LỜI NÓI ĐẦU  Đất nước ta ngày phát triển, tiến đến hội nhập, sánh vai nhiều quốc gia giới Song song với trình phát triển nhanh chóng, không nước ta mà nhân loại nói chung đối diện với biến đổi khí hậu ghê gớm, môi trường sống bị đe dọa nghiêm trọng Trước tình hình này, ngành giáo dục có nhiệm vụ đào tạo hệ người có tri thức, có đầy đủ lực, kỹ để đáp ứng nhu cầu xã hội Điều đòi hỏi giáo dục cần phải đổi hướng, hợp lý Người giáo viên có vai trò quan trọng việc tham gia vào trình đào tạo người trình đổi giáo dục Để làm tốt nhiệm vụ mình, vấn đề cốt lõi giáo viên phải có lực chuyên môn vững vàng, đặc biệt nắm vững, hiểu sâu sắc kiến thức môn học mà giảng dạy Để hoàn thành tiểu luận, chọn phương pháp nghiên cứu đọc tài liệu vật lí đại cương, sách giáo khoa, sách giáo viên vật lí 12 trung học phổ thông, tìm kiếm, lựa chọn tài liệu Internet, giảng lớp PGS.TS Lê Công Triêm, tiểu luận học viên khoá trước… Do điều kiện thời gian khả nghiên cứu thân nên vấn đề trình bày tiểu luận nhiều hạn chế Nhưng với nỗ lực mình, hy vọng viết góp phần giải nhiều vấn đề đặt việc nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông nói chung Rất mong nhận đóng góp chân thành thầy bạn Phần HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ MỞ ĐẦU “140.000 người dân Hiroshima chết vụ nổ hậu Số người thiệt mạng Nagasaki 74.000 Ở hai thành phố, phần lớn người chết thường dân Ước tính 90% nhà cửa Hiroshima bị hủy diệt hư hại…” Đó số ước tính hậu việc Mỹ ném bom nguyên tử xuống hai thành phố Nhật Bản chiến thứ hai, Hiroshima (06/8/1945) Nagasaki (09/8/1945) Nếu người lợi dụng lượng hạt nhân cho mục đích chiến tranh hậu khôn lường Tuy nhiên, nay, nhu cầu sống người ngày tăng cao nguồn lượng tự nhiên cạn kiệt dần không đủ khả đáp ứng cho phát triển xã hội, lượng hạt nhân lại lựa chọn chủ đạo cho nguồn lượng tương lai Năng lượng hạt nhân nói riêng lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân nguyên tử nói chung có tầm quan trọng to lớn đời sống đại Ở nước ta, phần hạt nhân nguyên tử đưa vào cuối chương trình vật lý phổ thông Bản thân giáo viên vật lý, muốn tìm hiểu sâu sắc kiến thức giảng dạy lớp nên việc tìm hiểu phần hạt nhân nguyên tử vừa nhu cầu vừa nhiệm vụ giáo viên vật lý Nhiệm vụ phần Hạt nhân nguyên tử Phần hạt nhân nguyên tử phận vật hạt nhân nguyên tử, nghiên cứu về: - Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, - Các trình biến đổi hạt nhân, - Các xạ phát trình biến đổi hạt nhân - Ứng dụng trình biến đổi hạt nhân Sơ lược cấu trúc phần Hạt nhân nguyên tử SGK hành Trong thời gian tới, Bộ GD ĐT đổi chương trình SGK phổ thông, thiết nghĩ, kiến thức phần môn vật lý không thay đổi nhiều Tuy nhiên, kiến thức hạt nhân nguyên tử rộng nhiều so với kiến thức trình bày chương trình vật lý phổ thông Vậy nên xin nêu lại cấu trúc phần Hạt nhân nguyên tử trình bày SGK hành để tiện theo dõi nội dung nghiên cứu phần này: Cấu tạo hạt nhân nguyên tử Độ hụt khối - Cấu tạo hạt nhân Nuclon - Đồng vị - Đơn vị khối lượng nguyên tử - Năng lượng liên kết Phóng xạ - Hiện tượng phóng xạ - Các tia phóng xạ - Định luật phóng xạ Độ phóng xạ - Đồng vị phóng xạ ứng dụng Phản ứng hạt nhân - Phản ứng hạt nhân - Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân - Năng lượng phản ứng hạt nhân - Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa lượng Bài tập phóng xạ phản ứng hạt nhân Phản ứng phân hạch - Sự phân hạch - Phản ứng phân hạch dây chuyền - Lò phản ứng hạt nhân - Nhà máy điện hạt nhân Phản ứng nhiệt hạch - Phản ứngHẠT nhiệtNHÂN hạch NGUYÊN TỬ - Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ - Thực phản ứng nhiệt hạch Trái đất Cấu trúc phần Hạt nhân nguyên tử Sơ lược lịchtrúc sử hạt nhân Cấu Tổngsố quan kháivề niệm Phản hạt