Electron có vai trò quan trọng đối với cấu trúc nguyên tử: Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ của nguyên tử, do đó chúng quyết định các tính chất của nguyên tử[r]
(1)Chương 4:
CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 4.1 Các phản ứng hạt nhân
4.1.1 Phương trình phản ứng hạt nhân
1 Phản ứng hạt nhân E Rutherford thực năm 1919 Ông dùng hạt
có lượng 7,7 MeV bắn phá hạt nhân Nitơ (7N14) thu hạt nhân Oxy
và hạt proton bay Sở dĩ phải thừa nhận phản ứng hạt
hạt nhân Nitơ lượng hạt lớn nhiều lượng hàng rào
thế hạt nhân Nitơ hạt (bằng 3,6MeV): hạt thâm nhập vào
hạt nhân Nitơ Kết tương tác tạo nên hạt nhân (Oxy – 8O17).
Như vậy, ta nói phản ứng hạt nhân xảy hạt (nơtron, proton, đơton, hạt hay hạt nhân khác) vào miền tác dụng lực hạt nhân
(ở khoảng cách cỡ 1015m) Trong q trình phản ứng có xếp lại điện tích và nuclon hạt nhân hạt khác xuất hạt nhân
Phản ứng hạt nhân viết dạng phản ứng hóa học sau: zXA + a
z’YA’ + b (4.1)
hay viết gọn hơn: zXA (a,b) z’YA’ (4.2)
Thí dụ: phản ứng hạt nhân hạt hạt nhân Nitơ nói có phương trình
sau: 7N14 + 8O17 + p (4.3)
Hay 7N14 (
,p) 8O17
Để tạo phản ứng hạt nhân, người ta thường dùng chùm hạt (hạt đạn) bắn vào hạt nhân (bia) thu sản phẩm phản ứng
Các hạt đạn thường dùng hạt nhân nhẹ, có điện tích Z lớn 18 nơtron, proton, ton (D), triton (T hay 1H3), hêli (2He3), hêli (
hay 2He4)
v.v… Sau phản ứng thường thu hạt nhân giật lùi hạt bay Phản ứng hạt nhân phương thức biến đổi nhân tạo hạt nhân 4.1.2 Phân loại phản ứng hạt nhân
(2)a Phản ứng tán xạ: hạt tới hạt bay loại Trong công thức (4.1), a b là hạt Phương trình phản ứng là:
zXA + a
zXA + a (4.4)
Nếu hạt nhân giật lùi X nằm trạng thái ta có tán xạ đàn tính Nếu hạt nhân giật lùi X nằm trạng thái kích thích thi ta có tán xạ khơng đàn tính
b Phản ứng trực tiếp: hạt đạn bắn nuclon hay nhường nuclon cho hạt nhân bia Thí dụ:
D + 8O18 9F17 + n (phản ứng nhường) h + 20Ca41 20Ca41 + (phản ứng bắt)
c Phản ứng phức hợp: hạt đạn hạt nhân bia tạo thành nhân phức hợp trạng thái kích thích thời gian ngắn hạt nhân phức hợp tự phân rã thành hạt khác Thời gian sống hạt nhân phức hợp khoảng 10-5s nên khó quan sát trực tiếp Tuy nhiên thời gian lớn nhiều thời gian hạt đạn vào bên hạt nhân (cỡ 10-21s) Do giả thiết tạo thành hạt nhân phức hợp có sở
Thí dụ:
Phản ứng Hạt nhân phức hợp Các kênh tạo thành
9F19 + p 8O17 + h 8O16 + 7N14 + 3Li6 6C12 + 4Be8 5B10 + 5B10
[10Ne30]
9F19 + p 8O17 + h 10F19 + n 9F17 + t 8O17 + h 8O16 + 7N14 + 3Li6 7N13 + 3Li7 6C12 + 4Be8 6C11 + 4Be10
5B10 + 5B10 5B9 + 5B11
4.2 Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân
(3)tổng cộng (số khối A) vế trái vế phải phương trình (4.1) phải
Thí dụ phản ứng nói phần (4.1) phải thỏa mãn định luật nói Định luật bảo toàn lượng:
Xét trường hợp phản ứng thu hạt nhân lùi hạt bay ra:
zXA + x z’YA’ + y (4.5)
Năng lượng bao gồm lượng tĩnh động hạt Định luật bảo toàn lượng viết sau:
M1c
+M1V12+m1c
2
+m1v12=M2c
2
+M2V22+m2c
2
+m2v22 (4.6)
Trong đó: M1, m1, V1, v1 khối lượng vận tốc hạt nhân bia hạt đạn M2, m2, V2, v2 khối lượng vận tốc hạt nhân giật lùi hạt bay Trong hệ quy chiếu phịng thí nghiệm, nhân bia đứng yên, V1 = Động hệ trước phản ứng: E1=1
2m1v12
(4.7)
Động hệ sau phản ứng: E2=1
2M2V22+
2m2v22 (4.8)
Trong hạt phản ứng hạt nhân lượng bị hấp thụ hay giải phóng
Rõ ràng, lượng giải phóng động hệ sau phản ứng E2 lớn động hệ trước phản ứng E1, tức ta có:
Q=E2− E1>0 (4.9) Ta nói phản ứng toả nhiệt
Ngược lại,
Q=E2− E1<0 (4.10) Tức động hệ sau phản ứng nhỏ động hệ trước phản ứng Ta nói phản ứng thu nhiệt
Từ (4-6) ta có:
(4)Q=E2− E1=
[
M1+m1]
c2−[
M2+m2]
c2>0 (4.11)Hay
[
M1+m1]
>[
M2+m2]
Khối lượng nghỉ tổng cộng hệ trước phản ứng lớn khôi lượng nghỉ tổng cộng hệ sau phản ứng.
