CHƯƠNG : I II III IV V VI VII VIII VẬT LÝ HẠT NHÂN TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN Những tính chất hạt nhân Tương tác nơtrôn prôtôn Lực tuơng tác hạt nhân SPIN HẠT NHÂN MÔMEN TỪ HẠT NHÂN NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HIỆN TUỢNG PHÓNG XẠ Sự phóng xạ tự nhiên Ðịnh luật phóng xạ SỰ PHÂN RÃ HẠT BÊTA VÀ HẠT NƠTRINO SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN Năng lượng vỡ hạt nhân Phản ứng dây chuyền vỡ hạt nhân Uran Sự làm chậm nơtrôn va chạm Nguyên tắc lò phản ứng PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH Ðiều kiện thực phản ứng nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển Phương pháp sử dụng thực tế lượng phản ứng nhiệt hạch BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM I TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN Những tính chất hạt nhân TOP Hạt nhân đồng vị Ðó hạt nhân số Z khác số N (tức khác vế số khối A) Ví dụ: Hydrogen có ba đồng vị là: Hạt nhân khối lượng Ðó hạt nhân có số khối A khác điện tích hạt nhân Z: Hạt nhân gương Ðó hạt nhân có số khối A số Z hạt nhân đầu số N hạt nhân sau Ví dụ Kích thước hạt nhân: Qua nhiều phương pháp đo bán kính hạt nhân như: Tương tác prôtôn nơtrôn TOP Lực tương tác hạt nhân TOP Hạt nhân có cấu trúc bền vững lý nuclon hạt nhân hút lực mạnh Ðặc điểm lực là: @- Lực hạt nhân lực tác dụng ngắn khoảng cách vài Fecmi lực giảm nhanh bán kính tiến khơng @- Lực ny khơng phụ thuộc vào diện tích tác dụng hạt nuclơn @- Lực có tính bảo hịa: Nghĩa nuclôn tương tác với nuclôn kế cận mà không tương tác với nhiều nuclôn đồng thời @- Lực hạt nhân xảy trao đổi Mêzôn theo khả sau: @- Thí nghiệm tán xạ nơtrơn nhiệt có lượng cỡ đến 10 eV với ngun tử Hydrogen có prơtơn mà Spin song song đối song cho thấy: Tỷ số xác suất tán xạ với nguyên tử Hydrogen có prơtơn có Spin song song lớn gấp 30 lần xác suất tán xạ với nguyên tử Hydrogen với prôtôn có Spin đối song Ðiều dẫn đến kết luận tương tác hạt nhân loại tương tác mạnh phụ thuộc nhiều vào định hướng tương hổ mômem Spin hạt tương tác; Tương tác khác với tương tác hấp dẫn khác với tương tác điện từ II SPIN HẠT NHÂN TOP Giống electron hạt nhân gồm nuclôn mà hạt có Spin S (trị riêng s =1/2) electron chuyển động tự quay quanh nuclơn Nuclơn có mơmem xung lượng quỹ đạo chuyển động xung quanh nhân: Gía trị j gọi lượng tử Spin hạt nhân hay gọi tắt Spin hạt nhân Nếu số khối A nguyên tử số chẳn hàm sóng mơ tả trạng thái nguyên tử hàm đối xứng lúc Spin số nguyên 1, 2, Nếu số khối A nguyên tử số lẻ hàm sóng mơ tả trạng thái ngun tử phản đối xứng lúc Spin bán nguyên 1/2, 3/2, 5/2 III MÔMEN TỪ HẠT NHÂN TOP Tương tự electron, hạt nhân có momen từ riêng ứng với mơmen spin Theo ngun lý Pauli, hạt nhân có mơmem từ riêng nên tác dụng với từ trường tạo chuyển động electron lớp vỏ, làm sinh lượng phụ E electron lớp vỏ Do tương tác với từ trường tạo chuyển động electron lớp vỏ nên lượng phụ E phụ thuộc vào trị số mômen từ hạt nhân định hướng từ trườìng hạt nhân tứ trường electron Theo tính tốn lý thuyết, Pauli cho rằng: mômen từ hạt nhân định hướng theo số phương định so với từ trường electron hóa trị Thế nên lượng (E nhận số gía trị gián đoạn Số gía trị phụ thuộc vào trị số Spin hạt nhân Khỏang cách mức lượng tùy thuộc vào mơmen từ hạt nhân Lưu ý: hạt nhân có hai loại hạt: Prơtơn mang điện dương nên có mômen từ quỹ đạo Hạt nơtrôn không mang điện, nên có mơmen từ Spin Như mơmen từ hạt nhân tổng mômen từ Spin tất hạt nuclôn cộng với tổng mômem từ quỹ đạo prôtôn: Số hạng thứ vế phải biểu thức 5.4 tổng mômen từ quỹ đạo prôtôn thứ i Số hạng thứ hai vế phải biểu thức 5.4 tổng mômen từ Spin prôtôn thứ i Số hạng thứ ba vế phải 5.4 tổng mômen từ Spin nơtrơn thứ i Ðơn vị mơmen từ hạt nhân có tên Magheton hạt nhân có gía trị bằng: IV NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Vì khối lượng có liên hệ với lượng theo công thức: nên người ta biểu diễn đơn vị khối lượng đơn vị lượng eV Ví dụ: khối lượng electron là: TOP Khi tạo thành hạt nhân, người ta thấy khối lượng hạt nhân hình thành ln ln nhỏ khối lượng tổng nuclơn riêng lẻ tạo nên hạt nhân Sự sai lệch khối lượng gọi độ hụt khối lượng m: M khối lượng hạt nhân hình thành Ðiều giải thích sau: Khi nuclơn kết hợp lại thành hạt nhân, cần có lượng để kết dính nuclơn Năng lượng gọi lượng liên kết Ðể tạo lượng liên kết phần khối lượng nuclôn thành phần tham gia kết dính phải dạng lượng Vậy lượng liên kết tính sau : Ngược lại, từ hạt nhân muốn phân thành nuclơn thành phần, ta phải cung cấp lượng E lượng liên kết Ðể so sánh độ bền vững hạt nhân ta cần tính lượng liên kết riêng nuclơn ta gọi tên lượng liên kết riêng: Nếu lượng liên kết riêng lớn, lượng cung cấp làm phân rã hạt nhân cao, hạt nhân gọi hạt nhân bền Ngược lại, lượng liên kết riêng nhỏ hạt nhân gọi hạt nhân không bền Ðồ thị biểu diễn lượng liên kết theo số khối A nguyên tử vẽ theo thực nghiệm hình 5.1, dựa theo đồ thị ta thấy: Trong hạt nhân nặng lượng liên kết lại giảm lúc số prôtôn hạt nhân tăng lên nên lực đẩy Coulomb Prôtôn mang điện tăng lên làm cho lượng liên kết bị giảm xuống V HIỆN TƯỢNG PHĨNG XẠ 1.Sự phóng xạ tự nhiên TOP Thời trung cổ nhà giả kim thuật tốn nhiều cơng sức để cố gắng biến đổi ngun tố hóa học thành ngun tố hóa học khác Mục đích thật họ sản xuất kim loại qúi vàng, bạc, bạch kim Họ không thành cơng sở khoa học vào thời cịn qúa yếu Tuy nhiên, thực tế hạt nhân ngun tử khơng phải bất biến mà biến đổi thành hạt nhân khác, chí điều kiện bình thường Năm 1892 nhà vật lý học người Pháp Becquerel (đạt giải thưởng Nobel năm 1903) quan sát thấy muối Uran (Z=92) hợp chất phát tia phóng xạ Phân tích tia phóng xạ người ta thấy có loại tia phóng xạ là: Tính chất tia phóng xạ Các tia phóng xạ có số tính chất giống kích thích để tạo số phản ứng hóa học, ion hóa số chất khí có khả xun thấu số chất Các tia phóng xạ có lượng ( gồm động hạt lượng sóng điện từ) Khả xuyên thấu số chất tuân theo bảng phân loại sau: Tính chất trình phóng xạ tự nhiên Q trình phóng xạ tự nhiên tuân theo điều kiện chuyển hạt nhân từ trạng thái khơng bền vững (tức có mức lượng lớn) sang trạng thái bền vững ( trạng thái có mức lượng thấp hơn) VII SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN TOP Khi ta truyền cho hạt nhân lượng đủ lớn, hạt nhân vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ Năng lượng cần thiết, nhỏ để làm hạt nhân phân chia gọi lượng kích hoạt Năng