nhânsố loại phản ứng hạtCác Tìm hiểuứng cụ thể nhân ứng dụng Phóng xạ Phản ứng nhiệt hạch Phản ứng phân hạch PHÂN TÍCH NỘI DUNG Sơ lược lịch sử Năm 1909 – 1911, nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford (1871-1937, đạt giải Nobel năm 1908) dùng hạt α bắn phá nguyên tử phát cấu trúc nguyên tử gồm hạt nhân electrôn xung quanh Năm 1920, ông nêu lên hạt nhân hiđrô hạt nhân nhỏ nhất, hạt nhân chất khác hạt nhân hiđrô liên kết với tạo thành Ông gọi tên hạt nhân hiđrô prôtôn (tiếng Hy Lạp có nghĩa ban đầu, nguồn gốc) Từ cuối kỷ XIX, người ta biết tia phóng xạ α β chùm hạt nhân Hêli chùm electrôn phóng từ hạt nhân nguyên tử phóng xạ Các hạt nhân hêli có khối lượng gấp lần hiđrô điện tích gấp đôi hiđrô Năm 1930 – 1932, số nhà vật lý phát xạ có khả xuyên thấu mạnh chưa xác định chất Nhà vật lý người Anh James Chadwick (1891 – 1974, giải Nobel vật lý năm 1935) chứng minh xạ chùm nơtrôn, hạt không mang điện kết hợp prôtôn êlectrôn giả thiết Rutherford năm 1922 Về sau prôtôn nơtrôn xem hai trạng thái đồng vị hạt nuclôn (theo tiếng La-tinh, nucleus nghĩa hạt nhân) Năm 1934, hai vợ chồng Irène Joliot-Curi (1897-1956) Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) dùng hạt α bắn phá hạt nhân nhôm Al27 không phóng xạ thành hạt nhân photpho phóng xạ P30 Hạt nhân sẵn tự nhiên thời gian sống có 2,5 phút Nó gọi hạt nhân phóng xạ nhân tạo Tiếp tục băn phá số hạt nhân khác, họ tạo thêm số hạt nhân phóng xạ nhân tạo khác Sự phóng xạ nhân tạo phát minh quan trọng vật lý hạt nhân trước chiến thứ hai Sau nơtrôn phát minh, nhà vật lý dùng làm viên đạn để bắn phá hạt nhân không chịu lực đẩy tĩnh điện hạt α Cũng vào năm 1934, nhà vật lý ltalia Enrico Fermi (1901–1954, giải Nobel vật lý năm 1938) định thử dùng nơtrôn để lặp lại thí nghiệm vợ chồng Joliot-Curie Cùng với học trò mình, ông dùng nơtrôn bắn phá cách hệ thống hạt nhân hết nguyên tố đến nguyên tố khác Đến nguyên tố thứ bảng tuần hoàn Mendeleev, ông lại phát phóng xạ nhân tạo Khi tiếp tục làm thí nghiệm, ông tình cờ đạt phát minh quan trọng: độ phóng xạ bia tăng lên gấp trăm lần bắn phá nơtrôn bị làm chậm lớp nước parafin Fermi không giải thích sao, từ ông tiếp tục bắn phá hạt nhân hạt nơtrôn chậm, có lượng 100keV Khi bắn phá tới hạt nhân urani, hạt nhân nặng đứng cuối bảng tuần hoàn Mendeleev lúc giờ, ông phát điều kỳ lạ: hạt nhân tạo thành sau phản ứng hạt nhân biết lân cận với urani bảng tuần hoàn Mendeleev trường hợp trước Ông cho hạt nhân chưa biết, đứng sau urani có số thứ tự 92 bảng tuần hoàn Mendeleev, gọi chúng hạt siêu urani có số thứ tự từ 93 trở lên Phát minh Fermi khiến nhiều nhà vật lý quan tâm, họ với Fermi tiếp tục thí nghiệm nhằm phát nguyên tố siêu urani không khẳng định nguyên tố Cũng vào năm 1934, phân tích mẫu nguyên tố siêu urani, nhà hóa học nữ người Đức Ida Noddack (1896 –1978) đoán rằng: bắn phá hạt nhân nặng nơtrôn hạt nhân khảo sát bị vỡ thành nhiều mảnh, chúng phải đồng vị nguyên tố biết nguyên tố lân cận nguyên tố bị bắn phá Tuy nhiên, đoán tài tình bà không ý Năm 1938, Irène Joliot-Curi người đồng nghiệp xứ Nam Tư, Pavel Savitch, phân tích sản phẩm bắn phá hạt nhân urani công bố có nguyên tố giống lantan (số thứ tự 57) Về sau, Otto Hahn (1879 –1968, giải Nobel hóa học năm 1944) miệt mài nghiên cứu vấn đề cho kết nguyên tố mà Irène Joliot-Curi Savitch cho giống lantan bari (số thứ tự 56) Sau đó, nhà vật lý người Áo Lise Meitner (1878-1968) nhà vật lý người Do Thái quốc tịch Áo Otto Robert Frisch (1904-1979) nghiên cứu giải thích kết Han: “Sự phá vỡ hạt nhân urani thành hai mảnh gần phải diễn cách hoàn toàn xác định Cảng tượng này: Hạt nhân urani biến dạng,bị kéo dài ra, hình thành chỗ thắt, cuối bị phân thành hai nửa Sự giống đáng ngạc nhiên