Các hát nhađn phĩng xá toăn tái trong tự nhieđn cùng với các hát nhađn beăn. Các hát nhađn phĩng xá hình thành bởi con người thođng qua phạn ứng hát nhađn gĩi là các hát nhađn phĩng xá nhađn táo. Trong phaăn này chúng ta khạo sát các hát nhađn phĩng xá được hình thành trong vỏ quạ đât keơ từ lúc Trái Đât được táo laơp, những hát nhađn phĩng xá nào cĩ thời gian bán rã nhỏ hơn nhieău so với tuoơi Trái Đât (cỡ 109 naím) chúng đã phĩng xá biên đoơi thành các hát nhađn beăn. Tuy nhieđn văn cịn 14 đoăn
eơ phát hieơn được.
Sau đađy là bạng lieơt keđ những đoăng vị phĩng xá đĩ Teđn đoăng vị
phĩng xá
Lối phĩng xá
Chu kỳ bán rã (Naím)
g vị phĩng xá cĩ thời gian bán rã lớn hơn tuoơi Trái Đât văn toăn tái dưới những hàm lượng cĩ th K40 β, EC 1, 2X109 V50 EC 4x1014 Rb87 β 6, 2x1010 In115 β 6x1014 La138 β, EC 1, 0x1011 Ce142 α 5x1015 sau phĩng xá, hát nhađn Nb144 α 3x1015 con beăn Sm147 α 1, 2x1011 Lu176 β 5x1010 Re187 β 4x1012 Pt192 α 1015 Th232 α 1, 39x1010 (10 thê heơ phĩng xá ) Hĩ: 4n U235 α 7, 07x109 (11 thê heơ phĩng xá ) Hĩ:4n+3 U238 α 4, 51x109 (14 thê heơ phĩng xá )Hĩ:4n+2
Tât cạ 11 đoăng vị phĩng xá đaău tieđn, sau khi phĩng xá hát nhađn con trở thành đoăng vị beăn. Ba đoăng vị phĩng xá cuơi cùng là những hát nhađn naịng. Sau khi phĩng xá, hát nhađn con văn là hát nhađn phĩng xá, chúng tiêp túc phĩng xá cho
đên hát nhađn con cuơi cùng là hát nhađn beăn. Ba hát nhađn phĩng xá đứng đaău ba chuoêi phĩng xá (gĩi la bán rã lớn so với các hát nhađn con cháu tro t thúc ở đoăng vị chì : Pb204, Pb207 và Pb206. Ta cĩ theơ tính tuoơi Trái đât baỉng các xác định khơi lượng ác hĩ phĩng xá và cụa đoăng vị beăn cụa chì tương ứng.
do đĩ, tât cạ các đoăng vị phĩng xá trong chuoơi thorium đeău chia đúng
cho 4. uoơi thorium đeău cĩ theơ viêt
là 4n, u êi
Actini
haăn cĩ sơ A baỉng 4n+1 khođng cĩ trong t át nhađn phĩng xá đứng đaău chuoêi là Np237 quá ngaĩn s Tuy nhieđn hát nhađn phĩng xá này cĩ theơ táo ra baỉng p
ø các ho phĩng xá )ï, chúng cĩ thời gian ng hĩ phĩng xá. Các hĩ phĩng xá kê tương đơi cụa các hát nhađn mé sơng lađu trong c
Trong quá trình phĩng xá cụa các hĩ phĩng xá nĩi tređn, các hát nhađn phĩng xá chụ yêu là phĩng xá α, β và γ. Ta biêt raỉng trong phĩng xá β, sơ khơi A khođng đoơi, chư cĩ nguyeđn tử sơ Z là thay đoơi. Phĩng xá γ thì cạ sơ A lăn sơ Z khođng đoơi. Chư cĩ phĩng xá α làm thay đoơi cạ A laơn Z. Cứ moêi laăn phĩng xá α hát nhađn phĩng xá cĩ sơ A giạm bơn đơn vị.