lượng kích hoạt sử dụng cho hai phần: phần truyền cho nuclôn riêng biệt bên hạt nhân tạo dạng chuyển động nội tại, phần dùng để kích thích chuyển động tập thể tồn hạt nhân, gây biến dạng làm hạt nhân vỡ thành mảnh nhỏ Năng lượng vỡ hạt nhân TOP Khi hạt nhân vỡ khối lượng tổng cộng mảnh vỡ nhỏ khối lượng hạt nhân nặng Năng lượng tỏa tương ứng với độ hụt khối gọi lượng vỡ hạt nhân hay lượng phân hạch Phản ứng dây chuyền vỡ nhân Uran TOP Muốn phản ứng dây chuyền xảy điều kiện cần thiết hạt nhân vỡ, phải phát số nơtrơn Những nơtrơn lại bắn phá nhân Uran khác gần phản ứng tiếp diễn thành dây chuyền Sự làm chậm nơtrôn va chạm TOP Mỗi nơtrơn va chạm vào hạt nhân nơtrơn lượng phải chuyển phần động cho hạt nhân Nguyên tắc lò phản ứng TOP Trong lò phản ứng hạt nhân, Uran thiên nhiên hay plutôni mỏng xếp xen kẽ lớp dày chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động xảy phản ứng dây chuyền Như vậy, nơtrôn nhanh sinh phản ứng phân hạch, bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt chất làm chậm Muốn điều chỉnh hoạt động lò mạnh lên hay yếu dùng Cadmi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtrơn nhiệt: muốn lị chạy yếu cho dồn Cadmi vào lị, muốn lị chạy mạnh lên rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân nơtrôn luôn đơn vị (k = 1) (hình 5.4) Người ta cho chất làm lạnh chảy theo đường ống vào lị để bảo đảm giữ nhiệt độ lị khơng cao mức nguy hiểm Nếu lò dùng để cung cấp lượng chất làm lạnh đồng thời chất tải nhiệt, chất phải hấp thụ nơtrơn Một dịng nước thường nhận nhiệt nóng buồng trao đổi nhiệt biến Hơi nước kéo motor máy phát điện buồng ngưng trở buồng trao đổi nhiệt Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lị đến buồng trao đổi nhiệt lò, nhờ hệ thống bơm đặc biệt Ngồi lị phản ứng cịn có hệ thống điều khiển bảo vệ Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng thay đổi cơng suất lị phản ứng Hệ bảo vệ bảo đảm an tồn phóng xạ Hiện nay, người ta làm nhiều loại lò phản ứng khác với nhiên liệu, chất thải nhiệt, chất làm chậm khác tùy theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung cấp lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân VIII PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH TOP Người ta nhận thấy có tượng tỏa lượng kết hợp với hạt nhân nhẹ tạo hạt nhân nặng Thực vậy, kết hợp đồng vị Hydrogen để tạo thành hạt nhân Helium phản ứng tỏa lượng Thí dụ: Ðiều kiện thực phản ứng nhiệt hạch TOP Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ TOP Phản ứng nhiệt hạch nguồn lượng sao, Mặt Trời Phản ứng nhiệt hạch thường xảy lịng thiên thể theo chu trình sau: Kết bốn hạt nhân Hydrogen tạo thành hạt nhân Helium, lượng Carbon không thay đổi Phản ứng xảy nhiệt độ hàng chục triệu độ Mỗi hạt nhân Helium hình thành tỏa lượng 26MeV hình thành 4g Helium tỏa lượng 700.000 kWh Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển TOP Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ Có thể dùng bom hạt nhân để tạo nhiệt độ đó, phản ứng nhiệt hạch xảy tồn thời gian ngắn (cỡ 10-6s)rồi tắt hẳn Vì phản ứng nhiệt hạch xảy điều kiện gọi phản ứng nhiệt hạch không điều khiển Phương pháp sử dụng thực tế lượng phản ứng nhiệt hạch TOP Mặc dù