Như vậy, nếu hạt nhân Uranium tách thành 2 hạt nhân nhẹ hơn với khối lượng mỗi hạt bằng một nửa khối lượng của Uranium, thì có sự tăng năng lượng liên kết của hệ. Năng lượng liên kết trư[r]
(1)Chương 1
SƠ LƯỢC VỀ
VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ NƠTRON
(2)Phần 1
NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ
(3) Phát tia X:
+ Năm 1895, Wilhelm Roentgen phát hiện tia X-rays mà ngày đi vào lịch sử ứng dụng ngành y học.
Phát tia xạ:
+ Năm 1896, Henri Becquerel phát hiện tia xạ đặc biệt (tia phóng xạ) Uranium làm đen kính ảnh.
Phát hiện electron e-:
+ Năm 1897, J Thomson tìm ra hạt sơ cấp đầu tiên, hạt electron trong thành phần tia cathode.
(4)1 Một số kiện tiền đề góp phần vào đời ngành Vật lý hạt nhân:
+ Năm 1902, Ernest Rutherford giải
thích hiện tượng phân rã phóng xạ.
Tìm ngun tố phóng xạ:
+ Năm 1898, Marie Pierre Curie
(5)+ Năm 1905, thuyết tương đối của
Albert Einstein ra đời, ơng tìm mối
liên hệ lượng E khối lượng m của vất chất.
E = mc2 với c = 3.108 m/s
+ Một hạt có khối lượng bé chuyển thành năng lượng lớn Ngành Năng lượng hạt nhân đời.
+ Vật lý hạt nhân sử dụng triệt để tư tưởng vật lý hiện đại tính lượng tử tính tương đối.
(6)• Bức xạ ion hố:
•Là loại xạ có khả tạo ion hố mơi trường vật chất mà qua.
•Tia X, tia gamma: xạ điện từ có bước sóng ngắn •Tia alpha, beta: hạt mang điện
•Nơtron: hạt trung hịa, khơng mang điện •Tia X phát từ cấu trúc điện tử nguyên tử
•Tia gamma, beta, alpha phát trình biến đổi của hạt nhân
•Nơtron: hạt không mang điện, với proton tạo thành hạt nhân nguyên tử.
(7)• Tia alpha hạt mang điện
tích dương nên lệch phía cực âm điện trường Điện tích hạt α gấp lần điện tích của hạt proton, có khối lượng bằng khối lượng nguyên tử heli Vận tốc khoảng
20.000 km/s.
• Tia beta mang điện tích âm nên lệch phía cực dương của điện trường, hạt electron. Vận tốc khoảng
100.000 km/s
• Tia gamma xạ điện từ, không lệch cực điện trường, có chất
tia sáng Tốc độ ánh sáng.
(8) Tương tác hạt alpha và bêta với vật chất:
• là hạt mang điện nên gây ion hố mạnh
• nhanh chóng mất lượng khi tương tác nên khả năng xuyên sâu Một tờ giấy đủ ngăn chùm hạt alpha năng
lượng 1.5 MeV
Tương tác nơtron với vật chất:
- tán xạ, lượng dần, đặc biệt đối với nguyên tố nhẹ.
- kích hoạt nơtron: bị hấp thụ hạt nhân tạo thành đồng vị phóng xạ phát xạ
gamma, bêta, alpha.
- kích hoạt nơtron cách để tạo đồng vị phóng xạ Lị phản ứng hạt nhân
(9) Tương tác tia X tia gamma với vật chất:
• hấp thụ quang điện: hấp
thụ toàn lượng và phát ra điện tử.
• tán xạ compton: tán xạ với điện tử, truyền phần
năng lượng cho điện tử.
• tạo cặp: tương tác với
trường điện từ hạt nhân, tạo cặp electron -positron.
• Khả xuyên sâu lớn.
I = B Io exp(-µ.d.x)
(10)- Năm 1911, mẫu nguyên tử có hạt nhân E Rutherford
ra đời, đánh dấu thời điểm khởi đầu Vật lý HN (dùng hạt alpha bắn phá nguyên tử, phát tồn hạt nhân kích thước cỡ 10-12cm).
- Nguyên tử gồm: Hạt nhân & điện tử (J Thomson
tìm hạt e- từ năm 1897)
- Hạt nhân gồm: Các proton (p) nơtron (n), hay gọi chung hạt nucleon (giả thuyết Ivanenko & Heisenberg năm 1932).
