CHƯƠNG VIII VẬT LÝ HẠT NHÂN I.Các tính chất hạt nhân 1.Cấu trúc hạt nhân:Hạt nhân cấu tạo proton nơtron, hai gọi chung nuclôn Ký hiệu hạt nhân: A Z X X tên nguyên tố tương ứng Z số proton, A = Z + N : số khối, N = A – Z số nơtron a) Các hạt nhân đồng vị hạt có Z b) Các hạt nhân đồng khối hạt có số khối A c) Các hạt nhân đồng nơtron hạt có số nơtron d) Các hạt nhân gương hạt nhân mà số proton hạt số nơtron hạt Các hạt nhân khối lượng nhỏ có xu hướng có số proton nơtron gần hạt nhân khối lượng lớn có số nơtron lớn số proton Kích thước hạt nhân: Thực nghiệm chứng tỏ đa số hạt nhân có dạng gần gần hình cầu Một số phương pháp thực nghiệm dùng để xác định kích thước hạt nhân chúng cho gần kết Một biểu thức gần cho bán kính R hạt nhân là: 1/3 R  Ro A Ro = (1,2 – 1,5).10-15m = (1,2- 1,5)fm Thể tích gần hạt nhân:  4  V  R  Ro  A   Mật độ khối lượng hạt nhân: mp A M hn   V 45  (1, 2) 10 A 27 1, 67.10 17   10 kg / m 45  (1, 2) 10 3.Spin hạt nhân Tương tự electron, nuclôn có momen quỹ đạo momen spin, nuclôn có spin 1/2 Do momen động lượng nuclôn thứ i là:    ji  li  si Momen động lượng toàn phần hạt nhân là:   J   ji , J  J ( J  1)  i J gọi số lượng tử momen toàn phần, A lẽ J số bán nguyên 1/2, 3/2, 5/2,…nếu A chẵn J số nguyên 4.Momen từ hạt nhân Nuclôn có momen spin, nên có momen từ spin Momen từ hạt nhân tổng momen từ spin nuclôn tổng momen từ proton Đơn vị momen từ hạt nhân manhêtôn hạt nhân có trị số bằng: e 27 N   5, 050.10 J / T 2m p Momen từ hạt nhân nhỏ momen từ quỹ đạo electron khoảng 103 lần, nên độ tách mức gây momen từ hạt nhân nhỏ khoảng 103 lần so với độ tách mức gây tương tác spin – quỹ đạo ,điều giải thích cấu trúc siêu tinh tế phổ 5)Lực hạt nhân: Sự tồn hạt nhân bền vững chứng tỏ cho tồn lực tương tác nuclon liên kết chúng hạt nhân Các tương tác quy loại tương tác biết trước (tương tác hấp dẫn, điện từ) Người ta phân lực hạt nhân thành hai loại: lực hạt nhân yếu liên quan đến phân rã bê ta , lực hạt nhân (hay tương tác mạnh) ta xét Một số đặc tính lực hạt nhân: a) Lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn: phạm vi 10-15m lực mạnh Ngoài khoảng giảm nhanh xuống không b)Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích c)Lực hạt nhân phụ thuộc spin nuclôn d) Lực hạt nhân lực xuyên tâm e) Lực hạt nhân có tính chất bão hòa f) Lực hạt nhân lực trao đổi: Theo Yukawa nucleon tương tác với cách trao đổi loại hạt gọi mêzon π 1.Phân loại hạt bản: a)Photon b)Lepton: nhóm gồm hạt electron ( e  ) , muyôn (  ), tau (  )và hạt nơtrinô gắn với hạt (  e ,  ,  ) Mỗi lepton gắn với số lepton L = +1 Mỗi phản lepton gắn với số lepton L = -1 Trong phản ứng hạt nhân, số lepton L bảo toàn c)Hadron: nhóm hạt tham gia vào tương tác thông qua lực hạt nhân mạnh Các hadron chịu tác dụng lực hạt nhân yếu, lực hạt nhân mạnh có độ lớn vượt trội nên chiếm ưu tương tác hadron Các hadron phân thành hai nhóm: mêzôn barion - Các mêzôn có khối lượng khoảng 200 –> 900 KL electron không bền, có chu kỳ bán rã