b Đối với phản ứng thu nhiệt: Tương tự ta có:
Q=E2− E1=
[
M1+m1]
c2−[
M2+m2]
c2<0 (4.11)Hay
[
M1+m1]
<[
M2+m2]
Khối lượng nghỉ tổng cộng hệ trước phản ứng nhỏ khối lượng nghỉ tổng cộng hệ sau phản ứng.
Trường hợp Q = tức động hệ khơng thay đổi, ta có phản ứng tán xạ đàn tính
Thí dụ phản ứng thu nhiệt là:
6
3Li 1H 2(2He ) Thí dụ phản ứng thu nhiệt là:
16 15
8o 7N p Định luật bảo toàn xung lượng
Trong phản ứng hạt nhân với bia đứng yên, ta có m v1 1M V2 m v2
Đối với phản ứng phức hợp, ta coi khối lượng hạt nhân hợp phần Mc xấp xỉ tổng khối lượng hạt nhân ban đầu, tức Mc= M1+m1
Khi lượng hạt nhân hợp phần
2
1
c c c
E M v
tính theo
năng lượng hạt đạn
2 1
1
a
E m v
.
Thực vậy, trước hết theo định luật bảo toàn xung lượng, ta có: m v1 1M vc c
(5)Hay (4.14)
Tiếp thêm, gọi A số hạt nhân bia hạt đạn, ta viết được:
Rồi thay (dùng đơn vị u), ta được:
(4.15)
Chú ý Nếu đòi hỏi phản ứng thỏa mãn tương dối tính phải sử dụng cơng thức tương đối tính lượng xung lượng:
E=
4.ngồi định luật bảo tồn nói trên, phản ứng hạt nhân tuân theo định luật bảo tồn khác bảo tồn mơmen xung lượng tồn phần, bảo tồn tính chẵn lẻ, bảo tồn spin đồng vị… ta khơng trình bày
4.3 Hiện tượng phân hạch
4.3 Nơtron
Nơtron phát năm 1932 nhanh chóng sử dụng làm hạt đạn nơtron có vai trò quan trọngtrong phản ứng phân chia hạt nhân, ta nói kĩ hạt
a Khối lượng nơtron
Nơtron hạt không mang điện, ta khơng thể đo khối lượng khối phổ kế Aston Một cách đo khối lượng nơtron dùng phản ứng hạt nhân
Thí dụ, dùng lượng tử tác dụng lên đơtron ta thu proton nơtron theo phản ứng sau: D + p +n (4.16)
Năng lượng tối thiểu để tách nucleon khỏi nhân đơtron 2,225MeV Năng lượng lượng liên kết hạt nhân đotoni tương ứng với khối lượng 0,00239u biết khối lượng đơtron la =2.01355u protron =1,00727u, ta tính khối lương nơtron:
(6)Hiện người ta đo khối lượng xác nơtron, Mn=1,0086652u (4.18)
b/ Thời gian sống - chu kỳ bán rã nơtron
Nơtron tự phân rã theo cơng thức : n (4.19) Phép đo xác chu kỳ bán rã nơtron cho = 11,7 (4.20) c/ Các nguồn nơtron
• Nguồn phóng xạ từ nhân phóng xạ tự nhiên radi, poloni hay plutoni có lượng khoảng 4,8 -7,7MeV nên dẽ dàng vượt qua rào hạt nhân bêrili gây phản ứng ( , n) theo công thức :
Be9( ,n)C12
Phổ lươnghj nơtron tạo ngườn liên tục, có giá trị từ đến 13 MeV, trung bình 4,5MeV
• Chiếu tia γ ( từ nguồn phóng xạ tự nhiên) vào nhân Bểili đơtron D, ta phản ứng (γ,n) theo công thức : Be9(γ,n)Be8 , D(γ,n)h
•Trong số phản ứng hạt nhân ( nói kĩ đây) xuất nơtron
•Trong máy gia tốc hạt tích điện, p, D, bắn vào bia nhân nhẹ có phát nơtron:
Li7(p,n)Be7 , D(D,n)He3 , T(D,n)He4 Các phản ứng hạt nhân tác dụng nơtron
Các phản ứng hạt nhân tác dụng nơtrontheer dạng tán xạ đàn tính, tán xạ khơng đàn tính hấp thụ nơtron Một tác dụng khác nơtron lên hạt nhên gây lên phân chia hạt nhân
Nơtron chia thành loại tùy theo lượng En :
+ Nơtron nhiệt (En <1eV)
+ Nơtron trung gian (1eV < En <0,1MeV) và
+ Nơtron nhanh (En > 0,1MeV).
(7)Với nơtron chậm, phản ứng tán xạ đàn tính Khi có trao đổi lượng (động năng) nơtron hạt nhân
Trong trình tán xạ khơng đàn tính, nơron truyền cho hạt nhân phần lượng với lượng kích thích hạt nhân Sau hạt nhân dính kèm theo xạ Phản ứng hấp thụ nơtron dẫn tới trường hợp hấp thụ nơtron xạ tia (tức phản ứng (n, )), hấp thụ nơtron xạ hạt (phản
ứng (n, )) Có thể đồng thời xảy tất số trường hợp nêu trên.
4.3.1.Phản ứng phân hạch hạt nhân.
1 Hiện tượng phân hạch hạt nhân.
Vào năm 1938, hai nhà hố học Đức Hahn Strassman thí nghiệm nhằm giải thích xác dãy phóng xạ phát tượng mong đợi: phân hạch hạt nhân urani 235 thành hhai nhân nhẹ (nhân bari) nằm bảng tuần hoàn Mendeleev
0 1n+
92 235U →
Z1
A X+ Z1
AY+k. 1n+ΔE
Hiện tượng phân hạch tượng hạt nhân loại nặng , hấp thụ một notron chậm vỡ thành hai hạt nhân trung bình.
2 Cơn chế phân hạch hạt nhân
Cơ chế phân phân hạch hạt nhân mơ tả nhờ mẫu giọt hạt nhân Hình 7.1 sơ đồ phân hạch hạt nhân Theo
mẫy giọt, có hai lực tác dụng hạt nhân Theo mẫu giọt, có tác dụng trái ngược nhau: Coulomb prơtơn đẩy nhau, có xu hướng phá vỡ giọt hạt nhân thành mảnh; lực bề mặt tương tác
nuclơn lên nhau, có xu hướng làm co thể tích hạt nhân lại, giống sức mạnh căng mặt giọt nước
Khi hạt nhân hấp thụ nơtron, hình dạng biến đổi qua nhiều pha Thoạt đầu dạng hình cầu, ellipxoit Nếu lực căng bề mặt đủ lớn trạng thái
Hình 7.1 Sơ đồ phân hạch hạt nhân theo mẫu giọt a Hạt nhân không biến dạng b Hạt nhân biến dạng d Hai mảnh phân chia a Hạt nhân
(8)kích thích trở trạng thái ban đầu dạng cầu hạt nhân xạ tia Nếu lượng kích thích lớn lượng ngưỡng Wn hạt nhân tiếp tục biến dạng thành hình tạ bị lực đẩy Coulomb làm vỡ thành hai mảnh 3 Điều kiện có phân hạch.
Người ta xác định khả phân hạch hạt nhân (A,Z) bằn tỉ số
2
Z
A , gọi là
số phân chia hạt nhân
Điều kiện để có phân chia là: K =
2
Z
A > 18 (4.21)
Giá trị nhỏ A nhân có Z = A/2 72, nghĩa có nhân có khối lượng 72 đvklnt có phân chia hạt nhân Đó với số nhân có Z = A/2, tức có số nơtron số proton Thực tế số nhân có A lớn số nơtron nhiều số prơtơn Do q trình phân hạch hạt
nhân nhân với A »100
Đối với nhân có hệ số phân chia lớn (lớn 18) khả xảy tượng phân hạch nhiều: cần cung cấp cho cho nhân lượng đủ vượt lượng ngưỡng để có phản ứng phân hạch hạt nhân.Các hạt nhân phân hạch hấp thụ nơtron phân hạch tự phát Thí
dụ: nguyên tố có Z = 107, A = 261 (Uns), tỉ số
2
Z
A = 43,9, có chu kỳ bán rã cỡ 10
3
s, nghĩa rễ phân chia tự phát.
