Trang 1 Bài giảng Cấu trúc hạt nhân Trang 2 1.MỤC LỤC 1.1. Cấu trúc hạt nhân 3 1.1.1. Nguyên tử 3 1.1.2. Các mẫu hạt nhân 4 1.1.3. Bảo toàn số khối 5 1.1.4. Hóa tính 6 1.2. Năng lượng hạt nhân 9 1.2.1. Khối lượng nguyên tử 9 1.2.2. Tương đương giữa khối lượng và năng lượng 11 1.2.3. Năng lượng liên kết 13 1.3. Tính bền vững của hạt nhân. 16 1.3.1. Tỉ số N / Z 17 1.3.2. Tính bền của các nguyên tố nặng nhất 19 1.3.3. Sự khử kích thích 19 1.3.4. Hằng số phân rã 20 1.4. Phân rã hạt nhân 22 1.4.1. Bức xạ Alpha 23 1.4.2. Bức xạ Beta 23 1.4.3. Phân rã Gamma và sự biến đổi Electron 25 1.4.4. Neutron 25 1.5. Phản ứng hạt nhân 27 1.5.1. Bảo toàn Lực 28 1.5.2. Năng lượng phản ứng 29 1.5.3. Năng lượng ngưỡng 30 1.5.4. Các loại phản ứng 31 2. Trang 3 Chương I: ĐỒNG VỊ BỀN VÀ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Phân tích kích hoạt thường được xem là một phương pháp phân tích các nguyên tố hóa hoc. Nó không tiến hành từ việc sản xuất các đổng vị phóng xạ do phản ứng giữa nguyên tử với các đồng vị bền của những phần tử trong mẫu thử, sau đó đo lường các tia phóng xạ phát ra từ các đồng vị phóng xạ mong muốn. Mà các nguyên tắc của phân tích kích hoạt phóng xạ bắt nguồn từ các nguyên tắc của cấu trúc nguyên tử và hạt nhân, các đồng vị phóng xạ bền, sự chuyển đổi nguyên tử, các đặc tính bức xạ của các đồng vị phóng xạ, và sự tương tác giữa các tia phóng xạ này với vật chất. Những tương tác trên cho phép đo định lượng các sản phẩm kích hoạt phóng xạ. Tuy nhiên, phương pháp phân tích kích hoạt không nhất thiết phải giới hạn trong phân tích hóa học, nó cũng được đề cập tới một phạm vi rộng hơn bao gồm việc sản xuất và đo lường các đồng vị phóng xạ trong nhiều tài liệu về các thành phần được biết đến. Ví dụ như kích hoạt phóng xạ được sử dụng cho các nghiên cứu phản ứng hạt nhân, cho thông lượng và đo lường cường độ tia, của thí nghiệm tìm kiếm dấu vết đồng vị bền, và cho quá trình kỉ thuật cao kiểm tra. Các nguyên tắc kích hoạt phóng xạ và đo lường bức xạ vẫn không thay đổi trong các hướng phân tích, đo liều lượng, và sử dụng nguyên tố đánh dấu. Để xây dựng thành công các ứng dụng phân tích kích hoạt trong các lãnh vực này đòi hỏi sự hiểu biết khoa học về các nguyên tắc hạt nhân thích hợp cho các vấn đề như: cấu trúc hạt nhân, năng lượng hạt nhân, tính bền của hạt nhân, phóng xạ hạt nhân, và phản ứng hạt nhân. 1.1. Cấu trúc hạt nhân 1.1.1. Nguyên tử Là những phần tử tồn tại trong không gian và tạo thành nên chất. Chất, lần lượt là một dạng phần tử đồng nhất có kết cấu hóa học nhất định và tạo thành các nguyên tố hóa học và các hợp chất của chúng. Mỗi chất được đặc trưng bởi tính chất cụ thể, như tan chảy và điểm sôi và độ tan. Từ 500 năm trước công nguyên, con người Trang 4 đã tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu một đối tượng được chia thành hai phần không xác định. Người Hy Lạp mặc nhiên công nhận rằng cuối cùng người ta sẽ đến với các đơn vị nhỏ nhất của vật chất và gọi nó là ατομοσ (a-to-mos), từ đó từ “nguyên tử” được suy ra. Khoảng 2000 năm sau, năm 1803, Dalton đưa ra phép tính thực tế cho các phân tử hóa học và nguyên tử. Chúng ta biết về các phân tử như các phần tử nhỏ nhất của vật chất với những đặc tính đặc trưng của một hợp chất hóa học và các liên kết electron của các nguyên tử. Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, bao gồm 105 nguyên tố, các phần tử cuối cùng trong số đó được phát hiện vào năm 1970. Các chu kỳ của các nguyên tố hóa học đã được giải thích thành công trên cơ sở cấu trúc nguyên tử, các kiến thức trong đó đã phát triển chủ yếu trong thế kỷ này. Mẫu cổ điển hiện nay của nguyên tử chính là một hạt nhân cố định được bao quanh bởi các điện tử mang điện tích âm, trong nguyên tử trung tính, với số lượng thích hợp của các electron mang điện tích âm ở vỏ đã phát triển hơn 60 năm trước. Các chu kỳ của lớp electron của nguyên tử là nền tảng cho các tính chất hóa học của các phân tử và các khái niệm về electron hóa trị, liên kết ion, và liên kết cộng hóa trị. Với mẫu này chúng ta cũng hiểu các dữ liệu quang phổ, phát xạ X-ray, hiệu ứng quang điện, và các hiện tượng khác của vật lý nguyên tử. 1.1.2. Các mẫu hạt nhân Các mẫu hạt nhân của nguyên tử xuất hiện vào năm 1911. Rutherford mặc nhiên công nhận một mẫu nguyên tử mà yêu cầu các điện tích dương và hầu hết khối lượng của nguyên tử được chứa trong một hạt nhân nhỏ hơn đường kính 10 -12 cm, với một số lượng electron vừa đủ để cân bằng điện tích dương của hạt nhân, phân phối trên kích thước nguyên tử biết là có thứ tự của đường kính 10 -8 cm. Cho đến năm 1932, Chadwick khám phá ra nơtron, nó là hạt mới được phát ra từ hạt nhân. Hạt mới này là rất quan trọng trong vật lý hạt nhân, dung để nghiên cứu trong phân tích kích hoạt (và bỏ qua những cải tiến của meson và vật lý hạt cơ bản không ổn định), cho rằng chỉ có các proton và nơtron là cấu tạo nên hạt nhân. Ta xem như proton và nơtron Trang 5 như là những hạt vật chất tương đương ( gọi là nucleon) và khối lượng của hạt nhân tỉ lệ với số nucleon hiện tại (A), chúng ta có thể diễn được bán kính của hạt nhân bởi công thức thực nghiệm: R = R 0 A 1/3 Trong đó R 0 là một hằng số. Giá trị của R 0 có thể đo được từ thực nghiệm có giá trị từ 1,2 đến 1.6x10 -13 . Giá trị trung bình 1.4x10 -13 cm là giá trị thích hợp được sử dụng cho mục đích của chúng ta. 1.1.3. Bảo toàn số khối Nhiều định luật bảo toàn cổ điển của vật lý đã được sửa đổi trong thế kỷ này, đáng chú ý trong số đó là những định luật bảo toàn độc lập khối lượng và năng lượng. Những định luật khác liên quan đến khái niệm bắt nguồn từ các sàng lọc của vật lý hạt nhân được đề cập trước đó. Chúng được chuyển đổi trong nhiều sách giáo khoa vật lý hạt nhân. Tuy nhiên, một trong những định luật thành công nhất là định luật bảo toàn số nucleon (proton và nơtron) trong tất cả các hạt nhân nguyên tử, trong tất cả các quá trình phân rã phóng xạ, và trong tất cả các phản ứng hạt nhân quan tâm. Định luật bảo toàn này cho phép chúng ta xây dựng một bảng các chất đồng vị từ mẫu "thực tế" hạt nhân, phần nào tương tự như bảng tuần hoàn các nguyên tố. Bảng 1.1 Các thuật ngữ dùng trong cấu trúc nguyên tử Hạt nhân Một thành phần của hạt nhân nguyên tử là proton hoặc nơtron trong mẫu hạt nhân thực tế. Số hiệu nguyên tử Là một đặc tính hóa học được đưa ra bởi số lượng của proton (Z) trong hạt nhân. Số khối Tổng khối lượng của hạt nhân trong nguyên tử (A=Z+N), được sử dụng trong việc thay đổi khối lượng nguyên tử và là số nguyên. Khối lượng nguyên tử Khối lượng thực của một nguyên tử liên quan đến 12 C, là nguyên tố được xác định có khối lượng nguyên tử là 12x10 7 đơn vị là amu; ví dụ, 4 He có khối lượng 4.0026036 amu Trang 6 Đồng vị (chất phóng xạ) Một hợp chất của các hạt nhân bền và tồn tại trong suốt quá trình đo. Một nguyên tố được đặc trưng bởi số lượng nguyên tử, số khối và động năng của nó. Hiện nay, nguyên tố đươc sử dụng trong quá trình hoán đổi đồng vị; ví dụ là những nguyên tố H 2 1 , C 12 6 , và Sr 90 38 . Đồng vị Các đồng vị có số lượng nguyên tử xác định nhưng số khối khác nhau, có nghĩa là, các đồng vị có cùng số proton, nhưng số notron khác nhau, ví dụ C 12 6 , C 13 6 , và C 14 6 và là đồng vị của Cacbon Hạt nhân gương Các đồng vị có cùng số khối nhưng khác số lượng nguyên tử, ví dụ như Kr 90 36 , Rb 90 37 , and Sr 90 38 là các nguyên tố đồng lượng. Đồng vị Các đồng vị có cùng cấu tạo nguyên tử, cùng số lượng proton và nơtron, chỉ khác nhau về nội năng. Đồng vị có nội năng lớn hơn được xem như là đồng vị bền vững hơn, được thể hiện bởi m theo sau số khối, ví dụ Co 60 27 và Co m60 27 là đồng vị. 1.1.4. Hóa tính Hiện tượng phân rã phóng xạ, trong đó một nguyên tử của một nguyên tố hóa học thay đổi một cách tự nhiên thành một nguyên tử của nguyên tố khác, và các hiện tượng phản ứng hạt nhân, trong đó thay đổi như vậy có thể được gây ra, nhấn mạnh sự phân chia của các khái niệm về đặc tính hóa học và tính chất hóa học. Các tính chất hóa học của một nguyên tử có liên quan đến số lượng của các electron hóa trị tham gia vào tổ hợp hóa học của nó, trong khi đặc tính hóa học của một nguyên tử có liên quan đến số lượng các electron có trong nguyên tử trung tính. Từ quan điểm hạt nhân, đặc tính hóa học của một nguyên tử có thể được đưa ra bởi những số nguyên tử của Trang 7 nguyên tố này. Trong quá trình hạt nhân, sự thay đổi về số lượng proton trong hạt nhân, dẫn đến sự thay đổi tính chất hóa học của nguyên tử, thậm chí trước khi các electron chuyển đổi, phải trải qua thời gian điều chỉnh để thay đổi điện tích hạt nhân. Vì vậy, thuận tiện để xác định đặc tính hóa học (số nguyên tử) của một nguyên tử hay phần tử bằng số proton (Z) trong hạt nhân. Cấu Trúc Nguyên Tử Hình 1.1: Đồng vị của một vài nguyên tố, minh họa cho thành phần hạt nhân của các đồng vị phóng xạ bền. Các hạt nhân được vẽ với bán kính tỉ lệ với R 0 A 1/3 . Các đồng vị 31 P là một ví dụ của một đồng vị bền đồng vị đơn của một phần tử Các điện tích hạt nhân (Q) được cho bởi Q = Ze (2) Trong đó e là điện tích electron với một giá trị của 4.803x10 -10 esu. Giá trị của electron được xác định bằng thực nghiệm, và vì thế electron của nguyên tử không thể xác định được chính xác. Kể từ khi