Tiểu luận quá trình phân rã hạt nhân

Hiện tượng phóng xạ là quá trình hạt nhân tự động phát ra những hạt để trở thành hạt nhân khác hoặc thay đổi trạng thái của nó. Hạt nhân chịu sự phóng xạ gọi là hạt nhân phóng xạ, các tia phát ra gọi là các tia phóng xạ. Hiện tượng phóng xạ được quan sát đầu tiên bởi nhà khoa học Pháp, Henri Becquerel vào năm 1896. Một hạt nhân phóng xạ được đặc trưng bởi: Loại phóng xạ, năng lượng, chu kỳ bán rã, spin. Một hạt nhân không phóng xạ gọi là hạt nhân bền. Các hạt nhân phóng xạ tồn tại cùng với hạt nhân bền trong vỏ quả đất, hoặc do con người tạo nên qua việc thực hiện các phản ứng hạt nhân, hoặc do các tia vũ trụ bắn phá vào các hạt nhân bền trong khí quyển, hoặc do các vụ nổ nguyên tử… Hiện tượng phóng xạ là một quá trình thống kê. Các hạt nhân như nhau nhưng chúng sẽ phóng xạ tại những thời điểm khác nhau. Hiện tượng phóng xạ xảy ra bên trong hạt nhân, không phụ thuộc vào tác nhân lý hóa bên ngoài. Chuyên đề này được viết trên cơ sở tổng hợp các kiến thức cơ bản về các tia bức xạ α, β, γ trong các sách và giáo trình vật lý hạt nhân liên quan.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA SAU ĐẠI HỌC BÁO CÁO TIỂU LUẬN PHÂN RÃ HẠT NHÂN Môn Học: CẤU TRÚC HẠT NHÂN Giảng Viên: TS PHÙ CHÍ HỊA Thực Hiện: PHẠM VĂN ĐẠO Lâm Đồng, tháng 6/2014 MỤC LỤC CHƯƠNG I: PHÂN RÃ ALPHA I.1 Khái niệm phân rã alpha I.2 Đặc trưng phân rã alpha I.2.1 Thời gian bán rã hạt nhân trước phản ứng I.2.2 Năng lượng phân rã alpha I.2.3 Quãng chạy hạt alpha I.2.4 Phổ lượng I.3 Cơ chế phân rã alpha CHƯƠNG II: PHÂN RÃ BETA II.1 Khái niệm phân rã beta II.2 Các loại phân rã beta II.3 Đặc trưng phân rã beta 11 II.3.1 Phổ lượng beta 11 II.3.2 Các quy tắt chọn lọc phân rã beta II.3 Các tính chất phân rã beta 12 12 CHƯƠNG III: PHÂN RÃ GAMMA 14 III.1 Khái niệm dịch chuyển gamma chất xạ gamma III.2 Đặc trưng dịch chuyển gamma 14 III.2.1 Thời gian sống hạt nhân phát gamma 14 III.2.2 Năng lượng phổ xạ gamma 15 III.2.3 Độ đa cực lượng tử gamma 15 III.2.3 Các trạng thái isomer 16 III.3 Q trình biến hốn nội 16 III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 17 14 MỞ ĐẦU Hiện tượng phóng xạ trình hạt nhân tự động phát hạt để trở thành hạt nhân khác thay đổi trạng thái Hạt nhân chịu phóng xạ gọi hạt nhân phóng xạ, tia phát gọi tia phóng xạ Hiện tượng phóng xạ quan sát nhà khoa học Pháp, Henri Becquerel vào năm 1896 Một hạt nhân phóng xạ đặc trưng bởi: Loại phóng xạ, lượng, chu kỳ bán rã, spin Một hạt nhân khơng phóng xạ gọi hạt nhân bền Các hạt nhân phóng xạ tồn với hạt nhân bền vỏ đất, người tạo nên qua việc thực phản ứng hạt nhân, tia vũ trụ bắn phá vào hạt nhân bền khí quyển, vụ nổ nguyên tử… Hiện tượng phóng xạ q trình thống kê Các hạt nhân chúng phóng xạ thời điểm khác Hiện tượng phóng xạ xảy bên hạt nhân, không phụ thuộc vào tác nhân lý hóa bên ngồi Chun đề viết sở tổng hợp kiến thức tia xạ α, β, γ sách giáo trình vật lý hạt nhân liên quan CHƯƠNG I: PHÂN RÃ ALPHA I.1 Khái niệm phân rã alpha Là tượng hạt nhân (ZXA) tự động phát alpha (2He4) trở thành hạt nhân (Z-2YA-4) Z XA → 2He4 + Z-2YA-4 (1.1) Điều kiện để X phân rã α - Khối lượng MX > mα + MY - Năng lượng liên kết Eb = [mα + MY – MX]c2 < Năng lượng phân rã Eα = |Eb| = Kα + KY I.2 Đặc trưng phân rã alpha I.2.1 Thời gian bán rã hạt nhân trước phản ứng Thời gian bán rã hạt nhân phân rã alpha thay đổi dải rộng Chẳng hạn 82Pb204 T1/2 = 1,4.107năm, 86Rn125 T1/2 = 10-6s Thời gian bán rã T1/2 xác định trực tiếp nhờ phép đo độ suy giảm hoạt độ theo thời gian xác định theo số phân rã đơn vị thời gian hay từ quy luật cân kỉ Tính chất quan trọng hạt nhân phân rã alpha phụ thuộc mạnh thời gian bán rã vào lượng Eα bay Sự phụ thuộc T1/2 vào E tuân theo định luật Geiger – Nuttall sau: T1/ C (1.2) D  E Trong C D số khơng phụ thuộc vào số khối A mà phụ thuộc vào điện tích Z Định luật Geiger – Nuttall cịn biểu diễn mối liên hệ quãng chạy R hạt alpha số phân rã λ hạt nhân phát alpha lg R  A.lg λ  B (1.3) Định luật Geiger – Nuttall áp dụng tốt cho hạt nhân chẵn – chẵn I.2.2 Năng lượng phân rã alpha Khi so sánh lượng phân rã alpha Eα đồng vị nguyên tố thấy lượng Eα giảm A tăng Hiện tượng A < 209 A > 215 Với A ∊ (209, 215) ngược lại Nhờ tính chất ta tiên đoán lượng phân rã alpha đồng vị chưa biết nguyên tố cho trước Hình 1.1: Năng lượng phân rã alpha phụ thuộc theo số khối A đồng vị Năng lượng hạt alpha xác định phổ kế từ hay buồng ion hóa Bộ phận phổ kế từ nam châm điện tập trung hạt alpha lượng khác vị trí khác Một mỏng vật liệu hoạt tính alpha nguồn phát alpha detector ghi hạt alpha phim ảnh ống đếm alpha Độ phân giải lượng phổ kế từ cao, đạt đến keV Hình 1.2: Phổ kế từ đo alpha Buồng ion hóa làm việc theo nguyên tắc hạt ion hóa mơi trường khí sinh tín hiệu điện Tín hiệu ghi nhận nhờ máy phân tích biên độ nhiều kênh Khả phân giải lượng buồng ion hóa vào khoảng 25 keV, phổ kế từ I.2.3 Quãng chạy hạt alpha Quãng chạy hạt alpha xác định buồng bọt Wilson hay nhũ tương ảnh Nhờ phép đo lượng quãng chạy, người ta xác định hệ thức lượng quãng chạy Công thức liên hệ quãng chạy hạt alpha không khí (tính theo cm) lượng (MeV) miền lượng – MeV hay quãng chạy khơng khí – cm sau: Rkk  0,318 E3/2 (1.4) Biết quãng chạy α khơng khí ta suy Rα mơi trường Ví dụ: Rα Al  ρkk AAl  6,2.104 Rα kk (1.5) ρAl Akk  I.2.4 Phổ lượng  Có hai loại phổ vạch: Loại 1: Các phổ gồm có vài vạch, lượng chênh lệch cỡ 0,1 MeV, cường độ vạch lớn chút cường độ giảm lượng Eα giảm Hình 1.3: Minh họa phổ vạch α (loại 1) Loại 2: loại phổ gồm nhóm α cường độ mạnh gọi vạch vài nhóm α cường độ yếu (nhỏ vạch nhiều