Giáo trình Vật lý nguyên tử hạt nhân GS.Cao Chi R.Gautreau W Savin

Vật lý ngun tử hạt nhân • Mục đích: xem xét cấu trúc vật chất • Vào giới vi mô - vi hạt (các phần tử phân chia- atomos, cấu thành nên vật chất) • Vật chất > phân tử > nguyên tử > điện tử + hạt nhân  e, n, p, - giả hạt, hạt Ta xét phần lớn Cấu trúc nguyên tử Cấu trúc hạt nhân Các hạt • Tài liệu tham khảo: Nguyễn Minh Thủy, Giáo trình VLNT(LT BT) Lê Chân Hùng, Lê Trọng Tường, Vật Lý Nguyên Tử Hạt Nhân, NXBGD, 2000 Giáo trình Vật lý nguyên tử hạt nhân GS.Cao Chi R.Gautreau W Savin Vật lý đại NXBGD 2003 D Halliday, VL Đại cương, tập 6, NXBGD 1998 Một số sách tiếng Anh (hỏi trực tiếp GV) Ch Cấu trúc nguyên tử theo thuyết cổ điển • 1903 J.J Thomson• mơ hình ngun tử N1 -Hình cầu d cỡ 10-10 m, - Điện tích dương phân bố giống bánh ga tơA0 với khơ nằm rải rác (điện tích +), xung quanh điện tử - Điện tích âm dương trung hoà Mẫu bị thực nghiệm phủ định sau năm, (TN Rutherford + Geiger) 1.1.Thí nghiệm Rutherford • Để CM mẫu Thomson thực nghiệm • ý tưởng: Bắn phá nguyên tử đạn có lượng cao, cho tương tác với nguyên tử (mất mát lượng khơng đáng kể) - tính tương tác -> cấu trúc nguyên tử (P/P thí nghiệm Nghiên Cứu nguyên tử- hạt nhân sau này) Điều kiện: - Chùm hạt tới (đạn) có động năng, cỡ MeV -Bia (các nguyên tử) mỏng: coi đạn tương tác 1-1 với nguyên tử bia - Có máy đếm hạt tán xạ theo phương Sơ đồ thí nghiệm • Đạn - chùm hạt nhân He(+2e) (nguồn phóng xạ tự nhiên) • Bắn vng góc với bia- kim loại mỏng • Màn huỳnh quang ZnS, phát sáng điểm có hạt chạm vào- máy đếm ghi nhận, theo phương tán xạ Kết thí nghiệm: Phần lớn hạt thẳng, nhiên có số hạt bị tán xạ • Theo Thomson: Điện tích +Ze phân bố đều, điện trường yếu khơng thể làm lệch hướng hạt • Kết TN (có hạt tán xạ) chứng tỏ có điện trường cực mạnh ng.tử -> Điện tích +Ze phải tập trung thể tích nhỏ (Rutherford gọi hạt nhân) • => Mơ hình ngun tử N2 (Rutherford): - Điện tích +Ze tập trung tâm nguyên tử, chiếm thể tích nhỏ, mang tồn khối lượng ng.tử - Điện tử chuyển động xoay quanh hạt nhân Phù hợp với thực nghiệm Lý thuyết tán xạ hạt  nguyên tử- Công thức từ thí nghiệm Rutherford • Tính tốn định lượng kết TN • Hạt  có m lớn (7300 lần e) -> tán xạ t/t Coulomb với hạt nhân ( +Ze)   •  chuyển động theo quỹ đạo Hypecbon• khoảng cách tới gần a : hạt tới gần hạt nhân nhất, b- khoảng nhằm     • K.c.tới gần cực tiểu: va chạm xuyên tâm-  tới gần, dừng lại quay ngược trở lại: động ban đầu hoàn toàn chuyển thành Coulomb)=> k 2Ze K 4   9.109 m / F a0  E0 • Thơng số va chạm b: khoảng cách trục chuyển động đường// với trục qua tâm hạt nhân (khoảng nhằm) a  b  cot g • Góc tán xạ: góc trục chuyển động  trước sau tán xạ • Với q trình