số nguyên tử của hạt nhân được đưa ra bởi các số nguyên của các proton trong hạt nhân, là một trong những thông số đặc trưng của các Trang 8 hạt nhân được biết một cách chính xác. Còn lại là số nơtron (N). Số khối (A) được cho bởi số lượng các nucleon trong hạt nhân: A = Z + N (3) Để thuận tiện cho một số thuật ngữ phổ biến của cấu trúc hạt nhân được đưa ra như là một thuật ngữ trong bảng 1.1. Các nơtron có thể được coi là "phần tử" đầu tiên với Z = 0, N = 1, và A = 1. Proton là hạt nhân của nguyên tử hydro với Z = 1, N = 0, A = 1. Hydro nặng, các Đơteri đồng vị bền, bao gồm một proton và nơtron kết hợp với nhau. Nó là Hydro với Z= 1, nhưng với N = 1 và A = 2. Vì thế, nặng khoảng gấp đôi Hydro thông thường. Đồng vị nặng nhất của hydro, đồng vị phóng xạ Tritium, cho đến Hydro với Z = 1, nhưng với N = 2 và A = 3. Các đồng vị được thể hiện trong hình 1.1 cùng với một số đồng vị của Cacbon, Phốt pho, và Clo. Cách viết tắt trong nguyên tử biểu diễn hạt nhân nơtron là n 1 0 , proton là p 1 1 , các nguyên tử hydro trung tính như H 1 1 , Đơteri là H 2 1 , và Triti là H 3 1 . Phương thức này đưa ra các ký hiệu hóa học của phần tử, các số nguyên tử (Z) là một chỉ số dưới trước, và số khối (A) xác định các đồng vị đặc biệt của phần tử như là một chỉ số trên trước, theo quy ước quốc tế. Ở một số nước và trong nhiều tài liệu cũ, số khối được cho là một chỉ số trên, ví dụ, các đồng vị Triti thường được tìm thấy trong các mẫu 3 H. Vì số lượng nguyên tử xác định các ký hiệu hóa học và do đó không cần thiết, chỉ số này thường bị bỏ qua trong các hạt nhân được đưa ra. Bảng 1.2 Bảng 1.2 Thành phần hạt nhân của đồng vị đơn bền của các nguyên tố (f = 1.00) Nguyên tố hóa học Số lượng nguyên tử (Z) Số lượng nơtron (N) Tỉ lệ (N/Z) Số khối (A) Ký kiệu Đồng vị Bery 4 5 1.250 9 9 Be Flour 9 10 1.111 19 19 F Natri 11 12 1.091 23 23 Na Nhôm 13 14 1.077 27 27 Al Phốt pho 15 16 1.067 31 31 P Trang 9 Scan-đi 21 24 1.143 45 45 Sc Mangan 25 30 1.200 55 55 Mn Coban 27 32 1.185 59 59 Co Asen 33 42 1.273 75 75 As Ytri 39 50 1.282 89 89 Y Niobi 41 52 1.268 93 93 Nb Ro-đi 45 58 1.289 103 103 Rh Iốt 53 74 1.396 127 127 I Cesi 55 78 1.418 133 133 Cs Prasodim 59 82 1.390 141 141 Pr Tebi 65 94 1.446 159 159 Tb Honmi 67 98 1.478 165 165 Ho Tuli 69 100 1.450 169 169 Tm Vàng 79 118 1.495 197 197 Au Bitmut 83 126 1.520 209 209 Bi đưa ra thêm ví dụ về những thành phần hạt nhân, các nguyên tố đó tạo thành đồng vị bền duy nhất của các yếu tố được liệt kê. Đối với các đồng vị, sự phong phú đồng vị, f = 100%. Nhìn chung, đồng vị đơn của nguyên tố bền thể hiện vấn đề đơn giản hơn trong phân tích kích hoạt cho các yếu tố đó. Một danh sách đầy đủ của các đồng vị bền và phóng xạ được biết đến được đưa ra trong nhiều đồ thị của đồng vị có sẵn (xem các hình trong mục 1.6). 