bậc) Hình 1.4: Minh họa phổ vạch α (loại 2)  Giải thích tồn hai loại vạch phổ Đối với trường hợp loại 1, người ta xem hạt nhân mẹ trạng thái bản, phân rã hạt nhân trạng thái kích thích Cường độ vạch phổ tuân theo quy tắc khoảng, ví dụ hạt nhân 92U238: E2: E4: E6 = 43: 100: 164, cường độ giảm Eα giảm Chuyển dời xảy trạng thái momen quỹ đạo giống nucleon lẻ hạt nhân mẹ hạt nhân con: U233: 5/2+ → 5/2+: Th229 Các trạng thái khác có chênh lệch momen quỹ đạo lớn, dịch chuyển khó Đối với phổ loại 2, người ta giả thiết hạt nhân mẹ trạng thái kích thích phân rã hạt nhân trạng thái Số hạt nhân phân rã alpha nhóm đa số hạt nhân phân rã gamma định Ở mức kích thích hạt nhân mẹ có hai q trình phân rã alpha gamma cạnh tranh Do số phân rã trình phân rã gamma lớn nên phân rã từ trạng thái kích thích trạng thái lớn I.3 Cơ chế phân rã alpha Trong chế phân rã alpha cần tính đến ba yếu tố trường coulomb quanh hạt nhân, lực ly tâm cấu trúc hạt nhân - Trường Coulomb hiệu ứng đường ngầm Để giải thích phụ thuộc mạnh thời gian bán rã T1/2 hạt nhân vào lượng hạt alpha, người ta xem xét chế để hạt alpha thoát khỏi hạt nhân Giả thiết gần coi hạt alpha hình thành tồn hạt nhân trước thoát khỏi hạt nhân Hạt alpha mang điện tích dương +2e nên ngồi lưc tương tác hạt nhân, cịn chịu tác dụng lực Coulomb Chiều cao bờ Coulomb r = R = 10-12 cm với Z = 100 là: 2Ze2 Urao  r  30MeV (1.6) Hình 1.5: Thế tương tác hạt nhân Coulomb hạt alpha (hình a) bờ hình chữ nhật dùng để tính tốn (hình b) Như trình bày trên, hạt alpha phân rã từ hạt nhân nặng có lượng từ – MeV, tức nhỏ chiều cao rào Theo học cổ điển hạt alpha khơng thể vượt qua rào để ngồi, tức khơng thể xảy q trình phân rã alpha Tuy nhiên giới vi mô, theo học lượng tử, hạt alpha truyền qua rào Coulomb theo chế đường ngầm - Vai trò bờ ly tâm Nếu alpha bay với momen quỹ hạt Phân rã β- thỏa mãn quan hệ khối lượng sau: M (Z , A)  M (Z  1, A)  me (2.2) (2.3) Trong M(Z,A), M(Z+1,A) me khối lượng hạt nhân zXA, z+1YA khối lượng electron Tuy nhiên thực tế người ta không đo khối lượng hạt nhân mà đo khối lượng nguyên tử, thay khối lượng hạt nhân thành khối lượng nguyên tử trước phân rã Mi sau phân rã Mf sau: Mi  M (Z , A)  Zme M f  M (Z  1, A)  (Z  1)me (2.4) Khi điều kiện phân rã β- thành: Mi > Mf  Phân rã β+ Là hạt positron có khối lượng khối lượng electron song có điện tích  1e Phân rã positron xảy hạt nhân có tỉ số N thấp phân rã dương Z alpha không xảy không thỏa mãn điều kiện lượng theo công thức M m  Mc  mα  2me  Q (2.5) Khi phân rã positron, hạt nhân ban đầu X chuyển thành hạt nhân Y, phát hạt positron hạt neutrino: X A β   Y A  e  v z 1 (2.6) z Quá trình phân rã kết phân rã proton thừa hạt nhân để biến thành neutron theo sơ đồ sau: p β   n  e  v (2.7) Khác với electron, hạt positron không tồn lâu