5. Các bƣớc thực hiện đề tài
5.2.Sự làm chậm neutron có năng lƣợng cỡ 1eV và bé hơn
Cho đến nay ta chỉ xét sự hãm của neutron trong các chất làm chậm là do các va chạm đàn hồi với nhân của chất làm chậm. Ở đây nhân đƣợc coi là tự do. Tuy nhiên, trong vật chất đông đặc các nhân bị liên kết trong các phân tử hoặc trong các mạng tinh thể. Rõ ràng là ta chỉ có thể xem chúng là tự do khi nào năng lƣợng trung bình thu đƣợc trong va chạm với neutron là lớn hơn so với năng lƣợng liên kết. Vì rằng năng lƣợng liên kết của các nguyên tử trong các phân tử cỡ 1 eV, nên sự hãm neutron mà từ trƣớc đến nay ta xét là tƣơng ứng cho năng lƣợng lớn hơn 1 eV. Đến đây ta cần xét là quá trình hãm các neutron có năng lƣợng bé hơn hoặc bằng 1 eV.
- Các mức năng lƣợng của phân tử là gián đoạn, vì vậy neutron chỉ có thể cung cấp cho nhân một lƣợng năng lƣợng đủ lớn để kích thích một mức dao động và mức quay; tức là sự mất năng lƣợng của neutron ở vùng năng lƣợng thấp có tính lƣợng tử.
L(cm) E0(MeV) ln H H2O D2O C O 3,0 2,0 1,0 0,5 0,25 0,10 14,55 14,14 13,45 12,76 12,60 11,15 0,728-0,865 0,608-0,707 0,413-0,520 0,375-0,411 0,378-0,352 0,293-0,309 6,4 5,3 3,8 3,1 2,7 2,4 10,5-11,9 10,1-10,9 9,7-10,2 9,81-9,9 9,1-9,5 8,8-9,2 19,2-19,8 17,7-18,2 15,9-16,2 14,7-15,0 13,9-14,1 13,2-13,3 56,8-62,6 48,8-50,0 42,2-42,6 38,6-39,1 37,9-38,2 36,8-37,1
- Tiết diện hiệu dụng trong vùng năng lƣợng này thay đổi phức tạp theo năng lƣợng của neutron. Ở những vùng năng lƣợng neutron bằng năng lƣợng các mức kích thích thì nó xuất hiện các bƣớc nhảy cộng hƣởng. Fermi đã khảo sát sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ của neutron lên nguyên tử hydrogen trong phân tử nƣớc vào năng lƣợng của neutron. Sự phụ thuộc này đƣợc diễn tả trong hình sau:
Hình 5.2: Tiết diện tán xạ của neutron lên phân tử nƣớc do Fermi thí nghiệm.
tỷ lệ giữa năng lƣợng neutron và lƣợng tử năng lƣợng h của dao động nguyên tử hydrogen trong phân tử.
: tỷ lệ tiết diện của nguyên tử liên kết và tiết diện của proton tự do.
Lƣu ý rằng, năng lƣợng h tƣơng ứng cho dao động dọc theo vạch liên kết H-O vào cỡ 0,4 eV và cho dao động vuông góc với vạch này vào cỡ 0,1 eV.
Dựa vào (hình 5.2) ta thấy rằng, sự tán xạ ở những năng lƣợng neutron có giá trị lớn gấp nhiều lần h có biến đổi nhảy vọt. Nếu nhƣ năng lƣợng neutron nhỏ hơn (k. ) thì mức dao động thứ k sẽ không bị kích thích và tiết diện tƣơng tác sẽ giảm. Nếu nhƣ năng lƣợng gần tới giá trị (k-1). thì tiết diện lại bắt đầu tăng lên. Nhƣ vậy là, tiết diện thay đổi có tính chu kỳ. Không phải tất cả các va chạm đều dẫn tới sự kích thích các dao dộng phân tử ngay cả khi năng lƣợng neutron đủ cho việc đó.
Cũng có thể xuất hiện sự tán xạ mà không gây nên sự kích thích của phân tử. Tán xạ của neutron lên hạt nhân bị liên kết trong phân tử nếu không tạo nên sự kích thích phân tử thì đƣợc gọi là tán xạ đàn hồi, còn nếu dẫn đến sự kích thích thì đƣợc gọi là tán xạ không đàn hồi.