5.Phân chia tự phát phân chia tác dụng nơtron
a/ Sự phân chia tự phát hạt nhân nặng A = 100 hiệu ứng
đường hầm*) Tuy nhiên xác suất xảy bé nhân có hệ số phân chia
nhỏ Xác suất lớn hệ số phân chia k lớn Giá trị k đến ngưỡng (»50) phân chia tự phát tức thời
(9)c2(M238 + mn – M239) = 6MeV nhỏ ngưỡng phân hạch, trình phân chia hạt nhân 92U238 khơng xảy Muốn có phân chia hạt nhân 92U238 phải dùng nơtron nhanh có lương lớn 1MeV Trái lại, với hạt nhân 92U235 có lượng ngưỡng Wn = 6,6MeV, cần dùng nơtron nhiệt đủ vì: c2(M235 + mn – M236) = 6,8MeV
5.Các mảnh hạt nhân phân hạch
Khi hạt nhân bị phân hạch, có nhiều kênh phản ứng đực tạo thành xác suất khác Hình 8-2 cho ta đường cong ứng với mảnh khác phân hạch hạt nhân urani 235 hấp thụ nơtron nhiệt Trục tung ứng với xác suất bắt gặp mảnh phân chia lần phân chia Các mảnh phân chia có số khối A nằm khoảng từ 70 đến 160 Đồ thị cho thấy có hai mảnh phân chia ứng với xắc suất lớn nhất: nhóm hạt nhẹ với A từ 80 đến 110 nhóm có số khối từ 125 đến 155 Các mảnh nhẹ nặng chiếm chiếm tới 99% số mảnh bị phân chia Tỉ lệ mảnh phân chia đối xứng (phân chia thành hai mảnh khối lươngj xấp xỉ nhau) nhỏ (A = 100 125), cỡ 1%
Như thông thường nhân bị phân thành nhân nặng nhân nhẹ Số kênh phân hạch đến 30 Các mảnh
có hoạt tính phân rã - cao q bão hồ nơtron
Các mảnh vỡ thường thừa electron
phóng xạ β− liên tiếp.
Thí dụ trường hợp phân chia 92U235 thành 38Sr94 54Xe140(xác suất khoảng 7%) Nhân 38Sr94 có số nơtron nhiều proton 6, cịn nhân 54Xe140 số 4.
92 235
U+01n →23692U →14054Xe+9438Sr+2.01n
Cả hai mảnh vỡ phóng xạ β− theo
chuỗi sau:
Các phân rã - tiếp tục 54Xe140 để trở thành Lantan 57La140
54 140Xe⃗β−
55 140Cs⃗β−
56 140Ba⃗β−
(10)38 94Sr⃗β−
39 94Y⃗β−
40 94Zr⃗β−
41 94Nb⃗β−
42 94Mo
Các mảnh phân hạch hạt nhân gọi sản phẩm phân chia Hai chuỗi phóng xạ β− tận đồng vị bền
57 140
La 42 95
Mo - ∆E tỏa lớn
- Số notron thứ cấp lớn số notron sơ cấp
sở để thực phản ứng dây chuyền
4.3.2.Phản ứng dây chuyền.
a Nhận xét chung:
- Không phải notron vào hạt nhân gây nên phân hạch hạt nhân - Những hạt nhân không phân hạch phát tia gamma không phóng xạ notron
Sự phát triển phản ứng dây chuyền phụ thuộc vào số notron
sinh phản ứng vỡ hạt nhân, mà phụ thuộc vào hệ số “Tái sản xuất” notron n:
Số notron hệ thứ (m +1) Số notron hệ thứ m
Không phải notron thứ cấp sinh sử dụng vì:
- Một số notron bị hạt nhân U khác bắt (vd: U238).