tự nhiên Positron gặp electron nguyên tử hai hạt hủy cho hai tia gamma có lượng 0,511 Mev Đối với phân rã β+ điều kiện khối lượng hạt nhân là: M (Z , A)  M (Z  1, A)  me (2.8) Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mi > Mf + 2me Mi  M (Z , A)  Zme M f  M (Z  1, A)  (Z  1)me (2.9)  Chiếm electron quỹ đạo Một nguyên tử thiếu neutron muốn chuyển trạng thái bền cách phát hạt positron khối lượng phải lớn khối lượng hạt nhân hai lần khối lượng electron Nếu điều kiện khơng thỏa mãn thiếu hụt electron phải khắc phục trình chiếm electron quỹ đạo, hay gọi chiếm K e  X A c.e  z 1 Y (2.10) A v z Trong q trình electron ngồi hạt nhân bị hạt nhân chiếm kết hợp với proton bên để tạo nên neutron theo phản ứng sau: e  p  c.e n  v (2.11) Ký hiệu “c.e” mũi tên trình (2.10) (2.11) ký hiệu trình chiếm electron Do electron lớp K nguyên tử có quỹ đạo thấp nên xác suất để hạt nhân bắt cao so với electron lớp khác Vì trình chiếm electron thường xảy electron lớp K gọi trình chiếm K Quá trình chiếm electron giống trình phân rã positron chỗ số nguyên tử hạt nhân thấp đơn vị so với hạt nhân mẹ, số khối hai hạt giống Đối với trình chiếm electron điều kiện khối lượng hạt nhân là: M (Z , A)  me  M (Z  1, A) (2.12) Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mi > Mf Mi  M (Z , A)  Zme M f  M (Z  1, A)  (Z  1)me (2.13) Để nhận biết nguyên tố phát β- β+ nguyên tố bền Ta dựa vào tỉ số điện tích Z số neutron N Hình 2.1: Biểu đồ phân bố hạt nhân theo số proton neutron Dựa vào hình ta giải thích là: Nếu N = hạt nhân bền; N > đóZ hạt nhân phân rã β+; N < Z hạt nhân phân rã β Z II.3 Đặc trưng phân rã beta II.3.1 Phổ lượng beta Khác với phân rã alpha, phân rã beta có hai hạt bay electron phản neutrino Do phân bố lượng phân rã beta quan tâm đến lượng tổng cộng mà phân bố lượng hai hạt bay Ở bỏ qua lượng giật lùi bé hạt nhân Do tính chất thống kê q trình phân rã nên phân chia lượng electron phản neutrino phân rã ngẫu nhiên, lượng electron có giá trị từ đến lượng cực đại Emax Tuy nhiên với số lớn phân rã beta phân bố lượng electron ngẫu nhiên mà có dạng xác định Phân bố lượng gọi phổ electron phân rã beta Khác với phổ alpha phổ vạch, tất hạt alpha nhóm có lượng Trong phổ beta liên tục có dạng hình vẽ: Hình 2.2: Phổ lượng electron phân rã beta đồng vị phóng xạ P32 II.3.2 Các quy tắt chọn lọc phân rã beta Sự dịch chuyển trạng thái hạt nhân kèm theo phân rã beta tuân theo số quy tắc lựa chọn Dịch chuyển beta cho phép hay bị cấm spin độ chẵn lẻ hạt nhân mẹ Ta gọi spin độ chẵn lẻ hạt nhân mẹ Ji, πi Jf, πf điều kiện để dịch chuyển cho phép là: J  Jf  Ji  0,  1; π π  πi0 f Điều kiện để dịch chuyển bị cấm bội là: J  Jf  Ji  0,  1,  2; π π  πi0 f II.3 Các tính chất phân rã beta - Lực tương tác: Đặc điểm phân rã beta chúng không gây lực hạt