Cũng cần phải lƣu ý là, tán xạ phân tử không đàn hồi có năng lƣợng kích thích bé hơn hàng triệu lần so với tán xạ không đàn hồi lên nhân; vì rằng trong tán xạ không đàn hồi lên phân tử thì phân tử bị kích thích, còn trong tán xạ không đàn hồi lên hạt nhân thì không phải phân tử mà là nhân bị kích thích.
Nếu nhƣ năng lƣợng của neutron nhỏ hơn năng lƣợng của mức dao động thứ nhất, tức là E << thì sự tán xạ không đàn hồi với sự kích thích dao động phân tử sẽ không xảy ra. Ở năng lƣợng nhƣ vậy chỉ xảy ra sự tán xạ đàn hồi của neutron. Phân tử lúc đó đƣợc xem nhƣ là một hệ thống nhất bền vững.
Vì Vậy, ta không khảo sát sự tán xạ của neutron lên một nguyên tử riêng rẽ mà là lên toàn bộ phân tử và cũng do vậy nên:
+ Hao phí năng lƣợng trung bình của một neutron trong mỗi va chạm sẽ giảm xuống vì khối lƣợng phân tử lớn hơn khối lƣợng nguyên tử.
+ Vì kích thƣớc phân tử lớn hơn kích thƣớc nguyên tử nên tiết diện tán xạ sẽ lớn. Nhƣ vậy, tiết diện tán xạ ở năng lƣợng thấp của neutron đối với hydrogen trong nƣớc hoặc trong parafin sẽ có giá trị bằng bốn lần giá trị tiết diện đối với các proton tự do, tức là 80 barn cho mỗi nguyên tử hydrogen.
+ Khác với sự tán xạ lên các nhân tự do, sự tán xạ ở đây là bất đẳng hƣớng. Vì các mối liên kết của nguyên tử trong phân tử ở các hƣớng khác nhau là khác nhau nên xác suất tán xạ cũng phụ thuộc vào hƣớng tán xạ. Ví dụ: để kích thích mức dao động thứ nhất dọc theo H-O trong parafin thì đòi hỏi một năng lƣợng 0,4 eV, còn theo hƣớng vuông góc với hƣớng trên chỉ cần 0,1 đến 0,2 eV. Do vậy, tán xạ của neutron bởi phân tử không đối xứng cầu trong hệ khối tâm. Từ đó nhận thấy rằng, chính do có sự thay đổi khối lƣợng của tâm tán xạ (phân tử hay nguyên tử) mà có sự biến đổi phân bố góc của các neutron bị tán xạ, thậm chí ngay cả trong khi bảo toàn tính đối xứng cầu của tán xạ trong hệ khối tâm. Ví dụ: Trong sự tán xạ của neutron lên các proton tự do, góc tán xạ không lớn hơn 900, còn tán xạ lên các proton trong phân tử thì có thể lấy bất kỳ giá trị nào cho đến 1800.
Tất cả những tính chất đặc biệt này làm phức tạp quá trình hãm đối với các neutron có năng lƣợng cỡ 1 eV và thấp hơn, đến nỗi việc tính toán, nhất là việc tính toán phổ neutron trong vùng năng lƣợng này, thực tế không thể thực hiện đƣợc.
Trong mọi trƣờng hợp thì ở vùng năng lƣợng cỡ 1 eV, tức là những năng lƣợng tƣơng ứng cho các mức dao động thì đặc trƣng trao đổi năng lƣợng với nhân tự do qua sự lƣợng tử hóa các mất mát năng lƣợng. Từ đó, nhận thấy rằng cƣờng độ của quá trình hãm trong vùng năng lƣợng này thay đổi không lớn.
Ở những vùng năng lƣợng nhỏ hơn các mức dao động thì sự trao đổi năng lƣợng giữa các neutron và các hạt nhân sẽ khó khăn do khối lƣợng lớn của phân tử so với khối lƣợng của hạt nhân tự do; mặt khác nó sẽ dễ hơn một ít do sự lớn lên của tiết diện tƣơng tác. Trong parafin và trong nƣớc thì hai thừa số này tăng cao trái ngƣợc gần bằng nhau đến nỗi trong vùng này khả năng hãm không có biến đổi đáng kể.