cảnh tượng với trình phân bào nhờ vi khuẩn sinh sản lý để gọi tượng báo phân hạch” Tháng năm 1939, nhà vật lý lý thuyết người Nga Yakov Ilyich Frenkel (18941952) giải thích phân hạch mô hình giọt chất lỏng hạt nhân Tháng năm 1940, nhà vật lý học người Đan Mạch Niels Henrik David Bohr (1885-1962, giải Nobel Vật lý năm 1922)và nhà vật lý lý thuyết người Mỹ John Archibald Wheeler (1911-2008) sử dụng mô hình giọt chất lỏng chứng minh hạt nhân nặng bị phân hạch, giải phóng nơtrôn, có khả tạo phản ứng dây chuyền khối urani Như sở khoa học việc giải phóng sử dụng lượng hạt nhân xây dựng Tháng 9/1945, Adolf Hitler phát động chiến thứ hai Nhiều nhà khoa học châu Âu phải tới làm việc Mỹ Khi nghe tin Hitler tích cực chế tạo bom nguyên tử, họ lo lắng cho số phận nhân loại nên thuyết phục nhà cầm quyền Mỹ nhanh chóng tổ chức chế tạo bom nguyên tử trước Hitler để tiêu diệt chủ nghĩa phát xít Mỹ thành lập tổ chức đặc biệt làm việc lãnh đạo nhà vật lý lý thuyết người Mỹ J Robert Oppenheimer (1904-1967) để nghiên cứu chế tạo bom nguyên tử điều kiện bí mật hoàn toàn (Dự án Manhattan) Tháng 7/1945, Oppenheimer cho nổ thử bom nguyên tử vùng hoang mạc Mỹ Tháng 8/1945, Mỹ ném hai bom nguyên tử xuống Hiroshima Nagasaki Nhật trước tình hình phát xít Đức đầu hàng, đầu hàng phát xít Nhật vấn đề thời gian Năng lượng nguyên tử sử dụng cho mục đích hủy diệt Hàng chục vạn người bị chết, bị thương chịu ảnh hưởng phóng xạ ngày Sau chiến, Mỹ tiếp tục nghiên cứu việc chế tạo bom kinh khí (bom nhiệt hạch) có sức hủy diệt gấp bội so với bom nguyên tử Liên-xô nghiên cứu chế tạo bom nguyên tử để phòng thủ đất nước Năm 1949, Liên-xô thử thành công bom nguyên tử Năm 1952, Mỹ tiến hành vụ nổ nhiệt hạch với chế cồng kềnh, chưa phải bom Năm 1953, Liên-xô thử thành công bom nhiệt hạch năm 1954, Mỹ cho nổ thành công bom nhiệt hạch mình… Cuộc chạy đua vũ trang hai cường quốc nhiều quốc gia khác tiếp tục diễn Ngay từ đầu Liên-xô đề nghị kiểm soát quốc tế cấm vũ khí hạt nhân, đồng thời hợp tác nghiên cứu sử dụng lượng hạt nhân vào mục đích hòa bình Năm 1954, Liên-xô cho vận hành nhà máy điện nguyên tử hạt nhân nhân loại Năm 1959, Liên-xô hạ thủy thuyền phá băng chạy lượng nguyên tử Việc sử dụng lượng nguyên tử vào mục đích hòa bình nhiều nước thực hiện, nhà máy điện nguyên tử xây dựng nhiều nước giới Tuy nhiên vận động hủy bỏ kho vũ khí hạt nhân chưa đạt kết cụ thể Cấu trúc hạt nhân 2.1 Cấu tạo hạt nhân Hạt nhân nguyên tử cấu tạo prôtôn nơtrôn, gọi chung nuclôn (nucleus) Đặc tính Prôtôn (proton, ký hiệu: p) Nơtrôn (neutron, ký hiệu: n) Khối lượng 1,672 623 1.10-27 kg 1, 674 928 6.10-27 kg Điện tích +1,602 177 33 ± 0,000 004 65.10-19 C Thời gian sống ≥1031 năm (889 ± 2.1) s Spin ½ ½ Momen từ (+2.792 847 39±0.000 000 06) µk (-1.913 042 7±0.000 000 5) µk Hạt nhân Carbon Helium Hình 2.1 Mô hình nguyên tử Hêli Cacbon 2.2 Số khối A điện tích Z hạt nhân nguyên tử 2.2.1 Số khối A điện tích Z hạt nhân nguyên tử Mỗi hạt nhân đặc trưng số khối A số điện tích Z Ký hiệu hạt nhân: A Z X Trong đó: Số khối A: số nuclôn hạt nhân Số điện tích Z: số proton có hạt nhân Như điện tích hạt nhân Ze Ngoài ra, Z số thứ tự nguyên tố bảng tuần hoàn Medeléev Nó nói lên tính chất hóa học nguyên tố Z số electron lớp vỏ nguyên tử hạt nhân N = A - Z: số notron có hạt nhân 2.2.2 Đồng vị Các nguyên tố có Z khác A hợp thành đồng vị Ví dụ: 233 92 238 U , 235 92 U , 92 U đồng vị Urani N n = N1k n −1 Khi k =1: hệ tới hạn, phản ứng dừng (chế độ làm việc lò phản ứng) Khi k >1: hệ tới hạn, cường độ phản ứng tăng (chế độ đốt lò phản ứng) Khi k Rth k > 1, phản ứng dây chuyền cường độ tăng Cấu tạo bom nguyên tử dựa sở Kích thước hệ phải lớn quãng đường trung bình nơtrôn môi trường từ chỗ sinh chỗ bị hấp thụ Đối với