Hát nhađn phĩng xá đaău tieđn trong chuoêi Thorium cĩ sơ khơi A =232 chia đúng cho 4
Vaơy trị sơ A cụa bât cứ moơt đoăng vị nào trong ch
với n là sơ nguyeđn. Chuoêi Uran baĩt đaău baỉng U238 cĩ theơ ghi 4n+2. Ch o um baĩt đaău baỉng U235 cĩ theơ ghi 4n+3.
Cịn moơt chuoêi phĩng xá thứ tư mà các thành p ự nhieđn, do thời gian bán rã cụa h
o với tuoơi Trái đât (2, 25x106 naím). hạn ứng hát nhađn U236(n, β )Np237.
Sau đađy ta xét moơt hĩ phĩng xá tieđu bieơu:
Các tia vũ trú khi đi vào khí quyeơn Trái Đât cũng táo neđn các hát nhađn phĩng xá thođng qua các phạn ứng hát nhađn. Moơt phạn ứng tieđu bieơu là phạn ứng cụa neutron với hát nhađn Nitơ:
C14 là hát nhađn phĩng xá β với thời gian bán rã 5760 naím. C14 ---> N14 + β
Moơt phaăn nhỏ trong khođng khí cĩ những phađn tử CO2 chứa các đoăng vị phĩng xá C14 cùng với nguyeđn tử beăn C12. Thực vaơt trao đoơi khí CO2, khi chêt đi, ău từ lúc này, tư sơ các nguyeđn tử C14 so với 14. Như vaơy ta cĩ moơt phương pháp
rât hư goê, baỉng các xác định tỷ sơ
tương 14 12
táo ra lieđn túc các đoăng vị phĩng
1
1H3 ---> 2He3 + β nguyeđn tử C14 khođng taíng leđn mà baĩt đa
C12 sẽ giạm daăn vì sự phĩng xá cụa hát nhađn C nháy đeơ xác định tuoơi cụa các coơ vaơt hữu cơ n
đơi cụa C và C baỉng cách đo cường đoơ phĩng xá cụa carbon. Phương pháp này do W. F. LIBBY đeă xuât laăn đaău tieđn naím 1952 cịn gĩi là phương pháp xác định tuoơi baỉng carbon phĩng xá.
Moơt phạn ứng hát nhađn thứ hai cụa tia vũ trú xá tự nhieđn là :
7N14 + 0n1 ---> 6C 2 + 1H3
Trong đĩ Tritium 1H3 là moơt đoăng vị cụa hydro. Tritium phĩng xá thành Helium 2He3 với thời gian bán rã 12, 4 naím.
CHƯƠNG III
PHẠN ỨNG HÁT NHAĐN
I PHAĐN LỐI PHẠN ỨNG HÁT NHAĐN
Hai hát nhađn hoaịc hát nhađn và nuclon đi lá gaăn nhau đên khoạng cách cụa taăm lực hát nhađn thì tương tác với nhau hêt sức mánh mẽ, tương tác hát nhađn dăn đe
i
ĩ là quá trình phạn ứng hát nhađn, phạn ứng hát nha ượng và xung lượng giữa hai hát đoăng thời phát ra
ta hađn lối phạn ứng hát nhađn goăm:
ùi tác dúng cụa hát tích đieơn như p, e, α, D, T,. n ứng hát nhađn dưới tác dúng cụa lượng tử gamma.
Nêu dựa vào hê phạn ứng người ta phađn lối:
ơt hát nhađn hay phạn ứng toơng hợp, phạn ứng táo thành các nguyeđn tơ hađn bia đứng yeđn A. Sạn phaơm cụa
ït naịng B.