1.2. Năng lượng hạt nhân 1.2.1. Khối lượng nguyên tử Khối lượng nguyên tử của các nguyên tố được xác định ban đầu từ các tính toán của tổ hợp hóa học và sau đó bằng phương pháp vật lý. Các hỗn hợp đồng vị tự nhiên của Oxy đã được thông qua như là tiêu chuẩn với giá trị chính xác là 16 đơn vị khối lượng. Oxy tự nhiên nặng khoảng 16 lần Hydro tự nhiên, nguyên tố nhẹ nhất được biết đến. Vì vậy, Hydro, bằng cách so sánh, được xem là có khối lượng nguyên tử của một đơn vị. Tuy nhiên, các nguyên tố như Clo có một số đồng vị bền nổi bật, có khối lượng nguyên tử không khả thi. Clo, bao gồm bản chất của 75,53% 35 Cl và 24,47% 37 Cl, được dự kiến có trọng lượng nguyên tử Trang 10 (0.7553 x 35) + (0,2447 x 37) = 35,4894 (4) Khối lượng nguyên tử thực tế của Clo là 35,453, nhẹ hơn 0,036 đơn vị tính toán ở trên. Sự khác biệt rõ ràng là một phần thực tế dẫn tới 35 Cl không có trọng lượng chính xác là 35 đơn vị khối lượng so với 16 đơn vị khối lượng của Oxy, hay 37 Cl cũng không nặng chính xác 37 đơn vị khối lượng, và một phần thực tế là Oxy tự nhiên chứa khoảng 0,0374% đồng vị 17 O và khoảng 0,2039% đồng vị 18 O. Thành phần này có thể khác nhau cho các nguồn Oxy khác nhau. Quy mô vật lý trọng lượng nguyên tử cũng đưa ra khối lượng chính xác của một đồng vị 16 O là 16 đơn vị khối lượng. Do đồng vị 17 O và 18 O trong Oxy tự nhiên, giá trị số của khối lượng nguyên tử trên quy mô hóa học tính được nhỏ hơn (khoảng 0,032%) so với giá trị tính được theo quy mô vật lý. Để loại bỏ sự nhầm lẫn kết quả giữa hai quy mô, một tiêu chuẩn mới cho khối lượng nguyên tử quốc tế đã được thông qua vào năm 1961, trong đó một hạt nhân của 12 C được định nghĩa là có khối lượng chính xác 12 đơn vị khối lượng nguyên tử (amu). Do 12 C chiếm 98,89% của carbon tự nhiên, quy mô hóa học của khối lượng nguyên tử chỉ khoảng 0,005% khác với quy mô 12 C mới và cả hai, cho tất cả các mục đích thực tế, được xem là như nhau. Cẩn thận được thực hiện trong việc sử dung giá trị khối lượng từ lý thuyết đề ra trước năm 1961. Đơn vị khối lượng nguyên tử là rất nhỏ trên phạm vi trọng lượng bình thường, 1 amu là số lượng tương đương với các đối ứng của số Avogadro (quy định tại mục 2.1.3): 24 23 1 1 1.660 10 6.023 10 amu g − = = × × (5) nên đơn nguyên tử 12 C có trọng lượng 2x10 -23 g. Mỗi đồng vị có cả hai đặc tính số khối A (số lượng nucleon trong các hạt nhân) và khối lượng đẳng hướng M, amu, 12 C = 12 amu. [...]... đổi thành phần hạt nhân (Z + N) kết quả là làm thay đổi trong năng lượng bởi vì các lực liên kết hạt nhân thay đổi Khi quan sát các đồng vị phóng xạ bền trong tự nhiên thì các lực hạt nhân đáp ứng hai yêu cầu: 1 Lực hạt nhân phải đủ mạnh để vượt qua các lực đẩy Coulomb của nhiều proton tích điện dương trong hạt nhân Trang 14 2 Lực hạt nhân phải có khoảng cách ngắn trong kích thước hạt nhân nếu không... phản ứng hạt nhân mà không xảy ra ở năng lượng neutron thấp hơn Chúng có thể thực hiện ở nhiều nguồn và được quan tâm trong phân tích kích hoạt 1.5 Phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân là gây ra những thay đổi trong hạt nhân bằng cách tương tác với hạt đạn có động năng đủ lớn Do đó chúng được phân biệt với quá trình phân rã phóng xạ, với sự kiện phân rã hạt nhân một cách tự nhiên Phản ứng hạt nhân tương... ứng của các hạt mang điện Trang 34 Sự khác nhau chủ yếu giữa