứng SU3 Các hạt quark phải trạng thái liên kết ta khơng thể gặp chúng riêng rẽ chúng kết thành tam tuyến, gồm ba màu sắc khác mà nhìn gộp lại không thấy, tựa bảy màu quang phổ ánh sáng, nhìn gộp lại thấy màu trắng Có hạt quark ký hiệu u, d, s với đặc trưng sau đây: Hạt Q B S + + u 3 1 d − + 3 1 s − + −1 3 Với ba hạt quark trên, nêu lên giả thuyết: Các bariơn cấu thành từ ba hạt quark, cịn mêzôn từ quark với phản quark theo bảng hệ thống (11.3) Hạt Ký hiệu Q B S π+ +1 0 π0 0 π− −1 0 K+ +1 K0 0 −1 0 0 Nơtrôn K− K0 n +1 −1 −1 nnp Prôtôn p +1 +1 npp Lăm đa Λ0 +1 −1 npλ Xicma ∑+ ∑− ∑0 +1 −1 +1 +1 +1 −1 −1 −1 ppλ nnλ npλ Kxi Ξ− Ξo −1 +1 +1 −2 −2 nλλ pλλ Omega Ω− −1 +1 −3 λλλ Piôn Mêzôn Kaôn BaRi Oân Các quác đp nn hoặcĠ ~ np ~ pλ ~ nλ ~ λp (n Bảng 11.3 Hiện hạt quark chưa quan sát cách tin cậy phịng thí nghiệm hạt tự nhà vật lý lý thuyết đưa nguyên nhân chấp nhận được, để giải thích lại Tuy nhiên người ta hy vọng tương lai gần, giả thuyết hạt quark thành thật tìm hạt kỳ diệu Một hướng nghiên cứu trung tâm suy nghĩ nhà lý thuyết hạt bản, hy vọng xây dựng lý thuyết thống tất loại tương tác biết, gọi lý thuyết thống Cả việc thống tất lực tự nhiên nổ lực thu hút hết tâm trí Einstein giai đoạn cuối đời ôâng Người ta thấy tương tác yếu tổ hợp thành công với lực điện từ cho chúng xem thể khác loại điện từ yếu Các lý thuyết có ý định thêm tương tác mạnh vào tổ hợp này, gọi lý thuyết thống lớn, xúc tiến cách mạnh mẽ có thành cơng đáng kể Các lý thuyết tìm cách hồn tất công việc cách gộp tương tác hấp dẫn vào (đôi gọi lý thuyết thống tất cả) giai đoạn đáng khích lệ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẠM DUY HIỂN Vật lý nguyên tử hạt nhân NXBGD 1983 LÊ CHÂN HÙNG – VŨ THANH KIẾT Vật lý nguyên tử hạt nhân NXBGD 1989 DAVID HALLIDAY, ROBERT RESNICK JEARL WALKER Cơ sở Vật lý Tập VI: Quang học Vật lý lượng tử (bản dịch tiếng Việt) NXBGD 1998 HOÀNG HỮU THƯ Bài giảng cấu trúc hạt nhân NXBGD THCN 1972 RONALD GAUTREAU, WILLIAM SAVIN Vật lý đại (lý thuyết tập) dịch tiếng Việt NXBGD 1997 “VẬT LÝ NGUYÊN TỬ & HẠT NHÂN” Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh, phát hành năm 2001, Ban Ấn Bản Phát hành Nội ĐHSP chế chụp 500 cuốn, xong ngày 02 tháng 05 năm 2001 ... theo lý thuyết cổ điển, sở lý thuyết lượng tử để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử; liên kết nguyên tử phân tử ảnh hưởng bên lên nguyên tử xạ Phần Vật lý hạt nhân trình bày vấn đề đặc trưng hạt nhân, ... Hạt nhân sống người, lĩnh vực kinh tế khoa học, kỹ thuật đại khác Giáo trình gồm hai phần: Vật lý nguyên tử Vật lý hạt nhân Phần Vật lý nguyên tử cung cấp cho sinh viên kiến thức mẫu nguyên tử. .. Các lớp điện tử nguyên tử Các lớp điện tử nguyên tử xếp tuân theo hai nguyên lý Paoly nguyên lý cực tiểu lượng a) Số điện tử nguyên tử chung lượng tử số n số điện tử nguyên lý Paoly quy định b)