+b
gĩi là tán xá khođng đàn hoăi, há g ở tráng thái kích thích. Keđnh (A+a) là quá trình trong đĩ tráng thái beđn trong c
áng thái beđn
trong vân đeă cụa
ân biên đoơi hát nhađn. Quá trình đ đn dăn đên phađn phơi lái naíng l các hát mới.
Nêu dựa vào hát bay đên, thường là hát nhé người p - Phạn ứng hát nhađn dưới tác dúng cụa neutron - Phạn ứng hát nhađn dươ
- Phạ
cơ c
- Phạn ứng hát nhađn trực tiêp - Phạn ứng hát nhađn hợp phaăn.
Các phạn ứng hát nhađn đaịc bieơt như: phạn ứng phađn hách hát nhađn naịng, phạn ứng nhie
mới. . .
Thường hát bay tới là hát nhe ï a, hát n phạn ứng cũng bao goăm moơt hát nhé b a v ø moơt ha
a + A ---> b+B
Đođi lúc người ta ký hieơu: A(a, b)B, nêu chư quan tađm đên hát bay tới và hát bay ra sau phạn ứng người ta chư ghi (a, b). ; a và b cĩ theơ là những hát p, n, α, γ, D,. . . . Quá trình pha ứng cĩ theơ xaơy ra theo nhieău keđnh cánh tranh nhau phú ûn thuoơc naíng lượng cụa hát bay tới.
a+A ---> B
a ---> A+ ---> A* +a
Keđnh (A*+a) t nhađn sau phạn ứn
tán xá đàn hoăi
ụa hát nhađn khođng thay đoơi.
Khi nghieđn cứu các phạn ứng hát nhađn ta caăn xác định các keđnh cụa phạn ứng, xác suât tương đơi cụa các keđnh khác nhau tuỳ theo naíng lượng và các hát tham gia phạn ứng, naíng lượng và phađn bơ gĩc cụa các hát bay ra, tr
phạn ư ác định luaơt bạo tồn, kêt
quạ la hât ø
thođi. C n, naíng
lượng,
TOAØN
ùng hát nhađn cĩ theơ được xác định nhờ áp dúng c
ø phạn ứng hát nhađn chư cĩ theơ xaơy ra theo những keđnh n định nào đĩ ma ác định luaơt bạo tồn quan trĩng trong phạn ứng hát nhađn là: nuclo
xung lượng, chẵn lẽ, spin đoăng vị.
II CÁC ĐỊNH LUAƠT BẠO
1. Định luaơt bạo tồn đieơn tích và sơ nuclon
Nhieău nghieđn cứu thực nghieơm chứng tỏ raỉng: Toơng đái sơ đieơn tích cụa các hát tham gia phạn ứng baỉng toơng đái sơ đieơn tích các sạn phaơm cụa phạn ứng.
Ngồi thì sơ nuclon
tồn p
í
ra trong các phạn ứng thođng thường (khođng sinh phạn hát)
haăn được bạo tồn.
2. Định luaơt bạo tồn nang lượng và xung luợng
Hát nhađn cĩ kích thước rât nhỏ (cỡ 10 -12 cm), lieđn kêt hố hĩc giữa các nguyeđn tử lái rât nhỏ, vì vaơy heơ hai hát nhađn tương tác với nhau cĩ theơ xem là moơt heơ cođ laơp, do đĩ: Toơng naíng lượng cũng như xung lượng cụa các hát trong heơ được bạo tồn.
a. Naíng lượng phạn ứng
ét phạn ứng a +A ---> B+b định luaơt bạo tồn naíng lượng viêt:
(ma + mA) c2 + Ta+TA = (mb + mB) c2 + Tb+ TB (3.2.1) Trong đĩ Ti : là đoơng naíng cụa hát i.