lò phản ứng, kích thước tới hạn phụ thuộc vào cấu trúc nó, vào dạng nhiên liệu hạt nhân vào loại chất làm chậm (thường graphit nước nặng) 4.2.7.4 Điều khiển phản ứng dây chuyền Giả sử hệ chế độ tới hạn k = 1, có phản ứng dây chuyền dừng nơtrôn trình phân chia nơtrôn tức thời Đối với lò phản ứng nơtrôn nhiệt, thời gian sống hệ nơtrôn khoảng 10-3s Khi hệ số tái sinh k = 1,005 sau 1s số nơtrôn tăng lên 150 lần Sự tăng nơtrôn (ở giả thiết có nơtrôn tức thời) nhanh không chế điều khiển phản ứng dây chuyền (mặc dù hệ số tái sinh lớn có phần nghìn) Sự thực không hoàn toàn điều khiển trình dây chuyền Bởi nơtrôn sinh dây chuyền phản ứng không hoàn toàn nơtrôn tức thời, số có nơtrôn trễ tỷ lệ chúng nhỏ (β ≈ 0,0075) Khi đó, nơtrôn tức thời, hệ số tái sinh (1- β)k Vậy, ví dụ trên, k 1,005 mà 0,9975 (đối với nơtrôn tức thời) Kể nơtrôn trễ, thời gian T để số nơtrôn tăng lên gấp đôi 0,07s (trường hợp phản ứng nơtrôn nhiệt) mà 50s Do thời gian phản ứng dây chuyền chậm mà điều khiển cách dùng “thanh điều khiển” chất hấp thụ tốt nơtrôn Bo Cadmi 4.3 Phản ứng nhiệt hạch 4.3.1 Định nghĩa Các phản ứng hạt nhân có kèm theo trình tỏa hay hấp thụ lượng Nếu lượng liên kết hạt nhân sau phản ứng (về trị tuyệt đối) tăng lên có tỏa lượng Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân nặng có liên kết riêng 7,5 MeV bị phân chia thành hai hạt nhân, có khối lượng trung bình, với lượng liên kết riêng 8,5MeV giải phóng lượng lớn (khoảng 200 MeV) Ngoài có phản ứng mà lượng tỏa lớn hơn, phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng Phản ứng tổng hợp hạt nhân bị cản trở lực đẩy Culomb, ngăn cản hai hạt nhân tiến đến gần để lọt vào vùng tác dụng lực hút hạt nhân “tổng hợp” với Để tạo lượng hữu ích cho tổng hợp hạt nhân, cần phải xảy khối chất Hy vọng tốt để làm điều nâng nhiệt độ vật liệu để hạt có đủ lượng (chỉ chuyển động nhiệt chúng) xuyên qua bờ Phản ứng gọi phản ứng nhiệt hạt nhân nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch phản ứng hai hạt nhân nhẹ kết hợp với thành hạt nhân nặng 4.3.2 Đặc điểm Dưới số phản ứng nhiệt hạch điển hình, với giá trị lượng giải phóng: H + 13 H → 24 He + 01n + 17, 59 MeV H + 12 H → 23 He + 01n + 3, 27 MeV H + 12 H → 13 H + 11H + 4, 03MeV Hình 4.3.2 Năng lượng sinh phản ứng phân hạch (fission) phản ứng nhiệt hạch (fusion) Hình 14: Phản ứng nhiệt Tuy giá hạch trị Q nhỏ so với phản ứng phân hạch, hạt nhân tham gia phản ứng nhiệt hạch lại hạt nhân cực nhẹ, nên lấy đơn vị khối lượng nhiên liệu để so sánh, số phản ứng nhiệt hạch lớn số phản ứng phân hạch hàng trăm lần; tổng lượng giải phóng phản ứng nhiệt hạch lớn nhiều so với lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch - Trữ lượng Urani hạn chế cạn dần: nhiên liệu lớn tỷ lệ khoảng 2 H vô H khoảng 1/6000 đại dương mênh mông - Phản ứng nhiệt hạt nhân coi “sạch” không để lại sản phẩm phóng xạ phản ứng phân hạch xảy 4.3.3 Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ Năng lượng xạ mặt trời bắt nguồn từ phản ứng nhiệt hạt nhân Trong lòng mặt trời không nguyên tử trung hòa, tất bị ion hóa trở thành phần tử mang điện Một môi trường vật chất gọi plasma; nhiệt độ đạt khoảng vài Hình 4.3.3 Phản ứng nhiệt hạch mặt trời trăm triệu độ Vì phần tử plasma có lượng cực lớn dễ dàng xảy khả hai hạt nhân va chạm, thắng lực cản Coulomb kết hợp với tác dụng lực hút hạt nhân Phản ứng có tên nhiệt hạt nhân, cần có nhiệt độ cao để phản ứng xảy Năng lượng mặt trời xuất chuỗi phản ứng nhiệt hạt nhân có tên gọi chung chu trình prôtôn Năng lượng giải phóng chu trình vào khoảng 25 MeV Còn có chu trình thứ hai xảy bên sao, gọi chu trình Cácbon –Nitơ, có tham gia C N: Phép tính chứng tỏ chu trình xảy nhiệt độ vài chục triệu độ tỏa khoảng 26,8 MeV 4.3.4 Phản