nhân lực điện từ mà lực tương tác yếu với cường độ nhỏ lực hạt nhân 14 bậc - Bản chất trình phân rã: Khác với trình phân rã alpha, trình phân rã beta xảy bên hạt nucleon, neutron thành proton hay proton thành neutron - Nguồn gốc hạt bay từ phân rã beta: Câu hỏi đặt electron, neutron, hạt khác bay phân rã beta có tồn hạt nhân trước phân rã beta không? Theo quan điểm lý thuyết hạt nhân nay, hạt sinh trình phân rã tương tác hạt - Dải nguyên tố phân rã beta: Dải nguyên tố phân rã beta rộng từ hạt neutron tự đến nguyên tố nặng - Năng lượng giải phóng phân rã beta: Năng lượng giải phóng phân rã beta biến thiên từ 0,02 Mev đến 13,4 Mev H β   H  e  v  0,02MeV Ví dụ: B12 β   C12  e  v  13,4MeV CHƯƠNG III: PHÂN RÃ GAMMA III.1 Khái niệm dịch chuyển gamma chất xạ gamma Cả hai phân rã alpha beta thường kèm theo dịch chuyển gamma, sau phân rã alpha beta hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân thường nằm trạng thái kích thích Vậy dịch chuyển gamma tượng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích có lượng cao xuống trạng thái kích thích có lượng thấp trạng thái cách phát xạ điện từ gọi xạ gamma Bức xạ tia X đặc trưng dịch chuyển lớp electron bên nguyên tử, cịn xạ gamma có nguồn gốc hạt nhân sinh xạ gamma dịch chuyển mức lượng Bức xạ gamma tương tác nucleon riêng biệt bên hạt nhân với trường điện từ Một nucleon tự cô lập xạ hay hấp thụ xạ gamma Bên hạt nhân nucleon xạ gamma hấp thụ gamma truyền động lượng cho nucleon khác bên hạt nhân Cạnh tranh với trình xạ gamma q trình biến hốn nội biến hoán tạo cặp III.2 Đặc trưng dịch chuyển gamma III.2.1 Thời gian sống hạt nhân phát gamma Thời gian sống trung bình hạt nhân phát gamma nhỏ nhiều so với thời gian sống hạt nhân phân rã beta alpha cường độ tương tác điện từ bậc yếu cường độ tương tác hạt nhân Cũng loại phân rã khác, thời gian sống hạt nhân phát gamma phụ thuộc vào độ chênh lệch spin tính chẵn lẽ trạng thái đầu cuối Từ lý thuyết xạ điện từ, thời gian bán rã hạt nhân xạ gamma phục thuộc vào độ đa cực L độ dài bước sóng  sau: Đối với dịch chuyển đa cực điện: 1  R 2 L ~   (3.1) T 1/2  Đối với dịch chuyển đa cực từ:  R 2L 1 ~   (3.2) T 1/2  Thời gian bán rã T1/2 lớn độ đa cực L cao, tức dịch chuyển với độ đa cực cao bị cấm mạnh dịch chuyển với độ đa cực thấp Dịch chuyển lưỡng cực điện cho phép nhiều Sau dịch chuyển tứ cực điện dịch chuyển lưỡng cực từ III.2.2 Năng lượng phổ xạ gamma Năng lượng xạ gamma hiệu số mức lượng đầu cuối dịch chuyển gamma Như phổ lượng xạ gamma phổ gián đoạn Năng lượng ΔE, động lượng p, tần số f bước sóng  xác định xạ điện từ khác, tức là: ΔE  h.f; p  h ;f  c  (3.3)  III.2.3 Độ đa cực lượng tử gamma Do photon khơng có khối lượng nên ta không sử dụng khái niệm momen quỹ đạo mà dung khái niệm đa cực Độ đa cực L photon xác