E =(m + m )c2 ; E =(m + m )c2
X
Đaịt 01 a A 02 b B gĩi là naíng lượng nghư,
T1 = Ta+TA ; T2 = Tb+ TB là đoơng naíng trứớc và sau phạn ứng. Thường hát nhađn ia A đứng y đn, T = T . b e 1 a
Nĩi chung E 01≠ E , ký hieơu E - E được go02 01 02 ïi là naíng lượng cụa phạn ứng. Ký hieơu là Q: Q = E01 - E02 = T2 - T1 (3.2.2)
* Nêu Q > 0: Thì phan ứng xả ûy r
phạn ứng tỏa na
a kèm theo sự tỏa đoơng naíng nhờ naíng lượng nghư giạm đi, gĩi là íng. Phạn ứng tỏa naíng cĩ theơ xạy ra với bât kỳ naíng lượng nào cụa hát tới (nêu naíng lượng này đụ đeơ vượt qua rào thê Coulomb cụa hát nhađn nêu hát tới tích đieơn).
*. Nêu Q < 0: Thì phạn ứng xạy ra kèm theo sự taíng naíng lượng nghư nhờ vieơc giạm đoơng naíng, gĩi là phạn ứng thu naíng. Phạn ứng thu naíng chư xạy ra khi naíng lượng hát tới đụ cao: Vì từ Q = T2 - T1 suy ra T1 = T2 + ⏐Q⏐.
*. Nêu Q = 0: Ứng với trường hợp tán xá đàn hoăi, lúc đĩ T = T , E = E , định lu
ûa từng hát tham gia phạn ứng. (Nghĩa là cạ khơi
lượng ứng tỏa naíng
2 1 01 02
aơt bạo tồn khođng những đúng với naíng lượng tồn phaăn mà đúng cạ với naíng lượng nghư và đoơng naíng cu
d + d →2He3 + n, Q = 3. 25MeV. d + T →2He4 + n, Q = 17. 6 MeV.
Naíng lượng toơng hợp hát nhađn nhé này ~ 106 laăn lớn hơn naíng lượng hĩa
)8O7 đeău cĩ Q <
b) Sơ đ ươ
hĩc và chính là naíng lượng trong phạn ứng nhieơt hát nhađn. Phạn ứng phađn hách hát nhađn uran ( U235 ) cũng thuoơc lối tỏa naíng và cho naíng lượng cỡ 200 MeV ở dáng chụ yêu là đoơng naíng cụa các mạnh.
Các phạn ứng Li7(p, n)4Be7, 4Be9(γ, n)22He4, 16S32(n, p), 7N14(α, p 0,
Q ~ - (1 + 2 ) MeV.
oă naíng l ïng cụa phạn ứng hát nhađn
Từ a + A → B + b, định luaơt bạo tồn xung lượng:
Pa + PA = Pb + PB, (3.2.3)
thường thường PA = 0, Pa = Pb + PB. Theo giạ thiêt cụa N. Bohr cĩ theơ xem phạn
ứng xạy ra theo hai giai đốn. Giai đốn 1:
hơi -16 s.