- Một số notron thoát khỏi khối urani
- Một số nowtron bị tạp chất
Mặc dù phản ứng phản ứng phân
hạch hạt nhân sinh nhiều notron phản ứng dây chuyền thực với điều kiện định
(11)f = e.n.p.k
f: hệ số nhân notron
e: hệ số phân chia notron nhanh (hệ số phân chia nhanh) (» 1,03 1,1)
n: hệ số tái sản xuất notron
P: Xác xuất thoát cộng hưởng (xác suất để notron chậm không bị bắt U238) K: hệ số sử dụng notron nhiệt lò
* Điều kiện để trì phản ứng dây chuyền f ≥ - Nếu f < phản ứng dây chuyền không xảy
- Nếu f = phản ứng dây chuyền trì với tốc độ khơng đổi
- Nếu sau phân hạch có f notron gây phân hạch tiếp, ta có phản ứng dây chuyền
+ Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ f1 + Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ hai f2 + Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ n fn
Nếu f > số hạt nhân bị phân hạch tăng lên nhanh, lượng giải phống lớn
* Nhận xét: Từ cơng thức: f = e.n.p.k Þ để tăng f ta có thể: - tăng p
- tăng k - tăng p: + Dùng khối urani lớn + có thành phản xạ notron
- tăng k: + loại tạp chất hấp thụ nhiều notron chậm urani + dùng chất làm chậm hấp thụ notron (như doteri, graphit, )
(12)§ LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN – NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ Lò phản ứng hạt nhân:
a Cấu tạo:
Gồm phận chính:
+ nhiên liệu ( U, Pu, ) + Chất làm chậm
+ Vỏ lò
+ Thành phản xạ notron + Chất tải nhiệt
+ điều khiển bảo vệ + kênh thí nghiệm
b Hoạt động
Tùy theo mục đích sử dụng: - Lị sản xuất lượng
- Lị chế tạo đồng vị phóng xạ - Lò nghiên cứu
*) Chú ý:
- Cơng suất lị khống chế điều khiển
- Hệ số nhân notron xấp xỉ lớn chút ít, lượng phân hạch tỏa từ từ
(13)Nhà máy điện nguyên tử lò phản ứng hạt nhân kết hợp với nhà máy nhiệt điện thông thường
Sơ đồ nguyên tắc:
- Nhiên liệu: thường 235U làm giàu
- Sự tái sản xuất nhiên liệu nguyên tử
92 238
U+01n❑⃗23992U⃗β−23993Np⃗β−23994Pu
90 232
Th+01n❑⃗23390Th⃗β−23391Pa⃗β−23392U
§ PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Phản ứng nhiệt hạch
Phản ứng kết hợp hai nucleon hay hai hạt nhân nhẹ với để tạo thành hạt nhân nặng giải phóng lượng gọi phản ứng nhiệt hạch ( hay tổng hợp hạt nhân) VD:
1H
+01n❑⃗12D+2,23 MeV
1 2D+
1 2D⃗
❑24He+23,8 MeV
* Đặc điểm phản ứng nhiệt hạch:
Nhiên liệu hạt nhân
Lò (hệ cung cấp hơi)
Hệ Tuốc Bin phát
Hòa mạng Vào lưới điện
(14)- Tuy phản ứng kết hợp hạt nhân tỏa lượng phản ứng phân hạch, lượng tỏa đơn vị khối lượng phản ứng nhiệt hạch (hay tổng hợp hạt nhân)
- Phản ứng tổng hợp hạt nhân khó xảy nhiều so với phản ứng phân hạch, lực đẩy Cu lơng Phản ứng nhiệt hạch xảy nhiệt độ cao (ví dụ:
lòng sao, mặt trời, )
- Phản ứng nhiệt hạch nguồn lượng mặt trời
2 Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển điều khiển a Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển
- Phản ứng nhiệt hạch xảy tồn thời gian ngắn ( cỡ 10-6s) tắt hẳn gọi phản ứng nhiệt hạch không điều khiển
- Ứng dụng làm bom nhiệt hạch (hay gọi bom khinh khí – bom H) b Phản ứng nhiệt hạch điều khiển
*) Nhận xét:
Muốn tạo lò phản ứng nhiệt hạch trì điều khiển điều khó khăn Phản ứng theo chu trình proton – proton thành cơng mặt trời mật độ proton lớn Phản ứng khơng phù hợp lị phản ứng nhiệt hạch mặt đất mật độ proton không lớn, làm phản ứng xảy chậm chạp
Các phản ứng đáng ý để có sử dụng trái đất phản ứng :
2D
(15)
D+12D❑⃗13T+11H+4 MeV
D+13T❑⃗42He+01n+17,59 MeV
Hy vọng nguồn lượng lớn tổng hợp Dowterowerri ( hạt nhân gọi Đơtron ) lấy từ nước biển vô hạn
- Điều kiện để lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động thành công
+ Mật độ hạt (n) cao: Mật độ hạt (ví dụ Doterron) cần đủ lớn để tần số va chạm tương tác Dotron – Dotron bảo đảm đủ lớn
+ Nhiệt độ plama (T) cao: Khi nhiệt độ cao, khí Đơteri bị ion hóa hồn tồn thành plama trung hịa gồm hạt nhân Doteron electron (trạng thái gồm hạt nhân túy electron tự gọi plama)
Khi plasma nhiệt cao Dotetron va chạm có đủ lượng xun qua bờ rào culong Trong phịng thí nghiệm, người ta tạo plama nhiệt độ cỡ 23.107K.
