- Hiểu được cấu tạo và những tính chất cơ bản của hạt nhân nguyên tử, thế nào là hiện tượng
4.2.Biến đổi hạt nhân Hiện tượng phóng xạ Quy luật phóng xạ Hoạt độ nguồn phóng xạ Chuỗi phóng xạ Tương tác hạt nhân
xạ. Chuỗi phóng xạ. Tương tác hạt nhân
4.2.1. Hiện tượng phóng xạ.
Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối Uran và những hợp chất của nó phát ra những tia gọi là tia phóng xạ gồm ba thành phần: Tia α là các hạt nhân 2He4, tia β là các e và tia γ là các bức xạ điện từ tương tự như tia X nhưng bước sóng ngắn hơn nhiều.
Các tia phóng xạ đều có những tính chất sau: Chúng có thể kích thích một số phản ứng hóa học hủy diệt tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thấu qua vật chất, tia γ có thể coi là không có khả năng ion hóa chất khí nhưng lại có khả năng xuyên thấu mạnh nhất.
Trong quá trình phóng xạ, hạt nhân ở trạng thái không bền vững chuyển sang trạng thái bền vững hơn nghĩa là trạng thái ứng với năng lượng thấp hơn. Thành thử các quá trình biến đổi phóng xạ chỉ có thể xảy ra nếu khối lượng tĩnh của hạt nhân xuất phát lớn hơn tổng khối lượng tĩnh của các sản vật sinh ra do biến đổi phóng xạ. Năng lượng tương ứng E = ∆Mc2
chuyển hóa thành động năng của các sản vật phân rã. Quá trình phóng xạ thực chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.
4.2.2. Định luật phân rã
Khi phóng xạ số hạt nhân chưa bị phân rã sẽ giảm theo thời gian. Giả sử ở thời điểm t số hạt nhân phóng xạ chưa phân rã là N, sau thời gian dt sẽ có dN hạt bị phân rã nên số hạt chưa bị phân rã còn lại là N – dN, độ giảm số hạt nhân – dN tỉ lệ với N và dt:−dN =λNdt.
Trong đó hệ số tỉ lệ λ tùy thuộc chất phóng xạ và gọi là hằng số phân rã. Theo định nghĩa λ là xác suất phân rã của từng hạt nhân trong một đơn vị thời gian do đó: dN
dt
N = −λ (4.10) Thực hiện phép tích phân ta được: N = N e .0 −λt (4.11) Trong đó N0 là số hạt nhân chưa bị phân rã ở thời điểm ban đầu, N là số hạt nhân chưa bị phân rã ở thời điểm t. Thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ được tính bằng biểu thức:
τ 1
λ
= (4.12)
Thay vào biểu thức (4.12) ta được: N0
N e
= , nghĩa là thời gian sống trung bình chính là khoảng thời gian để N0 giảm đi e lần.
Để phân biệt tốc độ phân rã nhanh chậm của các chất phóng xạ người ta đưa ra khái nhiệm chu kì phân rã. Đó là khoảng thời gian để N0 giảm đi một nửa:
ln 2 0,693 T
λ λ
Thường người ta viết phương trình (4.10) dưới dạng: dN
N
dt = −λ (4.14) Đại lượng H = λN được gọi là độ phóng xạ của nguồn phóng xạ. Nó xác định số phân rã phóng xạ trong một giây. Trong hệ SI thì đơn vị đo độ phóng xạ là phân rã trên giây hay Becquerel (Bq), ngoài ra người ta còn dùng đơn vị ngoài hệ là Curi (Ci). Một curi bằng số phân rã của 1g radi trong một giây (1Ci = 3,7.1010Bq).
4.2.3. Quy tắc di chuyển.
Các chất phóng xạ nói chung không phát ra đủ ba loại tia α, β, γ. Có hai loại phóng xạ α và β- đều kèm theo tia phóng xạ γ vì sau khi phân rã hạt nhân mẹ biến thành hạt nhân con hoặc ở trạng thái cơ bản hoặc ở trạng thái kích thích. Khi từ trạng thái kích thích chuyển sang trạng thái cơ bản hạt nhân còn có thể phát ra một hay vài phôtôn. Trong quá trình phân rã α hạt nhân mẹ biến thành một chất đứng trước nó hai ô trong bảng hệ thống tuần hoàn.
zXA Z 2 YA 4− α −
→ + (4.15)
Trong quá trình phân rã β- hạt nhân sẽ biến thành một chất đứng sau nó một ô trong bảng hệ thống tuần hoàn: zXA →Z 1+ YA+e− (4.16) Các quy tắc trên gọi là quy tắc di chuyển. Nhờ nó ta có thể mô tả được mọi quá trình biến đổi của các hạt nhân phóng xạ.
4.2.4. Chuỗi phóng xạ
Các hạt nhân nằm trong chuỗi quá trình phóng xạ liên tiếp lập thành một họ phóng xạ. Có bốn họ phóng xạ tự nhiên bắt đầu từ các nguyên tố U238, U235, Th232, Am241 và tận cùng bằng các nguyên tố bền lần lượt là Pb206, Pb207, Pb208, Bi209. Số khối của các đồng vị tham gia trong các chuỗi phóng xạ đó có thể được biểu thị bằng các số 4n + 2; 4n +3; 4n; 4n + 1.