ứng phân hạch phòng thí nghiệm Sử dụng nguồn lượng nhiệt hạch nhà bác học quan tâm, song phản ứng chu trình cacbon chu trình hiđrô chậm, sử dụng chúng điều kiện phòng thí nghiệm Xét phản ứng sau: 12 H +12 H → 23 He + n + 3, MeV 12 H +12 H → 13 H + 11H + 4, MeV 12 H +13 H → 24 He + n + 17, MeV Nhiệt độ tốc độ hai phản ứng đầu Ở phản ứng thứ 3, chúng lớn 100 lần Theo tính toán, bên can thiệp, nhiệt độ nhỏ để trì phản ứng D – D cỡ 350 triệu độ, phản ứng D – T không thấp 60 triệu độ Mật độ khí plasma phản ứng liên quan đến áp suất lên thành lò phản ứng nhiệt hạch Ví dụ với n ≈ 1015 hạt/cm3 áp suất là: ≈ ≈ p = nKT 1015hạt/cm3.10-23J/K.108K 106Pa = 10atm (đối với không khí n ≈ 3.1019 hạt/cm3) Vì phải dụng khí plasma loãng Vấn đề đặt tạo nhiệt độ cao Hình 4.3.4 Hiệu ứng “bóp” phản ứng phân hạch phòng thí nghiệm trì plasma nung nóng thời gian dài Với nhiệt độ trên, không chất chịu đựng để làm thành lò Phương pháp làm cách nhiệt dùng từ trường tạo thiết bị gọi “bẫy từ”, xuất hiệu ứng gọi hiệu ứng “bóp” Hiện tượng quan sát nghiên cứu phóng điện nhờ dòng điện cường độ lớn ống phóng điện thẳng Dòng điện chạy dây dẫn thể khí bị bao quanh đường sức từ hình tròn tạo Tương tác dòng điện từ trường riêng tạo thành lực ép (bóp) cột plasma làm tách khỏi thành ống Lực từ nén đoạn nhiệt plasma làm nung nóng plasma Áp lực plasma tăng tương ứng với nhiệt độ Lấy ví dụ số liệu Plasma đơtêri có mật độ 104hạt/cm3, bán kính ống 10cm, nhiệt độ 200 triệu độ Khi dòng điện I có cường độ khoảng 1MA, cường độ từ trường bề mặt ống 20 nghìn Oersted Đặc điểm hiệu ứng “bóp” không bền (ổn định dây dẫn plasma) Nó bị phá hủy vài phần nghìn giây bị đứt ngang hay cong queo Hiệu ứng nén xuất dây dẫn plasma hình xuyến đặt từ trường hướng dọc theo trục đối xứng Đó phần thiết bị Tokamak thiết bị phản ứng nhiệt hạch xây dựng Liên Xô (cũ) Hơn 15 năm sau (1970), phòng thí nghiệm khác giới bắt đầu xây dựng (Mĩ, Nhật, Pháp,…) Các ứng dụng 5.1 Ứng dụng đồng vị phóng xạ Các đồng vị phóng xạ tự nhiên đồng vị phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng khoa học đời sống 60 27 Co Tìm khuyết tật chi tiết máy: Chất coban phát tia γ có khả xuyên sâu lớn nên dùng để tìm khuyết tật chi tiết máy (phương pháp tương tự dùng tia X để chụp ảnh phận thể), bảo quản thực phẩm (vì tia γ diệt vi khuẩn), chữa bệnh ung thư v.v… Hình 5.1.1 Dùng tia X để chụp ảnh phận thể Hình 5.1.2 Phương pháp xạ trị chữa bệnh ung thư Phương pháp nguyên tử đánh dấu: Muốn theo dõi di chuyển chất lân cây, người ta cho lân P 32 vào phân lân thường P31 Về mặt sinh lí thực vật hai đồng vị hoàn toàn tương đương có vỏ êlectrôn giống nhau, đồng vị P32 chất phóng xạ β- nên ta dễ dàng theo dõi di chuyển nó, chất lân nói chung Đó phương pháp nguyên tử đánh dấu dùng rộng rãi khoa học Xác định tuổi nhờ phóng xạ: Khảo cổ học có phương pháp xác để định tuổi di vật gốc sinh vật, phương pháp dùng cácbon 14 Cacbon có đồng vị: C12 (phổ biến nhất) C13 bền, C14 chất phóng xạ β- C11 chất phóng xạ β+ C14 tạo khí thâm nhập vào vật Trái Đất Nó có chu kì bán rã 5600 năm Sự phân rã cân với tạo ra, nên từ hàng vạn năm mật độ C14 khí không đổi: 1012 nguyên tử cacbon có nguyên tử C14 Một thực vật sống, trình diệp lục hoá giữ tỉ lệ thành phần chứa cacbon Nhưng thực vật chết, không trao đổi với không khí nữa, C14 phân rã mà không bù lại nên tỉ lệ giảm, sau5600 năm nửa, độ phóng sạ H giảm tương ứng Đo độ phóng xạ tính thời gian trôi qua từ chết Thí dụ, đo H đĩa gỗ người Ai Cập cổ, ta H = 0, 25 Bq Lấy mẩu gỗ vừa chặt, có H = 0,25 khối lượng, ta đo độ phóng xạ Vì H = H 0e − λt , λ = 0,693/ 5600 ⇒ t = 4100 Bq năm, tuổi đĩa cổ Động vật ăn thực vật nên tỉ lệ C14 thể giảm sau chết Vì định tuổi mẩu xương động vật tìm di phương pháp Hình 