- Thời gian giữ plama (t) dài: Nếu plama giữ nóng đủ lâu bảo đảm cho mật độ nhiệt độ đủ cao nhằm tạo đủ số nhiên liệu tổng hợp
Một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động cần phải thỏa mãn điều kiện – gọi tiêu chuẩn Lawson: n.t > 1020 sec.m-3 cần phải có nhiệt độ plama T cao 108 K (k.T » 9keV)
Nhận xét: Từ tiêu chuẩn Lawson: n.t > 1020 sec.m-3
Có thể lựa chọn việc giữ nhiều hạt thời gian ngắn giữ
được hạt thời gan dài
- Phương pháp giữ cách nhiệt plama:
(16)(17)PHẦN III: HẠT SƠ CẤP (HẠT CƠ BẢN) I Định nghĩa hạt
Có nhiều cách định nghĩa hạt sau định nghĩa:
- Các hạt hạt tách thành hạt thành phần
- Các hạt đối tượng có mặt bảng “Dữ liệu hạt” Ủy hội đặc biệt nhà vật lí xuất năm lần
- Hạt sơ cấp hạt nhỏ cấu tạo nên vật chất
- Các hạt hạt mà tượng biết, hạt sinh, hủy, biến đổi thể đơn (một hạt nguyên vẹn)
II Những đặc trưng hạt sơ cấp Khối lượng
Các hạt sơ cấp có khối lượng tĩnh khác 0, trừ photon () có khối lượng tĩnh
bằng notrino (n) có khối lượng tĩnh coi
Khi nói khối lượng hạt ta hiểu khối lượng tĩnh Khối lượng hạt sơ cấp thường tính đơn vị khối lượng electron (me) hay tính MeV/ c2. Ví dụ: Khối lượng medon p0 = (264,2 ± 0,1) me = (135,01 ± 0,05) MeV/ c2
Khối lượng proton p = (1836,0 ± 0,01) me = (928,256 ± 0,005) MeV/ c2
2 Thời gian sống thời gian phản ứng phân rã
Cho đến số hạt sơ cấp, người ta thấy có số hạt bền vững: (), (n), e+, e-, p (bền có nghĩa thời gian sống lớn, coi vơ tận) Cịn
các hạt sơ cấp khác sống thời gian ngắn phân rã thành hạt khác Ví dụ: Notron có thời gian sống (1013 ± 26) 10-8 s phân rã theo phản ứng:
n p +e- + ne (phân rã β-)
Medon p+ có thời gian sống (2,551 ± 0,26) 10-16 s phân rã theo phản ứng:
p0 2
3 Điện tích
Một số hạt sơ cấp trung hòa điện: , n, p0, n, Một số hạt khác mang điện tích dương hay âm
Nói chung trị số tuyệt đối điện tích bằng: e = 1,602.10-19 C. Spin
(18)Nói cách khác với trị số xác định s có 2s + trị số ms; s nguyên hay bán nguyên
Ví dụ: Photon () có spin = 1; electron (e-) có spin = 1/2; medon p có spin =
5 Đối hạt
Thực nghiệm lí thuyết chứng tỏ hạt sơ cấp có đối hạt tương ứng Đối hạt có khối lượng, thời gian sống, spin, có điện tích, momen từ ngược với dấu với hạt
Ví dụ: Đối hạt e- e+ có khối lượng, thời gian sống, spin, e -nhưng có điện tích ngược dấu Đối hạt p p- , n n- , p+ p- Đặc biệt có hai hạt trùng với đối hạt chúng phôton medon p0 π0
=~π0 ; = ~
γ Số lạ
Từ năm 1947 trở đi, người ta tìm thấy loại hạt sơ cấp Đó hạt medon K: K+, K0 (khối lượng vào khoảng 956 lần khồi lượng electron), epon Y có khối lượng lớn nuclon: Lamda (L0), xigma ( ❑
+¿,∑❑0,
∑
❑−∑
¿ ), ksi ( X, X-), Omega (W-) Người ta gọi chúng hạt lạ chúng có hai đặc điểm sau đây:
a Chúng sinh trình nhanh (thời gian xảy trình » 10
-23s) phân rã trình chậm (
» 10-8s)
b Bao sinh đồng thời hai ba hạt lạ không sinh lẻ loi hạt lạ hay vài hạt lạ loại
Ví dụ: Có thể xảy phản ứng sau:
p- + p L0 + k0 (1)
p- + p
∑
❑− + k+ (2) p- + p X- + k+ +k0 (3)Nhưng xảy phản ứng
p- + p n + k0 (4)
n+ nL0 + L0 (5)
Để đặc trưng cho đặc điểm hạt lạ người ta đưa số lượng tử gọi số lạ s:
Hạt k+ k0
L0 ❑+¿
∑
¿∑
❑0
∑
❑− X+ X- WSố lạ s 1 -1 -1 -1 -1 -2 -2 -3
Các hạt khác (không lạ) p,n, p có s = Các đối hạt có số lạ ngược dấu với
số lạ hạt tương ứng Để giải thích q trình sinh hạt lạ người ta nêu định luật sau gọi định luật bảo toàn số lạ: trình sinh hạt lạ tổng (đại số) số lạ hệ bảo toàn (∆S =0)
VD: với phương trình (1) trên: = -1 +1; (∆S =0) Với phương trình (2): = -1+1 (∆S =0)
Với phương trình (3): = -2+1+1 (∆S =0)
Nhờ có định luật bảo tồn số lạ, ta giải thích khơng xảy q trình (4) (5) Bởi vì:
Ở (4): = +1(∆S =±1)
(19)Vậy trình khơng xảy chúng khơng thỏa mãn định luật bảo toàn số lạ
7 Số barion:
Các hạt sơ cấp có khối lượng lớn hay khối lượng proton (p) có tên chung barion.Thành thử barion gồm nuclon hyperon Điều đặc biệt trình biến đổi, người ta thấy barion có barion xuất
Ví dụ: p+ p p + ❑ +¿
∑
¿ + k0.
