• Khối lượng một hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo nên nó.. • Độ chênh lệch khối lượng đó được gọi là độ hụta[r]
(1)Vật lý hạt nhân
Lê Quang Nguyên
www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com
Nội dung
1 Mở đầu
2 Tính chất hạt nhân Hiện tượng phóng xạ
4 Phản ứng hạt nhân Năng lượng hạt nhân
1 Mở đầu –
• 1896 – Becquerel khám phá tượng phóng xạ hợp chất Uranium
• Rutherford chứng tỏ tia phóng xạ gồm ba loại: tia alpha, beta gamma
• 1911 – Rutherford, Geiger and Marsden thực tán xạ hạt alpha ngun tử, từ thiết lập mơ hình nguyên tử gồm hạt nhân + electron
• 1919 – Rutherford phát phản ứng hạt nhân: hạt nhân oxygen + alpha hạt nhân nitrogen
1 Mở đầu –
• 1932 – Chadwick phát hạt neutron Ivanenko đưa mơ hình hạt nhân gồm proton neutron
• 1933 – Fredéric Joliot Irène Curie khám phá tượng phóng xạ nhân tạo
• 1935 – Yukawa: lực hạt nhân thực thơng qua trao đổi hạt π-meson
• 1938 – Hahn Strassman khám phá phân hạch hạt nhân
(2)1 Mở đầu –
H Becquerel E Rutherford J Chadwick
O Hahn E Fermi H Yukawa D Ivanenko Frederic & Irene
2 Tính chất hạt nhân
a Cấu trúc b Kích thước
c Momen spin momen động d Momen từ hạt nhân
e Lực hạt nhân
f Năng lượng liên kết
2a Cấu trúc hạt nhân
• Hạt nhân cấu tạo từ nucleon (proton, neutron)
• Ký hiệu:
• Ví dụ: Z
A X
X: ký hiệu hóa học
Z: số proton (bậc số nguyên tử) A = Z + N: số khối
13
27
Al Al: nhôm Z = 13 A = 27
2a Cấu trúc hạt nhân (tt)
• Khối lượng nucleon:
Hạt Khối lượng
kg u MeV/c2
Proton 1,6726 × 10-27 1,007825 938,79 Neutron 1,6750 × 10-27 1,008665 939,57 Electron 9,101 × 10-31 5,486 × 10-4 0,511 1u = 1,660559 × 10-27 kg = 931,5 MeV/c2
(3)2b Kích thước hạt nhân
• Năm 1911, Rutherford dùng hạt α bắn phá hạt nhân, qua ước lượng bán kính hạt nhân:
• Vậy:
– thể tích hạt nhân tỷ lệ với số khối A
– hạt nhân có khối lượng riêng gần
1
R≈R A
15
0 1,2 10 1,2
R ≈ × − m= fm 10
-10 m
10-15 m
2c Momen spin momen động
• Giống electron, nucleon cú spin bng ẵ
ã Momen ng ca mt nucleon tổng momen động quỹ đạo momen động spin • Momen động hạt nhân tổng momen
động nucleon Nó có độ lớn:
• j = 1, 2, 3, A chẵn, • j = 1/2, 3/2, 5/2, A lẻ
( 1) J=ℏ j j+
2d Momen từ hạt nhân
• Momen từ hạt nhân tổng momen từ nucleon
• Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance – NMR):
– Trong từ trường momen từ hạt nhân hướng chiều hay ngược chiều với B
– Kích thích từ trường xoay chiều có tần số radio
– Khi cộng hưởng, photon bị hấp thụ mạnh để đảo chiều momen từ
– Ứng dụng: chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging – MRI)
2d Momen từ hạt nhân (tt)
Sơ đồ máy MRI Ảnh MRI vùng
(4)2e Lực hạt nhân –
• Các nucleon hút lực hạt nhân để giữ cho hạt nhân bền vững
• Lực hạt nhân có tính chất – phạm vi tác dụng ngắn ~
10−15 m,
– phụ thuộc định hướng spin, – lực xuyên tâm, – lực trao đổi: nucleon
tương tác cách trao đổi π-meson (Yukawa)
H Yukawa
2e Lực hạt nhân –
• Hai người trượt tuyết ln “liên kết” với để ném banh qua lại
• Các nucleon “liên kết” cách trao đổi ba hạt π-meson:
π+ có điện tích +e, π− có điện tích –e, π0 trung hịa