a + A → 0
Hát nhađn 0 cĩ các tham sơ hát nhađn hồn tồn xác định (đieơn tích, k lượng, heơ thơng các mức naíng lượng, Spin. . . ) cĩ thời gian sơng khá lađu cỡ >10 Giai đốn 2:
hát nhađn 0 → b + B Chúng
Định luaơt bạo tồn naíng lượng: ( ma + mA)c2 + Ta = m0*c2 + T0 (3.2.4) rong đĩ P0, m0*c2, T0 laăn lượt là đoơng lượng, naíng lượng nghư, đoơng naíng cụa hát
ođng tương đơi nghĩa là Ta 10MeV
m0*c2 + T0 Suy ra
a .2.5)
ta hãy xét giai đốn đaău : a + A → 0 Định luaơt bạo tồn xung lượng: Pa = P0
t
nhađn hợp phaăn 0 ở tráng thái kích thích. Ta hãy tính m0*c2 (trong trường hợp kh
~ ) ( ma + mA)c2 + Ta = m0*c2 = ( m + mA)c2 + Ta - T0 (3 - Ta tính T0: * ( 0 a) 0 2 a * 0 2 0 0 ,P P M 2 P m 2 P T = = r = r (3.2.6) - Từ bieơu thức (3. 2. 5) ⇒ M c (m M c) T M a A a 0 0 1 * ( ) = + + − ma . ( 2 2 * 3.2.7) ỏ thua sơ háng: (m vì v
Ta thây raỉng Ta (1 - ma/M0* ) < Ta ≤ 10 MeV sơ lượng này rât nh
a + MA)c2 ~ 931A(MeV) (A là sơ khơi lượng toơng coơng cụa hai hát A+a), aơy ở gaăn đúng baơc moơt cĩ theơ coi : M*c2
Do đĩ bieơu thức gaăn đúng baơc hai cụa M*c2 cĩ theơ viêt thành : M0*c2 = (mA + ma)c2 + Ta(1 - ma/mA+ma) = (mA + ma)c2 + Ta(mA/ mA+ma) (3.2.8) T0 = (ma/m0* )Ta cĩ theơ viêt :T0 = (ma/ mA+ma)Ta (3.2.9) hích (M0*) ta cĩ theơ xác định naíng l 0 0 A a 0 A A a a
g lượng kích thích cụa hát nhađn hợp phaăn W = εa(o) +T’1
= 0 ( nghĩa là Ta=0) ; cịn nêu Ta ≠0 thì Ta chia làm hai phaăn:
Phaăn T’ (mA/ma+ mA)Ta dùng đeơ kích thích hát nhađn hợp phaăn.
ăn T0 = (ma/ma+ A) Ta dùng cho chuyeơn đoơng cụa hát nhađn hợp phaăn: T’1+ T =Ta Chúng t eơu dieên quá trình táo neđn hát nhađn hợp phaăn kích thích theo s trình phađn rã ra hai hát B và b trong hai trường hợp Q >0 và Q < 0.
đoơng naíng tương đơi cụa b và B trong heơ k aíng
Q = T’ ’ hu naíng Q = T’ ’
) và a ma
ta c a m
Biêt khơi lượng cụa hát nhađn hợp phaăn kích t ượng kích thích cụa nĩ:
W = M *c2 - M c2 = (m +m - M )c2 + (m /m +m )T (3.2.10)
Trong bieơu thức (3.2.10), sơ háng thứ nhât là naíng lượng lieđn kêt cụa hát nhađn a đơi với hát nhađn O ký hieơu εa(o) ; sơ háng thứ hai là đoơng naíng cụa các hát nhađn A và a trong heơ khơi tađm ký hieơu T’
1 cịn gĩi là đoơng naíng tương đơi. Naín
Nêu W ≠ 0 ngay cạ khi T ‘ 1 1 =
Pha m
0
ơ đoă naíng lượng và quáa hãy bi
Mo*
T’
2 là hơi tađm. Phạn ứng toạ n
2- T1 = εa -εb. Trường hợp phạn ứng t 2- T1 <0 do đĩ: T’1 = ⎪Q⎪ + T’2 nghĩa là T’1≥⎪Q⎪ (3.2.11
Dâu baỉng ứng với giá trị nhỏ nhât cụa đoơng naíng tương đơi cụa các hát A ø phạn ứng cĩ theơ xaơy ra được.
(T’
1)min = ⎪Q⎪
ĩ T’
1 = (mA/ mA+ma) Ta, suy ra đieău kieơn naíng lượng nhỏ nhât cụa hát bay tới à phạn ứng cĩ theơ xaơy ra gĩi là ngưỡng cụa phạn ứng.