L0 p + p- (1) p- + p k0 + L0
Để mơ tả q trình barion tham gia người ta đưa số lượng tử gọi số Barion B: Số barion B hạt barion (p, n, L, X,
∑
❑ )q trình giải thích định luật gọi định luật bảo toàn số barion Định luật bảo tồn số barion: Trong q trình biến đổi tổng (đại số) barion hệ không thay đổi (∆B = 0)
8 Spin đồng vị
Ta biết tương tác nucleon hạt nhân có đặc tính khơng phụ thuộc diện tích Cụ thể tương tác p – p, n – n, p – n ( nucleon trạng thái nhau) Nói cách khác, tương tác hạt nhân hai hạt proton notron khơng khác Người ta cho khối lượng proton khác khối lượng notron proton có mang điện tích (nghĩa tương tác điện tử)
Như tương tác hạt nhân, người ta coi proton notron hai trạng thái hạt nucleon (N) Nếu không để ý đến tương tác điện từ hai trạng thái tương ứng với khối lượng, lượng Nếu để ý đến tương tác điện từ hai trạng thái tương ứng với hai khối lượng khác chút ít, tương ứng với hai mức lượng gần Ta so sánh tính chất với tính chất electron ngun tử Nếu khơng để ý đến spin trạng thái electron nguyên tử tương ứng với mức lượng Nếu để ý đến spin mức lượng tách thành hai mức gần , tương ứng với hai trạng thái electron khác định hướng momen spin (SZ = + 12h Sz = −1
2h )
Đối với nucleon, để tiện tính tốn, người ta đưa đại lượng gọi spin đồng vị I Ta biết hệ có spin thơng thường S hệ có 2S + trạng thái ứng với hình chiếu khác spin Tương tự hệ có spin đồng vị I hệ có 2I + trạng thái ứng với giá trị khác hình chiếu spin đồng vị trục z
Thành thử khái niệm spin đồng vị cho phép ta mô tả trạng thái điện khác hạt
(20)Tương tự ba hạt p+, p0, p- coi ba trạng thái hạt, nghĩa 2I +
1 = Do I = hạt medon p có spin đồng vị: I =
Ba trạng thái p+, p0, p- ứng với ba giá trị hình chiếu Iz khác spin đồng vị
của p
p+ có Iz = 1, p0 có Iz = 0, p- có Iz = -
Người ta nói (p, n) hợp thành đơi đồng vị, (p+, p0, p-) hợp thành ba
đồng vị Đặc biệt ❑0 hợp thành đơn đồng vị (I = 0, Iz = 0) Đối hạt có
cùng I có Iz ngược dấu so với hạt Số lepton
Hiện ta biết có hạt lepton xếp thành cặp (e-, ne), (m-, n
m), (t-, nt)
Trong phản ứng biến đổi sinh lepton theo cặp trên, lepton xuất lepton khác cặp
Để mô tả tính chất lepton người ta đưa số lượng tử gọi số lepton L: Cặp lepton electron (e-, ne) có số lepton Le = 1, cặp lepton Muy (m-, n
m) có Lm =
1, cặp lepton Tau (t-, nt) có Lt = (có phản Lepton có số lepton ngược dấu với
lepton) phản ứng, tổng đại số số lepton electron Le hay số lepton muy Lm số lepton tau Lt hệ hạt tham gia phản ứng bảo toàn
III Các hạt sơ cấp Hạt electron (điện tử)
Electron Thomson phát năm 1897 ông chứng minh thực nghiệm rằng: Tia catot có vận tốc nhỏ vận tốc ánh sáng bị lệch qua điện trường, tức tia catot gồm hạt mang điện âm, đồng thời ông đo tỉ số điện tích khối lượng (e/m) hạt Hạt Stoney gọi electron * Các đặc điểm electron
a Khối lượng (tĩnh): m = 9,1093897.10-31 kg = 0,51099906 MeV/ c2
b Điện tích: Millien xác định vào năm 1909, sau đo phương pháp đại Giá trị đo là: e = - 1,6217733.10-19C
c Spin (hay mô men động lượng riêng)
Khái niệm spin electron Unlenbeck Goudsmit đưa năm 1925 để giải thích cấu tạo (tế vi) vạch quang phổ