bất kỳ, có: a0 a0 2 a  b ( ) 2 • Mơ men động lượng ban đầu: l  b v  b 2 E 0 0 với 0 , v0 khối lượng rút gọn vận tốc tương đối ban đầu a0  b  cot g  Từ c.t • Với bia đạn xác định (Z Eo) khoảng nhằm nhỏgóc tán xạ lớn • Góc tán xạ cực đại (=1800 ) b=0 (xuyên tâm) k Ze2 a0  • kết hợp c.t E0  b cố định, góc tán xạ lớn Z lớn Eo nhỏ 10 • Xác suất để thấy hạt lối vào ống đếm cắt tiết diện S đới cầu là: P( )  N 2 b db S 2 R sin  d N số hạt nhân/ đ.v.d.t., 2 b db 2 R2 sin  d diện tích C đới cầu s • Ta tính P (coi tán xạ Coulomb- điện tích điểm): b  a0 cot g  có: a0 2   db  • sin2x=2sinx cosx , thay vào => sin d a02 N S N S k z Z 2e P( )   R 16sin  R 16 E sin    xác suất hạt tán xạ góc   12 • Đặt dãy ống đếm góc -> ta thu phân bố hạt theo góc • N' - số ng.tử đ.v thể tích bia (=N.d), d- bề dày bia, Icường độ tới (số hạt /1s) • Ta tìm Số hạt n ' vào đ.v diện tích ống đếm/1s , góc xác định: n '  n / S  IP( ) / S n '  IP( ) / S • hay: INd k 22 Z e4 INd k Z e4 n '   R 16 E sin  R E sin  0   c.t tán xạ Rutherford  "số hạt tán xạ tỉ lệ nghịch với (sin )" 13 ý tưởng hạt nhân nguyên tử • Từ TN Rutherford, nhận thấy: Tại khoảng nhằm giới hạn (~ xuyên tâm), số hạt có thăng giáng (do gần hạt nhânchịu tương tác mạnh- ) • b> bgh thực nghiệm phù hợp với tính tốn Rutherfordt/t Coulomb- với điện tích dương tâm ngun tử) • b~bgh hạt  bị hãm lọt vào hạt nhân (nên số hạt bị giảm) => tồn t/t mạnh hạt nhân • Suy kích thước hạt nhân~ khoảng tới gần cực tiểu: a0 a • cỡ 12 fm  a0  a    b  (1  ) l0 2   sin  gh 14 1.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford • Nguyên tử gồm hạt nhân chiếm thể tích cực nhỏ (mang điện tich dương tồn khối lượng) • Quanh hạt nhân có e chuyển động, tổng điện tích âm điện tích dương (=số Z bảng Menđêlêep) • ĐL học=> e chuyển động theo quỹ đạo elip, giống hệ mặt trời • Thành cơng: phù hợp với hầu hết kết TN • Hạn chế: e chuyển động tròn, xạ-> -phổ phát xạ liên tục (> rơi vào hạt nhân-> ng.tử biến (>< ng tử bền vững!) 15 1.3.Quang phổ nguyên tử Hidro • TN cho bước sóng phổ nguyên tử hợp thành dãy vạch gián đoạn • Balmer (1885) => c.t xác định bước sóng dãy phổ khả kiến H:  1  K me4  1        R   4 c  n  2 n  n=3,4,5 , R số Rydberg Tổng quát, có: K me4 R  1, 096776.107 m1 4 c K me4  1    2   4 c  ni nk  ni = 1, 2, 3, 4, tương ứng với dãy Lyman, Balmer, Paschen, Brakett, 16 Phổ vạch nguyên tử, giảI thích thuyết cổ điển 17 1.4.Thuyết Bohr • Từ hạn chế Mẫu R., Bohr (1913) dựa quan điểm lượng tử Plank Einstein=> hai định đề: • Đ.Đề Trạng thái dừng: * Ng tử tồn trạng thái dừng có lượng xác định gián đoạn E1, E2, E3, Trong tr thái dừng, e không xạ mà chuyển động quỹ đạo tròn (q.