Ta xét một quá trình biến đổi phóng xạ của các hạt nhân trong một chuỗi phóng xạ:
A→ →B C...
Độ phóng xạ toàn phần ở thời điểm t của nguồn gồm chuỗi 3 hạt nhân A, B, C phân rã nối tiếp nhau: H =λ1N1+λ2N2+λ3N .3 (4.17)
Trong đó λ λ λ1, ,2 3 lần lượt là hằng số phóng xạ của A, B, C; N ,N ,N1 2 3 lần lượt là số hạt nhân A, B, C tại thời điểm t.
4.2.5. Cân bằng phóng xạ
Nếu đồng vị mẹ có hằng số phân rã nhỏ hơn hằng số phân rã của đồng vị con và các chu kì bán rã của chúng xấp xỉ gần nhau thì các đồng vị đó thiết lập một trạng thái cân bằng phóng xạ động mô tả bằng biểu thức: 2 2 2 1 1 2 1 N . N λ λ λ = λ λ− (4.18)
Nghĩa là tỉ số các tốc độ phân rã của chúng là một đại lượng không đổi. Nếu đồng vị mẹ có chu kì bán rã rất lớn so với đồng vị con (T1>>T2) thì sau thời gian t>>T2 các đồng vị mẹ và con sẽ đạt tới trạng thái cân bằng phóng xạ bền. Lúc đó tốc độ phân rã của hạt nhân con cũng bằng tốc độ phân rã của hạt nhân mẹ.
λ1N1 =λ2N2 =λ3N3 =... (4.19) 4.2.5. Tương tác hạt nhân
Nhờ các máy gia tốc người ta có thể tạo ra được các viên đạn năng lượng lớn có thể xuyên sâu vào hạt nhân để gây ra các tương tác hạt nhân.
4.2.5.1. Các loại tương tác hạt nhân
Có 3 loại tương tác: Va chạm đàn hồi, va chạm không đàn hồi, phản ứng hạt nhân. Trong va chạm đàn hồi trạng thái nội tại của các hạt tương tác không thay đổi nhưng động năng và động lượng của các hạt thay đổi: A a+ → +a A. Trong va chạm không đàn hồi có sự thay đổi trạng thái nội tại của các hạt tương tác: a A+ → +a' A* .
Trong đó A* chỉ trạng thái kích thích, a’ chỉ hạt ở trạng thái khác.
Trong phản ứng hạt nhân thì có sự thay đổi bản chất các hạt tương tác: A a+ → +B b.
Phản ứng trên có thể viết dưới dạng kí hiệu: A a,b B( ) . Nghĩa là hạt a bắn vào hạt A sẽ làm phát ra hạt b và sinh ra hạt nhân con B.
4.2.5.2. Các định luật bảo toàn trong tương tác hạt nhân:
* Định luật bảo toàn năng lượng: i k
i k
W = W
∑ ∑
* Định luật bảo toàn động lượng: i k
i k
p = p
∑ r ∑r
* Định luật bảo toàn mô men động lượng: i k
i k
J = J
∑ r ∑ r* Định luật bảo toàn số nuclon: i k * Định luật bảo toàn số nuclon: i k
i k
A = A
∑ ∑
* Định luật bảo toàn điện tích: i k
i k
Z = Z
∑ ∑
Trong những quá trình sinh hủy hạt các tương tác hạt nhân còn tuân theo nhiều định luật bảo toàn khác nữa tùy theo tính chất phức tạp của quá trình.
4.2.5.3. Hệ thức năng lượng của phản ứng hạt nhân
Trong các phản ứng hạt nhân đều có hiện tượng tỏa hay thu nhiệt kèm theo. Nhiệt lượng trao đổi được tính theo công thức: 2 i k
i k
Q c= m − m .
÷
∑ ∑ (4.20)
Trong đó các tổng lấy theo chỉ số i, k lần lượt là các hạt trước và sau phản ứng. Nếu Q > 0 thì phản ứng tỏa nhiệt, còn nếu Q < 0 thì phản ứng thu nhiệt.
Trong phản ứng thu nhiệt ta phải cung cấp năng lượng cho hệ từ bên ngoài bằng cách truyền động năng cho các hạt tương tác. Năng lượng nhỏ nhất cần thiết để gây ra phản ứng thu nhiệt gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng, tính theo công thức: n A a
AM m M m E Q M + = (4.21)
Do đó ta thấy năng lượng ngưỡng bao giờ cũng lớn hơn giá trị tuyệt đối của nhiệt lượng Q. Đối với phản ứng tỏa nhiệt thì năng lượng ngưỡng bằng không, nghĩa là phản ứng có thể xảy ra dưới tác dụng của hạt tới có năng lượng nhỏ bao nhiêu cũng được.
Do tương tác với hạt tới a, hạt nhân bia A có thể bị kích thích hoặc bắt hạt a để trở thành hạt trung gian B sau đó phá ra bức xạ γ và vỡ ra thành các hạt nhân con… đó là các cơ cấu khác nhau của tương tác hạt nhân.