5.1.3 Xác định tuổi vỏ ốc 5.2 Ứng dụng phương pháp phân hạch nhiệt hạch 5.2.1 Lò phản ứng hạt nhân Phản ứng phân hạch dây chuyền tự trì Fermi thực năm 1942 Chicago (Mỹ) lò phản ứng hạt nhân dùng Urani thiên nhiên làm nhiên liệu Graphit chất làm chậm nơtrôn Mặc dù có nhiều kiểu lò phản ứng hạt nhân khác nhau, ta quan tâm đến nguyên tắc lò phản ứng hạt nhân dùng Urani thiên nhiên làm nguyên liệu có chất làm chậm nơtrôn để thực phân 235 92 U hạch nơtrôn chậm Trước hết, điều kiện để phản ứng dây chuyền trì đòi hỏi sau hạt nhân Urani bị phân hạch, phải có nơtrôn lại làm phân hạch hạt nhân Trung bình phản ứng phân hạch tạo khoản 2,5 nơtrôn thứ cấp Vì không phép 1,5 nơtrôn bị mất, không phản ứng dây chuyền bị dập tắt Các 235 92 U nơtrôn bị mát không gây phân hạch 238 92 U là: bị bắt mà không gây phân hạch, tạp chất hấp thụ rò khỏi lò Để giảm bớt tỷ lệ nơtrôn bị tạp chất hấp thụ, người ta phải tinh chế nguyên liệu để giảm tạp chất đến mức tối thiểu Còn để chống thất thoát nơtrôn khỏi lò, người ta bố trí lớp phản xạ nơtrôn bao quanh vùng hoạt động lò Nếu vùng hoạt động lò bé, nơtrôn dễ thoát ngoài, nên kích thước vùng hoạt động lò phải đủ lớn Người ta thấy tốc độ sản sinh nơtrôn tỷ lệ với thể tích lò Trong đó, nơtrôn thứ cấp lại nơtrôn nhanh, với động trung bình tới 1MeV Vì phải làm chậm nơtrôn này; giảm lượng chúng tới giá trị lượng nhiệt Điều thực cách dùng chất làm chậm thích hợp, cho hiệu việc làm chậm nơtrôn va chạm đàn hồi không làm nơtrôn, cách hấp thụ chúng mà không gây phân hạch Người ta thường xếp xen kẻ nguyên liệu Urani chất làm chậm Các chất làm chậm thích hợp nước nặng (D2O), Graphit, Be số hợp chất hữu Hình 5.2.1 Sơ đồ lò phản ứng hạt nhân Khi làm giảm nguồn gốc, làm mát nơtrôn để thực phản ứng phân hạch dẫn tới phản ứng phân hạch khác lò đạt điều kiện “tới hạn” Nếu phản ứng phân hạch tạo phản ứng phân hạch khác, tức phản ứng dây chuyền không trì, lò gọi tới hạn Ngược lại, phản ứng gây phản ứng phân hạch khác, lò trạng thái tới hạn: trạng thái này, lượng giái phóng lớn, khoảnh khắc dẫn tới vụ nổ, trường hợp bom nguyên tử Để đảm bảo giữ trạng thái tới hạn ổn định lò, người ta sử dụng điều kiển Cadmi (Cd) cắm xen kẻ nhiên liệu Urani Đối với Cd, tiết diện bắt nơtrôn cao, tùy theo vị trí này, rút lên cao đưa xuống sâu, mà tăng giảm tốc độ sản sinh phản ứng: dẫn đến thay đổi công suất lò Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân: − Theo nhiên liệu: Urani thiên nhiên, Urani làm giàu 235U ; 239Pu … − Theo chất làm chậm: nước thường (H20), nước nặng (D2O), graphit, berili, Theo cách phân bố nhiên liệu chất làm chậm: đồng chất, không đồng chất − Theo lượng nơtrôn phân hạch: chậm, trung bình, nhanh, … − Theo chất trao đổi nhiệt: nước, hơi, kim loại lỏng, … − Theo công dụng: cho lượng, cho nguồn nơtrôn, cho sản suất chất đồng vị phóng xạ, cho tái sản suất nhiên liệu phân hạch, … Việc tái sản suất nhiên liệu phân hạch tính ưu việt có lò phản ứng hạt nhân Có thể nhờ phản ứng hạt nhân để biến hạt nhân không bị phân hạch với nơtrôn chậm, trở thành nhiên liệu phân hạch với nơtrôn chậm Đó phản ứng: Các đồng vị 239Pu 233U hạt nhân phân hạch với nơtrôn nhiệt Lò phản ứng với công dụng gọi lò tái sinh 5.2.2 Nhà máy điện nguyên tử Nhiệt tỏa phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển lò phản ứng hạt nhân, tải qua phận trao đổi, để đốt nóng nước làm quay tuabin phát điện Phần lớn nhà máy nguyên tử hoạt động giới dùng lò phản ứng nơtrôn nhiệt, nghĩa lò phản ứng dựa phân hạch tác dụng nơtrôn nhiệt Urani tự nhiên chứa 0,7% 235U 99,3% 238U Nhiên liệu lò phản ứng Urani tự nhiên làm giàu từ 3% đến 10% 235U Các nhà máy điện nguyên tử loại này, việc cung cấp điện năng, sản xuất nhiên liệu hạt nhân 239Pu 235U , dựa theo