đạo lượng tử), có bán kính thoả mãn điều kiện giá trị mô men động lượng: L  mvrn  n   h / 2   J s • Đ.Đề Về chế hấp thụ, xạ lượng: Ng tử hấp thụ hay xạ n lượng dạng xạ điện từ chuyển từ trạng thái dừng sang tr thái dừng khác Tần số xạ:  Eni  Enk h 18 1.5.Cấu trúc nguyên tử theoThuyết Bohr Mẫu nguyên tử Hyđro: e chuyển động tròn quanh hạt nhân Lực hút Coulomb lực hướng tâm: v e2 Ke mv F  r   r r r mv2  Ke2 Ke2  Ke2 Ke2 E     r 2r r 2r Năng lượng ng.tử: Bohr=>Quỹ đạo có bán kính vận tốc: E n  Ke rn  ;  n Kme mvrn  n  => rn = n2.r0 ; vn~1/n 2 K me En   2 2n  (En=const) r -13,6 eV n=1,2,3 gián đoạn- số lượng tử n=1, r0=0,5292 nm 19 Sơ đồ Hình 1.8 (a) (b) 20 21 1.6 Cấu trúc nguyên tử tương tự Hidro: He+, Li++ Mẫu ion :1 e chuyển động tròn quanh hạt nhân He+, Li++ , có điện dương +Ze =>như Hiđro, thay e Ze Quỹ đạo có bán kính vận tốc: K Z me4 En   2n  n2 rn  KZme KZe  n n=1,2,3 gián đoạn- số lượng tử 22 1.7 Sự kích thích, ion hố ngun tử • Bohr : Ng tử thường tồn trạng thái bản, E1 • Khi nhận đủ lượng chuyển lên mức cao hơn, E2, E3 , gọi mức kích thích, khơng bền ~ 10-8 s, sau chuyển E thấp phát xạ photon • Để kích thích nguyên tử : -Cho va chạm với hạt khác, truyền cho ng.tử động (Eđ< E2-E1 khơng kích thích được) - Cho ng.tử hấp thụ photon, có E=E2-E1 Nếu kích thích đủ lớn, e lên mức cao nhất- vượt khỏi ng.tử => ng tử e thành ion (gọi bị ion hoá) E(ion hoá)= E (  )- E1= 0- E1 (là lượng liên kết e ng.tử)  En  K me4 Z 2 2n   13,6 Z2 n (eV ) 23 vài lời LT Bohr • Bohr tiên đốn tính chất lượng tử, lưỡng tính sóng hạt vật chất định đề, chưa đưa sở tính chất đó, nhược điểm thuyết Bohr tính khơng qn Các khái niệm cổ điển lượng tử mâu thuẫn dùng cách đồng thời Chẳng hạn electron chuyển động theo quỹ đạo trịn (theo cổ điển) khơng xạ sóng điện từ (theo Bohr) Thực Bohr sử dụng tính chất sóng điện tử nói đến mơmen quỹ đạo bị lượng tử hố, nhận giá trị gián đoạn, ông chưa biết nguồn gốc sóng Thực vậy, coi electron sóng (mà chương sau ta gọi sóng De Broglie) tính ổn định quỹ đạo nguyên tử ứng với sóng đứng, độ dài quỹ đạo phải chứa số nguyên lần bước sóng: 24 Thực Bohr sử dụng tính chất sóng điện tử nói đến mơmen quỹ đạo bị lượng tử hoá, nhận giá trị gián đoạn, ông chưa biết nguồn gốc sóng Thực vậy, coi electron sóng (mà chương sau ta gọi sóng De Broglie) tính ổn định quỹ đạo nguyên tử ứng với sóng đứng, độ dài quỹ đạo phải chứa số nguyên lần bước sóng: 2 r  n ;    / p; L  rp  L  n 25 • Ở thuyết Bohr, quy tắc lượng tử gắn cho mơ hình cổ điển khơng theo logic nào, dẫn đến mẫu thuẫn bế tắc tiếp tục phát triển Tuy nhiên, tiên đốn thuyết Bohr dù có giá trị lịch sử tạm thời ý tưởng cách mạng • Thành cơng Bohr coi cầu nối thiếu để chuyển từ vật lý cổ điển sang vật lý lượng tử 26