- Proton có điện tích dương (Rutherford tìm năm 1914) Nơrton hạt trung hịa khơng mang điện (James Chadwick tìm năm 1932)
(11)3 Cấu trúc nguyên tử hạt nhân:
Điện tử: e- = 1,602x10-19 culông,
me- = 9,11x10-28 g
Hạt nhân: mp = 1836 me-, mn = 1838 me- Hạt nhân có số khối A, số proton bằng số nguyên tử Z (thứ tự trong bảng tuần hoàn), số nơtron N
(12)Trong hạt nhân gồm có proton và các neutron, gọi chung các nucleon
Nguyên tử (atom) bao gồm hạt nhân giữa, hạt có kích
thước nhỏ, khối lượng lớn, mang điện tích dương, bao quanh đám mây electron tích điện âm chuyển
động quỹ đạo xung quanh hạt nhân
Tổng số proton trong hạt nhân gọi nguyên tử số (atomic number) của nguyên tử ký hiệu Z.
Số neutron hạt nhân ký hiệu N Tổng cộng số
(13)Các nguyên tử mà hạt nhân có số proton khác số neutron gọi các đồng vị (isotopes)
Ví dụ: Oxygen có đồng vị bền (stable isotopes) là 16O, 17O, 18O và đồng vị không bền hay gọi đồng vị phóng xạ
(radioactive isotopes) 13O, 14O, 15O, 19O 20O
Đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit), viết tắt amu, bằng phần 12 khối lượng nguyên tử 12C trung hòa, tức là:
(14)4 Bán kính của hạt nhân nguyên tử:
Bán kính trung bình ngun tử, trừ vài ngun tử nhẹ nhất, khoảng 2.10-8 cm Hạt nhân xem hình cầu có
bán kính theo công thức:
R = r0 A1/3 (1.2)
r0 = (1.2 – 1.5).10-13 cm
Từ công thức (1.2) cho thấy, thể tích V hạt nhân tỷ lệ thuận với A Tỷ số A/V, số nucleon đơn vị thể tích
hằng số Mật độ vật liệu hạt nhân là: (xem mp ≈ mn) ρ = = = ≈ 1014 kg/m3
(15)5. Khối lượng lượng:
Theo công thức A Einstein’s:
W = mc2 (1.3)
với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng.
Đơn vị lượng hệ SI Joule (J) Một loại đơn vị khác hay sử dụng công nghệ hạt nhân là electron-volt, ký hiệu là eV.
1 eV = 1.60219.10-19 J (1.4)
Mối quan hệ đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit) eV:
(16)Khi vật thể chuyển động, khối lượng tăng tương đối so với người quan sát theo cơng thức sau:
m = (1.6)
ở m0 là khối lượng nghỉ (rest mass) và v vận tốc
2 /c v m − 2 /c v m −
Động E là sự khác biệt lượng toàn phần W và năng lượng khối lượng nghỉ (rest-mass energy):
E = mc2 – m
0c2 = c2 - m0c2 (1.7)
Trong trường hợp không tương đối, tức v << c, động
năng là: E = m0 (1+1/2(v2/c2)) c2 – m0c2
(17)6. Năng lượng liên kết:
Độ hụt khối (mass defect):
∆M = Zmp + Nmn – M(Z,A) (1.9)
với mp và mn là khối lượng proton neutron tương ứng, và M(Z, A) khối lượng hạt nhân đó.
Sự tương đương lượng độ hụt khối gọi lượng liên kết (binding energy) EB của hạt nhân:
EB = [Zmp + Nmn – M(Z, A)] c2 (1.10)
Năng lượng liên kết trung bình ε của nucleon A ra Hình 1.1:
ε = (1.11)
(18)Hình 1.1. Năng lượng liên kết nucleon hàm
của số khối nguyên tử A.
9,0
8,5
8,0
7,5
0 50 100 150 200 250 A
ε
(Me
V) 6
4 8
2 0
0 10 20 30 A
ε = (MeV)
(19)Từ Hình 1.1 cho thấy rằng, đường cong của ε tăng theo A từ 1 đến khoảng 50 sau biến thiên theo hàm giảm A tăng.
Tính chất đồ thị lượng liên kết quan trọng trong việc xác định nguồn lượng hạt nhân. Các hạt nhân mà có lượng liên kết nucleon lớn là những hạt nhân đặc biệt bền bao chặt.
Hình 1.1 cũng rằng hạt nhân trung bình bền vững
(20)Ta xem xét một ví dụ phân hạch hạt nhân 238U. Năng lượng liên kết nucleon của 238U là
khoảng 7.5 MeV, vào khoảng 8.4 MeV đối với hạt nhân có số khối A = 119 (tức 238/2) Như vậy, hạt nhân Uranium tách thành 2 hạt nhân nhẹ với khối lượng hạt nửa khối lượng Uranium, có sự tăng lượng liên kết hệ.
Năng lượng liên kết trước phản ứng 7.5 MeV Năng lượng
liên kết sau phản ứng 8.4 MeV Độ hụt khối 0.9 MeV cho
mỗi nucleon Độ hụt khối tồn phần 238 × 0.9 MeV = 214
MeV. Cho bức tranh gần giá trị 200 MeV giải phóng khi có một phân hạch 235U.
Năng lượng liên kết khác trước sau phân
hạch ~ 0.9 MeV / nucleon