phản ứng hạt nhân trình bày Hình 5.2.2.1 Nhà máy điện nguyên tử Cattenom, Pháp Các ống khói nhả nước không phóng xạ từ tháp làm nguội Lò phản ứng hạt nhân đặt nhà hình ống tròn Hình 5.2.2.2 Chu trình nhiên liệu hạt nhân Hình 5.2.2.3 Lò phản ứng nhiệt hạch 5.2.3 Bom A Lấy lượng từ trình phân hạch (còn gọi phân rã hạt nhân) Một vật liệu có khả phân rã lắp ráp vào khối lượng tới hạn, khởi phát phản ứng dây chuyền phản ứng gia tăng theo tốc độ hàm mũ, giải thoát lượng khổng lồ Quá trình thực cách bắn mẫu vật liệu chưa tới hạn vào mẫu vật liệu chưa tới hạn khác để tạo trạng thái gọi siêu tới hạn Các nhiên liệu dùng trước vũ khí tự phá hủy thân Hình 5.2.3 Một vụ nổ bom A KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông theo nhiệm vụ phân công, đạt kết sau: - Nắm phần nội dung kiến thức thuộc phần ý đồ xây dựng kiến thức tác giả sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao hành Từ hiểu sâu sắc phần kiến thức tự rút kinh nghiệm quý giá cho việc tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu thân, cho việc giảng dạy vật môn lý trường phổ thông, góp phần nâng cao chất lượng dạy học, giúp học sinh chiếm lĩnh tri thức cách có hiệu Với phương châm “Để nói làm cho người khác hiểu vấn đề trước hết thân phải nắm rõ, phải hiểu sâu sắc vấn đề đó”, hy vọng tiểu luận tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn đọc, giáo viên trung học học viên cao học Mặc dù cố gắng thiếu tài liệu tham khảo hiểu biết thân chưa thấu đáo nên trình thực đề tài không tránh khỏi sai sót đáng tiếc Kính mong thông cảm, chia góp ý chân thành thầy cô, bạn bè đọc giả! TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình (chủ biên) (2007), Vật lí đại cương (tập 3, phần 1), Nhà xuất giáo dục Lê Công Triêm (1986), Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông, Trường ĐHSP- Đại học Huế Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 12 Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), SGV Vật lí 12 Nâng cao, Nhà xuất Giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2008), Vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2008), SGV Vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục Đào Văn Phúc (2003), Lịch sử vật lý học, Nhà xuất Giáo dục Lê Chấn Hùng – Lê Trọng Tường (2000), Vật lý Nguyên tử Hạt nhân (Sách cao đẳng sư phạm), Nhà xuất Giáo dục Thái Khắc Định (2003), Vật lý Nguyên tử Hạt nhân, Trường ĐHSP Thành phố Hồ Chí Minh (tài liệu lưu hành nội bộ) 10 PGS.TS.Ngô Quang Huy, Cơ sở Vật lý hạt nhân, NXB Khoa học kỹ thuật 11 Walter Benenson, John W Harris, Horst Stocker, Holger Lutz, Handbook of Physics 12 Một số trang web: http://vi.wikipedia.org/wiki http://www.thuvienvatly.com http://vatlysupham.com [...]... phổ biến đối với hạt nhân nguyên tử Quá trình phóng xạ là quá trình phân rã hạt nhân nguyên tử tiến hành một cách tự phát Trong quá trình phóng xạ đó hạt nhân đồng vị này phát ra những hạt hoặc tia phóng xạ và biến thành hạt nhân đồng vị khác Những hạt nhân đồng vị có thể có sẵn trong thiên nhiên (phóng xạ tự nhiên ) hoặc thu được một cách nhân tạo bằng phản ứng hạt nhân (phóng xạ nhân tạo) Hiện tượng... nghiệm không Hai mẫu hạt nhân điển hình là mẫu giọt hạt nhân và mẫu lớp hạt nhân (còn gọi là mẫu vỏ hạt nhân) 2.7.1 Mẫu giọt hạt nhân Trong tất cả các mẫu hạt nhân, mẫu giọt là mẫu đơn giản nhất, mẫu giọt do N.Bohr đề ra năm 1936 Mặc dù đơn giản nhưng mẫu giọt được ứng dụng có kết quả trong việc giải thích nhiều tính chất của hạt nhân và phản ứng hạt nhân Một số tính chất của hạt nhân tương tự tính chất... hạt nhân Vai trò của nơtron cũng tương đương như proton bên trong hạt nhân với ý nghĩa là một thành phần của hạt nhân: hạt nuclon 3.4.2 Sản sinh ra nơtrôn Nơtrôn xuất hiện trong