1.5. Phản ứng hạt nhân
1.5.4.Các loại phản ứng
Phản ứng hạt nhân quan tâm đến phân tích kích hoạt là cái mà trong đó các phần tử mong muốn được chiếu xạ bởi chùm hạt bắn phá có sẵn để tạo ra đồng vị phóng xạ có các bức xạ có thể đo được. Thơng thường các hạt chiếu xạ có sẵn được thảo luận trong chương 3. Các phản ứng hạt nhân được chia thành 3 loại
♦Phản ứng neutron
Neutron là một hạt khơng mang điện, nó có thể tiến đến gần hạt nhân mà không bị cản bởi rào thế Coulomb. Vì vậy neutron với động năng bằng khơng có thể va chạm với hạt nhân. Neutron cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh được gọi là neutron nhiệt và có năng lượng trung bình chỉ 0.025eV ở 20oC. Phản ứng neutron có thể xảy ra với các neutron nhiệt hay neutron có năng lượng cao hơn theo nhiều cách. 4 dạng phổ biến nhất được đưa ra dưới đây.
Phản ứng bắt neutron
Phản ứng kích hoạt phổ biến nhất là bắt neutron trong đó một neutron năng lượng thấp được hấp thụ bởi một hạt nhân và một tia gamma được bức xạ ra. Phản ứng được minh họa bởi sự bắt neutron của Natri:
23 24 11Na n( , )γ 11Na
Chú ý là kết quả của sự bắt neutron cho ra một nguyên tố đồng vị của nguyên tố đó, tăng số khối từ A lên A+1. Vì vậy tỉ lệ giữa neutron với proton tăng lên từ N/Z lên (N+1)/Z và hầu như các đồng vị bền khi có sự tăng này sẽ chuyển về một đồng vị bền với phân rã β−. Trong ví dụ trên
24 24 11Na→β− 12Mg
Tuy nhiên nhiều nguyên tố có hai hay nhiều đồng vị có số khối A liên tiếp nhau thì bền, ví dụ 42Ca Ca Ca,43 ,44
Vì vậy kết quả của sự bắt neutron của các đồng vị nhẹ hơn cho ra các đồng vị bền khơng phù hợp cho việc đo phóng xạ, đó là,
42Ca(n,γ)43Castable và 43Ca(n,γ)44Castable
Chuỗi các đồng vị nặng được dùng để tạo ra các đồng vị phóng xạ:
44Ca n( , )γ 45Ca β− 45Sc
→
Hầu hết mỗi nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hồn đều có một đồng vị bền khi bắt neutron dẫn đến một đồng vị phóng xạ bức xạ beta có chu kì bán rã đáng kể.
Phản ứng biến đổi
Phản ứng kích hoạt quan trọng thứ hai là sự hấp thụ một neutron sau đó phát ra một hạt mang điện, thường là pronton. Phản ứng này gọi là phản ứng (n,p). Còn các phản ứng khác thường xảy ra với xác suất thấp hơn là (n,d), (n,α), (n,t), và (n,3He), trong mỡi phản ứng đó tính chất hóa học của hạt nhân bia được thay đổi. Vì vậy phản ứng trao đổi có khả năng loại bỏ các sản phẩm phóng xạ bằng các tính chất hóa học từ các vật làm bia. Sự tách hóa của sản phẩm được thảo luận trong chương 6.
Phản ứng (n,p) được minh họa bởi phương trình:
27 27
13Al n p( , )12Mg
Kết quả là một neutron đi vào và cho ra một proton từ hạt nhân bia. Neutron chuyển sang proton có sự thay đổi tỉ lệ từ N/Z thành (N+1)/(Z-1). Hầu hết các sản phẩm hạt nhân không bền bức xạ beta để quay trở lại hạt nhân bia ban đầu như vậy:
27 27
12Mg→β− 13Al
Nhiều nguyên tố nặng (Z >: 30) có một hay nhiều đồng vị nhẹ bền, là kết quả
của phản ứng (n,p) với một positron phát ra, ví dụ.