- Trị số vecto spin electron j=h
√
j(j+1) với j = ½- Hình chiếu véc tơ spin electron lên trục cho trước (Trí dụ trục Z) có hai giá trị là: j = + 12h jz = −1
2h
d Thời gian sống : coi ¥
e Mô men lưỡng cực từ riêng
Khi electron chuyển động quanh hạt nhân có momen động lượng quỹ đạo, đồng thời có momen lưỡng cực từ gọi momen từ quỹ đạo
Cơ học lượng tử chứng minh momen từ momen động lượng có liên hệ chặt chẽ với
(21)Xét riêng cho mô men động lượng spin momen từ tương ứng gọi momen từ spin hay momen từ riêng
Đối với electron, người ta đo momen từ riêng là: m =
1,001159652193 mB mB = eh/2me gọi Manheto Bohr
Khi đặt electron đứng n ( để khơng có mơmen từ quỹ đạo) từ trường có cảm ứng từ ⃗B (khơng đổi) lượng tương tác (mo men từ riêng) electron với từ trường là: - mB
Chính lượng xác nhận tồn momen từ riêng electron (cũng hạt sơ cấp khác)
f Mômen lưỡng cực điện riêng
Hiện người ta thấy rằng, với momen từ riêng, electron (hoặc hạt sơ cấp khác) có momen lưỡng cực điện riêng ( ⃗d ) Gọi riêng vì, momen từ riêng, momen lưỡng cực điện riêng địa phương theo spin Giá trị ( ⃗d ) không đổi.
Đối với electron d ~ 1026 e cm
Năng lượng tương tác momen lưỡng cực điện riêng với điện trường có cường độ ⃗E - ⃗d⃗D
Các thí nghiệm dựa vào lượng tương tác để đo ⃗d . Sự tồn momen lưỡng cực điện riêng hạt sơ cấp chứng tỏ rằng: - Mỗi hạt sơ cấp có cấu trúc khơng gian phức tạp
- Có vi phạm tính đối xứng phép nghịch đảo kết hợp (phép phản chiếu gương kết hợp với phép đổi hạt thành phản hạt, thường gọi phép biến đổi CP) tượng có mặt hạt xét
Electron có vai trị quan trọng cấu trúc ngun tử: Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ nguyên tử, chúng định tính chất nguyên tử , kết hợp nguyên tử thành phân tử ( hóa trị nguyên tố liên hệ trực tiếp với spin electron)
2 Hạt proton
Hạt nhân nguyên tử cấu tạo hai hạt: proton notron
Proton (p) Ruther Ford tìm thấy năm 1919 bắn phá hạt nhân hạt
Các đặc điểm proton
a Khối lượng: m = 938,27231MeV/c2
» 1836,15me
b Điện tích: Iudotxo thực phép đo điện tích q proton sau: Giả sử q/e = 1+ d đo d, ông nhận thấy d < 10- 20
Vậy điện tích proton coi coi bằng: q =|e|
c Spin (hay mô men động lượng riêng): j = 1/2 d Thời gian sống : coi ¥
e Mơ men từ riêng
Theo phương trình Dirac momen từ riêng (momen từ spin) proton Manheto hạt nhân mN = |e|h/2mp
Nhưng thực nghiệm lại đo momen từ riêng p sau:
(22)Phần momen từ sai khác với kết phương trình Dirac gọi momen từ dị thường, bằng: ma = 1,79284739 mN
Sự tồn momen từ dị thường cho thấy proton có cấu phức tạp f Mômen lưỡng cực điện riêng
d ~ - 4.10-23e cm
g Phản hạt proton
Là hạt có khối lượng proton có điện tích ngược dấu, tức e Phản hạt proton quan sát thấy năm 1955 Đại học Cilifornia (Mĩ)
3 Hạt notron
Notron (n) chadwick tìm năm 1932, có đặc điểm: a Khối lượng: m = 939,56563MeV/c2
» 1838,68me
Khối lượng notron lớn khối lượng b Điện tích:
c Spin (hay mô men động lượng riêng) d Thời gian sống : coi ¥
e Mơ men lưỡng cực từ riêng f Mômen lưỡng cực điện riêng g Phản hạt notron