Các va chạm đàn hồi giữa các neutron và các phân tử gắn liền với sự trao đổi năng lƣợng của chúng. Ở đây, phân tử có thể xem nhƣ là tự do chừng nào năng lƣợng của các neutron chuyển lên chúng là còn lớn so với năng lƣợng tƣơng ứng cho mức dao động nhiệt thứ nhất của phân tử trong mạng tinh thể. Nói cách khác, phân tử có thể đƣợc xem là tự do chừng nào năng lƣợng của neutron ở bậc kT, ở đây nhiệt độ T không đƣợc phép quá nhỏ. Ở mức năng lƣợng tƣơng ứng với các nhiệt độ thấp thì ta cần chú ý đến đặc trƣng gián đoạn giới hạn sự hãm của sự trao đổi năng lƣợng giữa các neutron và phân tử. Thực nghiệm cho thấy là trong nƣớc tinh thể thì neutron không thể đạt sự cân bằng nhiệt nếu nhiệt độ hydrogen không nằm dƣới 300K vì rằng tiết diện của tán xạ không đàn hồi với sự kích thích dao động nhiệt của mạng sẽ nhỏ. Điều này làm khó khăn cho việc trao đổi năng lƣợng giữa neutron và mạng tinh thể. Do vậy neutron bị bắt trƣớc khi nó đạt đến sự cân bằng nhiệt với môi trƣờng.
Ở nhiệt độ thông thƣờng, trong các vật liệu có tiết diện bắt nhỏ thì sự cân bằng nhiệt giữa các neutron và vật hãm có thể đạt đƣợc vì khả năng hãm của vật liệu khi năng lƣợng
của neutron giảm biến đổi không lớn lắm. Sự phân bố năng lƣợng Maxwell. Tuy nhiên, không có sự trùng hoàn toàn của phân bố neutron và phân bố Maxwell vì tiết diện bắt đối với neutron thƣờng tuân theo định luật , mà qua định luật này phổ Maxwell bị nhiễu. Ngoài ra, trong phổ neutron nhiệt luôn luôn tồn tại phần dƣ của neutron nhanh vì các neutron xuất hiện trên đƣờng hãm. Rõ ràng sự thống nhất giữa phổ neutron nhiệt và phân bố Maxwell càng tốt khi thời gian sống của neutron nhiệt càng lớn, tức là khi tiết diện bắt đối với neutron nhiệt càng nhỏ. Phân bố Maxwell theo năng lƣợng có dạng:
N(E)dE = A
(
(5.52)
+ T: nhiệt độ tuyệt đối. + k: hằng số Botlzmann.
+ A: hằng số đƣợc xác định từ điều kiện ∫ ( . + Q: số neutron trong mỗi giây.
+ : thời gian sống trung bình.
Điều kiện này có thể phát biểu nhƣ sau: số neutron tổng cộng trong toàn phổ bằng số neutron xuất hiện trong mỗi giây Q nhân cho thời gian sống trung bình . Thay N(E) của phân bố Maxwell vào và lấy tích phân cho điều kiện phía trên ta sẽ đƣợc giá trị A:
A=2√ (5.53) Và cuối cùng sẽ có phân bố: N(E)dE = 2√ ( (5.54) Phân bố theo vận tốc có dạng: N(v) = 2√ ( (5.55) Với v0 = ( (5.56) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phân bố Maxwell theo thời gian có dạng: N(t)dt = 2√
( ( ) (5.57) Phân bố này đƣợc sử dụng trong khi áp dụng kỹ thuật phổ thời gian bay với, l: chiều dài buồng bay, t = , t0 = , v0 = ( , t0: là thời gian bay của neutron qua buồng với vận tốc có xác suất lớn nhất là v0. Ở nhiệt độ phòng bình thƣờng T=2900K thì năng lƣợng trung bình gần bằng 0,04 eV và cực đại phân bố Maxwell nằm bên cạnh giá trị năng lƣợng này.
Nhƣ vậy, phổ neutron trong vật chất cản là liên tục, nó kéo dài từ năng lƣợng ban đầu của neutron nhanh đến các năng lƣợng cỡ 0,001 eV (năng lƣợng này tƣơng ứng cho đuôi của phân bố Maxwell). Trong vùng năng lƣợng từ 1 MeV đến 1eV, phổ có thể đƣợc biểu diễn qua: N(E)dE = √ (5.58)
Trong vùng năng lƣợng từ 1 eV đến 0,1 eV thì phổ này nối liền với phần đuôi của phân bố Maxwell.
Phần KẾT LUẬN
Sau khi tìm hiểu về hạt neutron ta có thể kết luận một cách sơ bộ nhƣ sau:
Neutron đƣợc phát hiện ra năm 1932 bởi nhà bác học J. Chadwich nhờ tính chất không tƣơng tác của nó.
Ngƣời ta còn phát hiện ra rằng neutron cũng có tính hấp dẫn mà trƣớc kia ngƣời ta tƣởng rằng nó chỉ có ở các vật thể vĩ mô.