chưa thực hoàn toàn phản ứng nhiệt hạch điều khiển được, người ta dự kiến cách sử dụng lượng phản ứng Có thể biến trực tiếp lượng nhiệt hạch thành lượng điện: nén, lượng từ trường biến thành động platma, phản ứng nhiệt hạch xảy tỏa nhiệt Nhiệt độ áp suất tăng, platma lại dãn ngược với tác dụng nén từ trường Thành thử dãn, lượng platma lại biến đổi thành lượng từ trường Năng lượng từ trường biến đổi trực tiếp thành lượng điện BÀI TẬP TOP TRẮC NGHIỆM TOP Spin hạt nhân tạo do: a) Chuyển động tự quay quanh nhân nuclôn chuyển động điện tử lớp võ b) Các nuclôn hạt nhân hút lực mạnh c) Bán kính hạt nhân qúa nhỏ d) e) tương tác hạt nhân loại tương tác mạnh phụ thuộc nhiều vào định hướng tương hổ mômem Spin hạt tương tác Câu a, câu b, câu d khối lượng Deteri tương ứng với lượng vào khoảng: a) 938,23 MeV c) 1875,5 MeV Có câu phát biểu sai: b) 3726,2MeV d) 2000 MeV a) lượng liên kết riêng lớn, lượng cung cấp làm phân rã hạt nhân cao b) lượng liên kết riêng lớn hạt nhân bền vững c) hạt nhân nhẹ hạt nhân bền vững d) hạt nhân muốn phân thành nuclôn thành phần, ta phải cung cấp lượng (E lượng liên kết Sự phóng xạ tự nhiên: a) hạt nhân ngun tử khơng phải bất biến mà biến đổi thành hạt nhân khác b) chất có khả phát tia phóng xạ c) biến đổi nguyên tố hóa học thành nguyên tố hóa học khác d) chất phát xạ điện từ trường e) Câu b d 13 Năng lượng kích hoạt là: a) Năng lượng cần thiết, nhỏ để làm hạt nhân phân chia b) Năng lượng truyền cho nuclôn riêng biệt bên hạt nhân tạo dạng chuyển động nội c) Năng lượng dùng để kích thích chuyển động tập thể toàn hạt nhân d) Câu a câu b e) Câu b câu c 15 Khi hạt nhân vỡ thì: a) Khối lượng tổng cộng mảnh vỡ nhỏ khối lượng hạt nhân nặng b) Khối lượng tổng cộng mảnh vỡ lớn khối lượng hạt nhân nặng c) Xác suất xuất mảnh vỡ phụ thuộc vào số nuclôn A chúng d) Câu a câu b e) Câu a câu c 16 Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra: a) Nơtrôn sinh bị tạp chất nhiên liệu hấp thụ nhanh b) Hệ số nhân nơtrôn k số dương c) Hệ số nhân nơtrôn k lớn hay d) Mọi hạt nhân vỡ, phải phát số nơtrôn 17 Phản ứng nhiệt hạch là: a) Hiện tượng tỏa lượng kết hợp với hạt nhân nhẹ tạo hạt nhân nặng b) Phản ứng kết hợp đồng vị Hydrogen để tạo thành hạt nhân Helium c) Những phản ứng thường xảy lòng thiên thể d) Tất ý e) Không phải câu 18 Muốn phản ứng nhiệt hạch xảy ra: a) Cần có nhiên liệu nhiệt hạch Litium Hiđrua LiD trạng thái rắn b) Chỉ cần có ánh sáng platma tồn thời gian ngắn c) Cần nhiều nơtrơn có lượng nhỏ từ 0,1 > 0,001eV d) Cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ ... khối A khác điện tích hạt nhân Z: Hạt nhân gương Ðó hạt nhân có số khối A số Z hạt nhân đầu số N hạt nhân sau Ví dụ Kích thước hạt nhân: Qua nhiều phương pháp đo bán kính hạt nhân như: Tương tác... CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN Những tính chất hạt nhân TOP Hạt nhân đồng vị Ðó hạt nhân số Z khác số N (tức khác vế số khối A) Ví dụ: Hydrogen có ba đồng vị là: Hạt nhân khối lượng Ðó hạt nhân có số khối... lượng liên kết riêng lớn, lượng cung cấp làm phân rã hạt nhân cao, hạt nhân gọi hạt nhân bền Ngược lại, lượng liên kết riêng nhỏ hạt nhân gọi hạt nhân không bền Ðồ thị biểu diễn lượng liên kết theo