p n
n p π+
p↔ +n π+ n↔ +p π−
n↔ +n π p↔ +p π0
2e Lực hạt nhân –
• Trong thời gian ngắn Δt, nucleon có độ bất định ΔE
• đủ lớn để tạo hạt π -meson có khối lượng cho bởi: • Trong thời gian Δt, hạt truyền qua tầm tác dụng lực hạt nhân r:
• Vậy π-meson có khối lượng: • Với r ~ 1,5 ì 10-15m ta cú:
ã Thc nghiệm xác nhận khối lượng π-meson
E t
∆ ∆ >ɶ ℏ
2
E m cπ
∆ =
c t∆ =r mπ >ɶ ℏ rc
28
2,33 10 mπ >ɶ × − kg
2f Năng lượng liên kết –
• Khối lượng hạt nhân nhỏ tổng khối lượng nucleon tạo nên • Độ chênh lệch khối lượng gọi độ hụt
khối hạt nhân
• Năng lượng cần để tạo nên hạt nhân năng lượng liên kếtcủa hạt nhân
• Chính độ hụt khối tạo nên lượng liên kết hạt nhân:
( )
p n
M Zm A Z m M
∆ = + − −
2
lk
(5)2f Năng lượng liên kết –
• Năng lượng liên kết riêng lượng liên kết tính nucleon
• Năng lượng liên kết riêng lớn hạt nhân bền
lk
W A ε =
2f Năng lượng liên kết –
Các hạt nhân bền có A ≈ 60 Hầu hết hạt nhân có ε ≈ – 8,6 MeV
Câu hỏi áp dụng 2.1
Tìm lượng liên kết riêng hạt nhân , biết khối lượng 92,9063768u
93 41Nb
Trả lời câu hỏi 2.1
• Độ hụt khối hạt nhân:
• Năng lượng liên kết riêng:
( )
41 p 93 41 n Nb
M m m m
∆ = + − −
( ) ( )
41 1,007825 52 1,008665 92,9063768
M
∆ = + −
0,865028
M u
∆ =
2
M c A
ε = ∆ ⋅
( )
0,865028 931,5
8,66 93
MeV
MeV
ε = × =
(6)3 Hiện tượng phóng xạ
a Hiện tượng b Cơ chế phóng xạ c Định luật phóng xạ d Các họ phóng xạ e Phóng xạ nhân tạo
3a Hiện tượng
• Hiện tượng phóng xạ phân rã tự nhiên hạt nhân khơng bền, phát ra:
• Tia alpha: hạt nhân
• Tia beta: electron hay positron (phản hạt electron)
• Tia gamma: photon lượng cao
4 2He
Chỉ xuyên qua tờ giấy
Có thể xun qua nhơm dày vài mm
Có thể xuyên qua chì dày vài cm
3a Hiện tượng (tt)
• Phóng xạ tn theo định luật bảo tồn: lượng, động lượng, momen động lượng, điện tích số khối
• Ví dụ:
– Phóng xạ α
– Phóng xạ β
– Phóng xạ γ
238 234
9 90
4
2U→ Th+ He
( )
234 234
1 90Th→ 91Pa *+− e
( 91 )
234 234
1
Pa *→ Pa+hf
A giảm Z giảm
A không đổi Z tăng
Trạng thái kích thích
3b Cơ chế phóng xạ
• Phóng xạ α: hạt α chui ngầm khỏi rào hạt nhân
• Phóng xạ β+ hay β–: biến đổi
qua lại proton neutron
• Phóng xạ γ: hạt nhân chuyển từ trạng thái lượng cao trạng thái có lượng thấp
1 1 0 e p→ + +n e ν
1 0 1 e n→ p+ − e+ν
neutrino: nhẹ, trung hịa, spin ½ phản neutrino
(7)Câu hỏi áp dụng 3.1
Một hạt nhân Ra226 đứng yên phân rã α
Phát biểu sau đúng?
(a) Hạt α có động lớn hạt nhân (b) Hạt nhân có động lớn hạt α (c) Hạt nhân có động hạt α
Trả lời câu hỏi 3.1
• Theo định luật bảo toàn động lượng, hạt nhân hạt α có động lượng ngược chiều
ã ng nng = ẵ (ng lng)2/(khi lng)
• Hạt α nhẹ nên có động lớn • Câu trả lời (a)
Câu hỏi áp dụng 3.2
Coi khối lượng hạt nhân có số khối A A
(u)
Hạt nhân Ra226 đứng yên phóng xạ hạt α với
động 4,78 (MeV) Năng lượng toàn phần tỏa từ phản ứng là:
(a) 0,487 (MeV) (b) 4,87 (MeV)
(c) 48,7 (MeV) (d) 478 (MeV)
Trả lời câu hỏi 3.2
• Năng lượng tồn phần tỏa gồm động hạt α hạt nhân con:
2 2
1
2 X X
m
p p p
Q
m m m m
α
α α
= + = +
1
X
m
Q K
m
α α
= +
( )
4
1 4,87
4
Q K MeV
A
α
= + = −