Ngoài ra neutron còn có tính phóng xạ.
Hạt neutron có điện tích bằng không nhƣng không phải là hạt thực sự trung hòa vì theo định nghĩa hạt trung hòa thì hạt phải trung hòa hoàn toàn với phản hạt, không phân biệt đƣợc giữa hai hạt thuộc cặp này. Điều đó chứng minh rằng neutron chƣa phải là hạt thực sự cơ bản. Neutron còn có các đặc trƣng nhƣ: Kích thƣớc. Khối lƣợng. Điện tích. Spin neutron.
Có nhiều loại nguồn neutron, tuy nhiên có thể phân thành 4 loại chính: Nguồn neutron đồng vị.
Nguồn neutron từ những máy gia tốc. Nguồn neutron từ những lò phản ứng. Nguồn neutron từ các đồng vị tự phân chia.
Tƣơng tác của neutron với vật chất đƣợc xác định qua lực tƣơng tác giữa các neutron với các hạt vật chất: nguyên tử; trong đó, quan trọng nhất là lực tƣơng tác của neutron với nhân nguyên tử. Độ lớn của tƣơng tác này đƣợc hình thành bởi hai thành phần: tƣơng tác của neutron với các điện tử của lớp vỏ nguyên tử và tƣơng tác của neutron với nhân nguyên tử
Ngƣời ta chia neutron thành hai nhóm: neutron nhanh và neutron chậm. Sự phân chia này chỉ mang tính chất tƣơng đối, thí dụ đối với neutron có năng lƣợng 0,025 eV thì vận tốc của nó cũng đạt tới 2 km/gy tức là vẫn lớn hơn vận tốc các loại máy bay hiện có.
Nhờ không mang điện mà neutron dễ dàng gây ra phản ứng với các hạt nhân khác và dễ dàng bị các hạt nhân khác hấp thu, gây nên phản ứng phân hạch.
Phần lớn các nguồn phát neutron cho chùm neutron có năng lƣợng khác nhau, phổ năng lƣợng rất rộng. Trong nhiều thí nghiệm khác nhau, thí dụ cần phải thử lại cơ cấu hạt nhân hợp phần của Borh tức là nghiên cứu sự phụ thuộc của tiết diện phản ứng vào năng lƣợng của neutron tham gia phản ứng. Do đó, cần phải có chùm neutron đơn năng và năng lƣợng của neutron có thể thay đổi đƣợc.
Neutron thuộc hàng ngũ các hạt tham gia tƣơng tác mạnh dựa theo sắc động lực học lƣợng tử.
Chính nhờ tƣơng tác mạnh này mà proton và neutron đã liên kết chặt chẽ với nhau thành hạt nhân nguyên tử bền vững, viên gạch của mọi lâu đài vật chất.
Ngƣời ta phát hiện ra rằng neutron có năng lƣợng nhỏ hay gây ra phản ứng hạt nhân với tiết diện hiệu dụng lớn. Cho nên trong nhiều thí nghiệm ngƣời ta thƣờng làm chậm neutron trƣớc khi cho nó gây ra phản ứng. Bằng cách cho va chạm với hạt nhân nhẹ nhƣ H2, He, graphit.
Ngày nay ngƣời ta xây dựng các nhà máy điện hạt nhân để sản xuất điện khi nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt.
Luận văn trên chỉ trình bày những vấn đề cơ bản nhất của neutron, nếu có điều kiện thì em sẽ tiếp tục bổ sung và hoàn thiện nó một cách tốt nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lƣơng Duyên Bình. Vật Lý Đại Cƣơng. Tập 3. NXB Giáo Dục. Năm 1998.
2. Ngô Quang Huy. Cơ Sở Vật Lý Hạt Nhân. NXB Khoa Học Và Kĩ Thuật. Năm 2006. 3. Mai Văn Nhơn. Nhập Môn Vật Lý Neutron. NXB Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh.
Năm 2002.
4. Nguyễn Xuân Tƣ. Giáo Trình Vật Lí Hạt Nhân Và Hạt Cơ Bản. Khoa Sƣ Phạm. Đại Học Cần Thơ. Năm 2000.
5. Đặng Huy Uyên. Vật Lý Hạt Nhân Đại Cƣơng. NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Năm 2005.
6. Ronald Gautreau – William Savin. Vật Lý Hiện Đại. NXB Giáo Dục. Năm 2003. 7. Wedsite: http://www.123doc.vn/document/193442-may-gia-toc-hat.htm.