định theo spin trạng thái đầu Ji spin trạng thái cuối Jf hạt nhân sau: L=1 gọi xạ lưỡng cực L=2 gọi xạ tứ cực Ji  Jf  L  Ji  Jf (3.4) Bức xạ gamma chia thành hai loại xạ điện (E) xạ từ (M) Số chẵn lẻ hai loại xạ xác định sau: Bức xạ điện: π   1L Bức xạ từ: π 1   1L E (3.5) (3.6) M Định luật bảo toàn chẵn lẻ xạ điện từ là: πi   1L (3.7) πf Định luật bảo toàn chẵn lẻ xạ từ là: π i   1L 1 (3.8) πf III.2.3 Các trạng thái isomer Có số dịch chuyển từ mức lượng thấp mức độ cấm lớn nên hạt nhân có thời gian bán rã lớn Các trạng thái sống lâu gọi isomer Từ (3.1) (3.2) ta thấy mức isomer phải thỏa mãn hai điều kiện spin khác rõ rệt với spin mức có mức lượng kích thích thấp Như trạng thái isomer tồn hạt nhân có mức vỏ gần lượng xa spin Ví dụ đồng vị 49In115 thiếu proton để làm đầy vỏ với Z=50, nghĩa có “lỗ trống” proton Ở trạng thái bản, lỗ trống nằm trạng thái 1g9/2 mức kích thích trạng thái 2p1/2 Từ thấy hạt nhân đảo isomer nằm trước số magic 50, 82, 126 theo Z N Đối với hạt nhân này, trạng thái isomer mức kích thích hạt nhân III.3 Q trình biến hốn nội Hạt nhân trạng thái kích thích chuyển trạng thái khơng cách phóng lượng tử gamma mà cách truyền lượng cho electron vỏ nguyên tử Nếu lượng truyền lớn lượng liên kết εlk electron nguyên tử electron bị đánh bật khỏi nguyên tử Quá trình gọi biến hốn nội Như q trình biến hốn nội q trình tương tác trực tiếp hạt nhân với electron vỏ nguyên tử, chủ yếu lớp vỏ K L III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp Trong trạng thái dịch chuyển – trạng thái kích thích thứ có lượng lớn nhiều so với 1.022 MeV (2m0c2) dịch chuyển gamma bị cấm Khi trạng thái kích thích giải phóng cách biến hốn tạo cặp Ví dụ: 19 F  1H 20Ne 4He16O Hạt nhân 16 16 10 8 tạo thành trạng thái kích thích cao Khi hạt nhân O O tạo thành trạng thái kích thích thứ có lượng cao 6MeV, spin và8 chẵn lẽ 0+ Dịch chuyển từ trạng thái thứ 0+ trạng thái có 0+ bị cấm Khi lượng kích thích giải phóng cách phát electron position (1,022 MeV) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân [2] Phù Chí Hịa, Giáo trình cấu trúc hạt nhân [3] Đào Tiến Khoa, Vật lý hạt nhân đại, Hà Nội, 2010 [4] http://360.thuvienvatly.com ... thích phân rã hạt nhân trạng thái Số hạt nhân phân rã alpha nhóm đa số hạt nhân phân rã gamma định Ở mức kích thích hạt nhân mẹ có hai q trình phân rã alpha gamma cạnh tranh Do số phân rã trình phân. .. có tồn hạt nhân trước phân rã beta không? Theo quan điểm lý thuyết hạt nhân nay, hạt sinh trình phân rã tương tác hạt - Dải nguyên tố phân rã beta: Dải nguyên tố phân rã beta rộng từ hạt neutron... 2.1: Biểu đồ phân bố hạt nhân theo số proton neutron Dựa vào hình ta giải thích là: Nếu N = hạt nhân bền; N > đóZ hạt nhân phân rã β+; N < Z hạt nhân phân rã β Z II.3 Đặc trưng phân rã beta II.3.1