cỡ 10-8s nhỏ hơn.Có hai nhóm mêzôn   mêzôn  ( ,  ,  ) mêzôn K ( K  , K , K  ) - Các barion có khối lượng lớn khối lượng proton Có hai nhóm barion nuclôn (n,p) hyperôn(  , ,  ) Mỗi barion gắn cho số barion B = +1, phản barion B = -1 Trong phản ứng hạt nhân, số barion B bảo toàn Số lạ: Một số phản ứng không vi phạm định luật bảo toàn biết không xảy ra, để giải thích điều người ta đưa số lượng tử S gọi số lạ Đối hạt có số lạ ngược dấu với số lạ hạt tương ứng Trong phản ứng hạt nhân số lạ S bảo toàn Các hạt Quark: Năm 1964 Murray Gell – Mann George Zweig đưa giả thiết hadron tạo hạt nhỏ gọi hạt quark Cho đến tìm hạt quark là: u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top), quark có phản quark tương ứng Quark u d s u d s Spin Điện tích Số barion 1/2 2/3 1/3 1/2 -1/3 1/3 1/2 -1/3 1/3 1/2 -2/3 -1/3 1/2 1/3 -1/3 1/2 1/3 -1/3 Số lạ 0 -1 0 • Các hạt quark chưa quan sát phòng thí nghiệm hạt tự Sự tạo thành hadron dựa theo qui tắc đơn giản sau: * Các barion tổ hợp ba quark * Các mezon tạo thành cặp quark – phản quark Ví dụ: proton có thành phần quark uud notron có thành phần quark udd  mezon  có thành phần quark ud Tương tác hạt bản: Theo quan niệm nhà vật lý hạt hạt truyền tương tác với thông qua hạt truyền tương tác gắn kết với loại lực Lực điện từ: hạt truyền tương tác photon  Lực hạt nhân yếu: hạt truyền tương tác W , Z Lực hạt nhân mạnh: hạt truyền tương tác gluôn Lực hấp dẫn: hạt truyền tương tác gravitôn Tên lực Lực hạt nhân mạnh Lực điện từ Lực hạt nhân yếu Lực hấp dẫn Độ mạnh tương đối Phạm vi tác dụng 10-15 m 10-2 10-5  10-18 m Hạt truyền tương tác Mezon/ gluôn Phôton  W ,Z 10-39  Gravitôn Câu 40: Pion trung hoà đứng yên có lượng nghĩ 134,9 MeV phân rã thành hai tia gamma    Tìm bước sóng tia gamma phát phân rã gamma Áp dụng định luật bảo toàn lượng hc E    34 2hc 2.6.625.10 3.10   13 E 134,9.1, 6.10  1,84.10 14 m Câu 41: Một pion đứng yên phân rã thành muyon nơtrino theo sơ đồ:       Biết lượng nghĩ pion muyon tương ứng 139,5 MeV 105,7 MeV Tìm động hai hạt tạo thành Áp dụng định luật bảo toàn lượng: E  E  E  K   K  K   K  E  E  E  139,5  105,  33,8 MeV  33,8.1, 6,10 13  5, 4.10 12 J Photon có lượng 3MeV biến đổi thành     cặp e , e ; tính động hạt e , e (hai động coi nhau) Phương trình phản ứng:   e  e  Áp dụng ĐL bảo toàn lượng: E  2me c  K e  Ke  E  2me c 2  0,99 MeV ... chùm hạt tích điện dương, bị lệch điện trường từ trường Về chất chùm hạt nhân nguyên tử He có điện tích 2e b) Tia  bị lệch điện trường từ trường Về chất chùm electron c) Tia  xạ điện từ có bước... hạt nhân: a) Lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn: phạm vi 1 0-1 5m lực mạnh Ngoài khoảng giảm nhanh xuống không b)Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích c)Lực hạt nhân phụ thuộc spin nuclôn d) Lực hạt... cho gần kết Một biểu thức gần cho bán kính R hạt nhân là: 1/3 R  Ro A Ro = (1,2 – 1,5).1 0-1 5m = (1, 2- 1,5)fm Thể tích gần hạt nhân:  4  V  R  Ro  A   Mật độ khối lượng hạt nhân: mp