phản ứng của các hạt mang điện với phản ứng của hạt neutron là các hạt mang điện khi đến gần hạt nhân bia phải chịu tác dụng của một trường tĩnh điện cho bởi công thức Zze 2 V= r Trong đó Z = Số proton của hạt nhân bia Z = Số proton của hạt nhân vào e = Điện tích của electron r = Khoảng cách giữa tâm của hai hạt nhân Tuy nhiên hạt mang điện... mang điện có thể được hạt nhân bia hấp thụ, vì khi tiến đến vùng tác dụng của lực hạt nhân thì bị hạt nhân hút mạnh nó sẽ thắng lực đẩy Coulomb Độ lớn của thế năng khi hai hạt vừa tiếp xúc nhau xem như là thế màng chắn và được xấp xỉ bằng: Vc ; ( Zze 2 R0 A 1 3 +a 1 3 ) ; 1.03 (A Zz 1 3 +a 1 3 ) Trong đó: A và a là số khối của hạt nhân bia và hạt nhân vào R0 là bán kính của hạt nhân (≈1.4 × 10-13 cm)... (40) Ở đây A và B là chất phản ứng C và D là sản phẩm, và là độ biến thiên năng lượng, tương tự như phản ứng hạt nhân: A+ a → B +b+Q (41) Trang 28 Ở đây A là hạt nhân bia, a là hạt tới, B là hạt nhân mẹ, b là hạt nhân con, và Q là năng lượng ( ∆Mc 2 ), luôn luôn có năng lượng MeV Phản ứng hạt nhân được viết bởi các quy ước sau đây: A(a, b) B (42) Kí hiệu này được biểu diễn bằng phương trình (41) Đạn... trong phân rã ( 83 Phân rã alpha được hạt nhân sinh... nhau trong một hạt nhân Đơteri Tương tự, các lực giữa hai hạt nhân Đơteri tự do này nhỏ hơn các lực liên kết giữ các hạt nhân Heli với nhau Trong thực tế, phản ứng hạt nhân là sự "hợp nhất" của hai Deuteron để tạo thành một hạt nhân lớn hơn với số lượng có ích có kiểm soát để phát điện là những mục tiêu của điện nhiệt hạch Năng lượng phát ra trong sự kết hợp của một số lượng các hạt proton và... để giải phóng hạt alpha ra khỏi hạt nhân Phản ứng (n,α) phổ biến hơn đối với các nguyên tố nhẹ hơn Trang 33 Phản ứng phân hạch : Quá trình phân hạch là sự hấp thụ một neutron của một hạt nhân rất nặng và kết quả là hạt nhân bị phân thành hai mảnh có số khối gần bằng nhau đi kèm theo là hai hay ba hạt neutron Quá trình này, là một chuỗi phản ứng xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân khi được... các hạt nhân lớn hơn, tính chất tác dụng gần của các lực hạt nhân là kết quả của sự không bền vững của lực đẩy culông hơn là tăng số lượng nguyên tử Như vậy tất cả các đồng vị phóng xạ với Z > 83 là không bền so với kích thước của nó bởi vì lực đẩy Coulomb của các proton Hạt nhân Heli rất bền, là chất phóng xạ phân rã của các hạt nhân nặng Các yếu tố có thể diễn ra bởi sự phát xạ của một hạt alpha, hạt . các nguyên tắc hạt nhân thích hợp cho các vấn đề như: cấu trúc hạt nhân, năng lượng hạt nhân, tính bền của hạt nhân, phóng xạ hạt nhân, và phản ứng hạt nhân. 1.1. Cấu trúc hạt nhân 1.1.1. Nguyên. Trang 1 Bài giảng Cấu trúc hạt nhân Trang 2 1.MỤC LỤC 1.1. Cấu trúc hạt nhân 3 1.1.1. Nguyên tử 3 1.1.2. Các mẫu hạt nhân 4 1.1.3. Bảo toàn số khối 5 1.1.4. Hóa tính 6 1.2. Năng lượng hạt nhân 9 1.2.1 của các proton. Hạt nhân Heli rất bền, là chất phóng xạ phân rã của các hạt nhân nặng. Các yếu tố có thể diễn ra bởi sự phát xạ của một hạt alpha, hạt nhân 4 He, để lại một hạt nhân với hai proton