106 106 106
48Cd n p( , )47Ag→β+ 46Pd
Sản phẩm của phản ứng (n,p) có một vài mẫu đồng vị bền; ví dụ, 123 123
52Te n p( , ) 53Sbstable
Nói chung, phản ứng (n,α) ít xảy ra hơn với neutron năng lượng thấp so với phản ứng (n,p) vì địi hỏi phải có năng lượng nội tại lớn để giải phóng hạt alpha ra khỏi hạt nhân. Phản ứng (n,α) phổ biến hơn đối với các nguyên tố nhẹ hơn.
Phản ứng phân hạch :
Quá trình phân hạch là sự hấp thụ một neutron của một hạt nhân rất nặng và kết quả là hạt nhân bị phân thành hai mảnh có số khối gần bằng nhau đi kèm theo là hai hay ba hạt neutron. Quá trình này, là một chuỗi phản ứng xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân khi được chiếu xạ bởi neutron, được thảo luận trong chương 3.
Tán xạ không đàn hồi:
Tán xạ không đàn hồi khác với ba q trình hấp thụ trước trong đó neutron chỉ trao đổi một phần động năng với hạt nhân bia, thoát ra với sự giảm một phần năng lượng của nó. Hai q trình tán xạ khơng đàn hồi được quan tâm để sản xuất các chất đồng vị phóng xạ: phản ứng (n,n’) và (n,2n).
1.Phản ứng (n.n’) diễn ra khi neutron tán xạ truyền năng lượng đủ để hạt nhân bia trở thành hạt nhân giả bền. Không làm thay đổi tỷ số N/Z. Trạng thái này sẽ phân rã trở lại trạng thái bền với sự phát ra của tia gamma; ví dụ,
103 103
45Rh n n( , ') 45mRh
Và m trong 10345mRh nghĩa là một đồng vị của 103
45Rh ở trạng thái giả bền, quá
trình phân rã
103 103
45 45
mRhγ→ Rh
2.Phản ứng (n,2n) có thể xảy ra khi neutron tán xạ truyền đủ năng lượng để vượt qua năng lượng liên kết của các neutron liên kết trong hạt nhân bia. Kết quả là việc loại bỏ một neutron từ nhân bia. Ví dụ,
23 22
11Na n n( , 2 )11Na
Vì năng lượng liên kết trung bình của các neutron là khoảng 6 đến 8 MeV, nên chỉ có các neutron năng lượng cao mới có thể được sử dụng cho các phản ứng như vậy. Kết quả là các hạt nhân, trong mọi trường hợp, là đồng vị với hạt nhân bia và trong nhiều trường hợp vì tỉ lệ N/Z giảm còn (N-1)/Z nên hạt nhân sau phản ứng khơng bền phân rã β+hay bắt electron. Trong ví dụ trên
22 22
11Na→β+ 10Ne
Sự khác nhau chủ yếu giữa phản ứng của các hạt mang điện với phản ứng của hạt neutron là các hạt mang điện khi đến gần hạt nhân bia phải chịu tác dụng của một trường tĩnh điện cho bởi cơng thức
2
Zze V
r
=
Trong đó Z = Số proton của hạt nhân bia Z = Số proton của hạt nhân vào e = Điện tích của electron
r = Khoảng cách giữa tâm của hai hạt nhân
Tuy nhiên hạt mang điện có thể được hạt nhân bia hấp thụ, vì khi tiến đến vùng tác dụng của lực hạt nhân thì bị hạt nhân hút mạnh nó sẽ thắng lực đẩy Coulomb. Độ lớn của thế năng khi hai hạt vừa tiếp xúc nhau xem như là thế màng chắn và được xấp xỉ bằng: ( ) ( ) 2 1 1 1 1 3 3 3 3 0 1.03 c Zze Zz V R A +a A +a ; ;
Trong đó: A và a là số khối của hạt nhân bia và hạt nhân vào R0 là bán kính của hạt nhân (≈1.4 × 10-13 cm) Thế màng chắn của trong phản ứng 19779Au( , )α n 20081Tl là ( 1 1 ) 3 3 79 2 1.03 22 197 4 c V × = MeV + ;
Tuy nhiên theo cơ học lượng tử, phản ứng có thể xảy ra với hạt alpha có động năng chỉ vừa lớn hơn năng lượng ngưỡng 12MeV, xác suất xảy ra không đáng kể cho đến khi năng lượng của hạt alpha lớn hơn 22MeV.
Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn của rào thế
Một sơ đồ biểu diển của rào thế trong hình 1.5. Thế năng tại R ứng với động năng nhỏ nhất. Theo lí thuyết cổ điển hạt mang điện cần phải va chạm với hạt nhân bia, tuy nhiên theo cơ học lượng tử có một xác suất để một hạt mang điện với động năng nhỏ có thể vượt rào thế Coulomb vào vùng tác dụng của lực hạt nhân. Năng lượng nội tại của hạt nhân tăng lên gồm có động năng của hạt vào ( VE – V0 ) và năng
lượng liên kết với hạt vào (V0 – VB), được minh họa trên hình 1.5. Năng lượng kích thích này có thể được dùng để bức ra các hạt neutron, hạt mang điện hay photon.
Máy gia tốc hạt có thể được sử dụng để kích hoạt phóng xạ được miêu tả trong chương 3. Những máy gia tốc này có thể tạo ra các hạt proton, Deuteron và alpha. Những máy gia tốc mới hơn có thể tạo ra các ion 3He và các ion nặng hơn 4He, như
12C, 14N và 16O. Những hạt này với năng lượng cao cho ra nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau. Bởi vì rào thế giảm khi liên kết với proton và Deuteron, nên có thể bắn phá được với các máy gia tốc năng lượng thấp, hai hạt này được sử dụng rộng rãi trong phân tích kích hoạt. Phản ứng với hat hạt này đang được nghiên cứu sâu hơn.
Phản ứng proton: Hầu hết phản ứng xảy ra với proton năng lượng thấp gọi là
phản ứng (p,n); ví dụ:
45 45
Năng lượng nhỏ nhất mà proton có thể vượt qua rào thế để gây ra phản ứng hạt nhân gọi là năng lượng ngưỡng. Trong ví dụ trên
1 3 45 1 46 931.4 2.9 45 45 21 1 1.03 4.6 45 1 th c E Q M MeV V MeV + = = × ∆ = × × + ; ;
Những tính tốn này cho thấy phản ứng này có thể xảy ra với proton có năng lượng vừa lớn hơn 2.9 MeV nhưng xác suất tăng lên đáng kể khi proton có năng lượng lớn hơn 4.6 MeV. Tuy nhiên khi năng lượng proton tiếp tục tăng thì các phản ứng khác như (p,pn) hay (p,2n) có thể xảy ra với xác suất cao
Phản ứng Deuteron: năng lượng liên kết của Deuteron thấp làm cho nó hữu
dụng cho phản ứng biến đổi với nhiều lý do.
1. Deuteron có thể bị phân cực một phần trong hạt nhân bia, proton tách ra khỏi neutron đi về phía hạt nhân. Neutron có thể sau đó bị hấp thụ mà khơng cần phải bắt Deuteron. Phản ứng như vậy gọi là phản ứng “chiếm”. Neutron bị chiếm từ Deuteron. Toàn bộ các phản ứng được thể hiện như là phản ứng của hạt mang điện, ví dụ
55 56
25Mn d p( , )25Mn
Phản ứng này tương đương với phản ứng (n,γ) và có thể xảy ra với Deuteron có năng lượng thấp hơn năng lượng cần thiết để bắt Deuteron. Phản ứng được nhắc tới ở trên có rào thế là : 1 3 25 1 1.03 5.4 55 1 c V × MeV + ; ;
2. Hầu hết các phản ứng Deuteron liên quan tới sự phát ra của các hạt đơn lẻ, như là (d,n), (d,p), và (d,α) thì tỏa nhiệt; Vì vậy khơng có ngưỡng năng lượng cho các phản ứng như vậy.
Hai tính chất này có được do năng lượng liên kết bé của Deuteron.