các phản ứng hạt nhân và trong phân chia tự phát hạt nhân nặng Các nguồn nơtrôn là các phản ứng (α,n), (γ,n), phân chia tự phát hạt nhân, trong máy gia tốc các hạt tích điện,… Một vài ví dụ: a) Nguồn phát hạt α từ các hạt nhân. .. thành các hạt nhân khác Thời gian sống của hạt nhân hợp phần vào cỡ 10-6s, rất ngắn, khó quan sát trực tiếp Tuy nhiên thời gian sống đó vẫn lớn hơn thời gian hạt đạn xuyên qua hạt nhân bia (cỡ 10-21s) Do đó giả thiết về sự tạo thành hạt nhân hợp phần là hoàn toàn có cơ sở 3.2.2 Phân loại phản ứng hạt nhân theo điều kiện xảy ra * Phản ứng hạt nhân tự phát: Quá trình tự phân rã của một hạt nhân không... thành một nơtrôn 2.7 Các mẫu hạt nhân Hiện nay chưa có một lý thuyết nào về hạt nhân có thể giải thích đầy đủ các tính chất của hạt nhân vì chưa biễu diễn một cách tường minh bằng toán học bản chất của lực hạt nhân Vì vậy các nhà vật lý đã đưa ra các mẫu khác nhau về hạt nhân Mỗi mẫu hạt nhân cho phép ta giải thích đúng đắn về một số tính chất của hạt nhân hoặc của một số hạt nhân nào đó, quan trọng là... tổng động lượng của các hạt sản phẩm 3.3 Phân loại 3.2.1 Phân loại theo hạt nhân tới, hạt nhân bay ra và hạt nhân lùi - Phản ứng tán xạ: hạt tới và hạt bay ra giống nhau A+a→A+a + Nếu hạt nhân lùi nằm ở trạng thái năng lượng cơ bản: tán xạ đàn hồi + Nếu hạt nhân lùi nằm ở trạng thái năng lượng kích thích: tán xạ không đàn hồi - Phản ứng trực tiếp: Hạt đạn tới lấy nuclôn của hạt nhân bia (phản ứng bắt)... các hạt fecmion, có spin bán nguyên bằng 2 Cũng giống như electron trong nguyên tử, chuyển động tương đối của các nuclon trong hạt nhân được đặc trưng bởi mômen quỹ đạo, có giá trị lượng tử hóa Tổng mômen quỹ đạo của các nuclon và của spin của chúng là spin của hạt nhân Thực nghiệm cho thấy spin hạt nhân phụ thuộc số khối A Hạt nhân có số khối chẵn thì có spin nguyên, số khối lẻ thì spin bán nguyên, ... tạo bởi hạt nhân và các electron còn lại Khi được kích thích, một hay vài nuclôn chuyển lên các mức kích thích Khi chuyển về trạng thái cơ bản, chúng giải phóng ra các lượng tử γ Hình 2.7.2.2 Sơ đồ mẫu vỏ: sự sắp xếp các nuclôn theo từng lớp 3 Tổng quan về Phản ứng hạt nhân 3.1 Định nghĩa Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến biến đổi hạt nhân * Cơ chế phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân được... trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân khác Ví dụ: quá trình phóng xạ * Phản ứng hạt nhân kích thích: Quá trình các hạt nhân tương tác với nhau tạo thành các hạt nhân khác Do tính chất không bảo toàn khối lượng nghỉ nhưng lại bảo toàn năng lượng toàn phần của hệ trong các phản ứng hạt nhân nên các phản ứng hạt nhân có thể tỏa hoặc thu năng lượng tùy theo quan hệ so sánh... đồng vị phóng xạ không bền Các hạt có cùng số khối A nhưng khác Z gọi là các nhân đồng phân Ví dụ: 3 1 H và 23He Các hạt nhân có số notron bằng nhau gọi là các nhân đồng notron Hình 2.2.2 Đồng vị cacbon 2.3 Kích thước và khối lượng hạt nhân 2.3.1 Kích thước hạt nhân Do hạt nhân là một hệ vi mô tuân theo các quy luật của vật lý lượng tử nên vấn đề xác định kíc thước của hạt nhân không đơn giản Có nhiều ... phần Hạt nhân nguyên tử Phần hạt nhân nguyên tử phận vật hạt nhân nguyên tử, nghiên cứu về: - Cấu tạo hạt nhân nguyên tử, - Các trình biến đổi hạt nhân, - Các xạ phát trình biến đổi hạt nhân. .. hạt nhân nguyên tử Quá trình phóng xạ trình phân rã hạt nhân nguyên tử tiến hành cách tự phát Trong trình phóng xạ hạt nhân đồng vị phát hạt tia phóng xạ biến thành hạt nhân đồng vị khác Những hạt. .. β+ ) ~ ν phản hạt nơtrino Như phân rã β- tạo hạt nhân có Z tăng thêm so với hạt nhân mẹ, phân rã β+ tạo hạt nhân có Z giảm so với hạt nhân mẹ Hạt nhân mẹ hạt nhân hai trình hạt nhân đồng khối