[(mA/mA+ma)Ta]min = ⎪Q⎪ ==>( )T m m
m Q
a A a
A
min = + (3.2.12) nghĩa là (Ta)min = ⎪Q⎪+ (ma/mA)⎪Q⎪ = ⎪Q⎪ + (ma/mA+ma) Ta, min (3.2.13) hợp phaăn. Ta hãy xét vài thí dú:
Ta, min= ⎪Q⎪ + (T0)min
Ta thây Ta, min lớn hơn ⎪Q⎪ moơt lượng chính baỉng đoơng naíng cụa hát nhađn
εa( T’ 1 (ma+mA Mo*c2 T’ 2 T’ 2 Q> (ma+mA)c2 Q< εb( εb(O) Moc2 Moc2
. Xét phạn ứng hát nhađn
32 32
16S + n ---> 15P + p Q = - 0, 92 MeV (3.2.14) Đoơng naíng nhỏ nhât cụa neutron đeơ xaơy ra phạn ứng :
(Tn)min = ⎪Q⎪(mA+ma/mA) = 0, 92(32+1 /32) ≈ 0, 95 MeV
lúc này ở giá trị ngưỡng cụa phạn ứng thì T’1 = Q cịn T’2= 0 (nghĩa là các sạn phaơm ûa ph n ứng đứng ye hơi tađm) và chuyeơn đoơng trong heơ phịng thí nghieơm với cùng vaơn tơc (là vaơn tơc cụa heơ khơi tađm
trong h ûa hát nhađn hợp phaăn:
To=[ma/(Ma+ma)]. Ta
3).0,95=0,03MeV được phađn chia đeă theo khơi lượng cụa chúng nghĩa là:
. Xét hai phạn ứng toơng hợp hát nhađn nhé toạ naíng
cu ạ đn trong heơ tađm quán tính - heơ k eơ phịng thí nghieơm). Như vaơy đoơng naíng cu
To=(1/3 u cho các hát nhađn sạn phaơm
Tp/T P32=1/32 nghĩa là Tp=(1/33). To≈1KeV
Chú ý raỉng đoơng naíng cụa proton táo thành nhỏ nhât là 1 KeV, nghĩa là luođn luođn khác khođng (trong heơ phịng thí nghieơm) và khođng bao giờ nhỏ hơn 1 KeV.
2 +
1 1 2
utron nhanh rât đơn naíng. Chúng
ta xét 0 so với
phươn
Định luaơt bạo tồn đoơng lượng : Pa = Pb + PB (hát A ban đaău đứng yeđn).
Tb + TB = T2 ; Q = T *)
2
(a) 1H 1H2 ---> 2He3 + n Q = 3, 25MeV (3.2.16) (b) H2 + H3---> He4 + n Q = 17, 6 MeV (3.2.17)
Các phạn ứng này cho ta thu được các ne
trường hợp c bieơt, khi hát b (là neutronđaị ) bay ra dưới moơt gĩc 90 g cụa hát tác dúng a (Deuteron). Ta = T1 ; 2 -T1 ; Ta +Q = T2 = Tb + TB ( Pa2 + Pb2 = PB P 2 + P 2 = P 2 a b B Từ cođng thức P2 = 2mT ta cĩ : (ma/mB)Ta + (mb/mB) Tb = TB (**) Từ (*) và (**) ta cĩ: Pa PB Pb T m m m Q m m m m T b B b B B a b B a = + + − + (3.2.18)
Với giá trị đoơng naíng cỡ Ta ≈ 0, 2 MeV, phạn ứng xaơy ra rât mánh. Trong trường hợp này đoơng naíng cụa neutron bay ra dưới moơt gĩc 900 so với chùm deuteron tới là:
Tn = (3/4). 3, 25 + (1/4). 0, 2 ≈ 2, 5 MeV ( với phạn ứng a ) T = (4/5). 17, 6 + (2/5). 0, 2 ≈ 14 MeV ( với phạn ứng b )
Muơn cĩ neutron đơn naíng ta phại táo được cođlimatơ sao cho chùm neutron theo hướng vuođng gĩc với chùm hát đơteri tới và phại táo được chùm