Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ  - TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG Đề tài: NGHIÊN CỨU NỘI DUNG KIẾN THỨC PHẦN “HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ” VẬT LÝ 12 THPT Giảng viên hướng dẫn: Học viên thực hiện: PGS.TS.Lê Công Triêm Lê Thanh Bình Phạm Thị Yến Ly Lớp: LL&PPDH BM Vật lý K24 Huế, tháng năm 2016 Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông MỤC LỤC A – TỔNG QUAN B – PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC VÀ KĨ NĂNG I Cấu tạo hạt nhân Lịch sử phát triển hạt nhân nguyên tử .7 1.1 Mẫu nguyên tử Thomson 1.2 Mẫu nguyên tử Rutherford Cấu tạo hạt nhân .10 2.1 Cấu tạo hạt nhân 10 2.2 Đồng vị, đồng trọng đồng neutron .10 2.3 Kích thước hạt nhân 10 2.4 Đơn vị khối lượng nguyên tử 11 II Lực hạt nhân .12 Khái niệm .12 Các đặc điểm lực hạt nhân 12 2.1 Lực hạt nhân lực tác dụng ngắn 12 2.2 Lực hạt nhân khơng phụ thuộc vào điện tích 12 2.3 Lực hạt nhân có tính chất bão hịa 13 2.4 Lực hạt nhân lực trao đổi 13 2.5 Lực hạt nhân phụ thuộc Spin nuclon 13 III Năng lượng liên kết 13 Độ hụt khối 13 Năng lượng liên kết hạt nhân 14 IV Phóng xạ 15 Sự phóng xạ 15 Hiện tượng phóng xạ .15 Các tia phóng xạ 17 3.1 Tia alpha (kí hiệu ) .17 3.2 Tia beta (kí hiệu ) .17 3.3 Tia gammar (kí hiệu ) 18 Định luật phân rã phóng xạ 18 Phóng xạ nhân tạo 20 Ứng dụng đồng vị phóng xạ .20 V Phản ứng hạt nhân 21 Phản ứng hạt nhân 21 1.1 Định nghĩa 21 1.2 Các loại tương tác hạt nhân .22 1.3 Cơ chế phản ứng hạt nhân .22 Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân 22 Năng lượng phản ứng hạt nhân 23 Vận dụng định luật bảo tồn vào phóng xạ Quy tắc dịch chuyển: 24 4.1 Phóng xạ α 24 4.2 Phóng xạ β .24 4.3 Phóng xạ γ 25 Phản ứng hạt nhân nhân tạo 25 Máy gia tốc 25 6.1 Cyclotron .26 6.2 Máy gia tốc tĩnh điện Van de graaff .28 Neutron 28 Sự phân hạch Urani 30 2.1 Định nghĩa 30 Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 2.2 Đặc điểm 30 2.3 Điều kiện xảy phản ứng dây chuyền 31 2.4 Cơ chế phân hạch 32 Lò phản ứng hạt nhân – Nhà máy điện nguyên tử 32 3.1 Lò phản ứng hạt nhân .32 3.2 Nhà máy điện nguyên tử 33 3.3 Nhà máy điện hạt nhân 34 3.4 Một số ứng dụng y học 34 3.5 Thảm họa bom phân hạch (bom A) 35 VII Phản ứng nhiệt hạch lượng nhiệt hạch .35 Điều kiện thực phản ứng nhiệt hạch 36 Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ 36 Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển 37 Phản ứng nhiệt hạch điều khiển .38 Phương pháp sử dụng thực tế lượng phản ứng nhiệt hạch 39 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO .41 Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng MỞ ĐẦU Hiện nay, đổi phương pháp dạy học phong trào góp phần làm đổi tồn diện giáo dục Việt Nam Trong dạy học Vật lý, đổi phương pháp dạy học yêu cầu cấp thiết Vật lý môn khoa học thực nghiệm, mơn học giúp giải thích tượng vật lý xảy sống thường ngày Thế nhưng, phần lớn học sinh học vật lý để thỏa mãn hiểu biết tượng sống, không cần áp dụng kiến thức vật lý vào sống mà chủ yếu học vật lý để kiểm tra đạt kết cao Vậy làm để kiến thức vật lý trở nên gần gũi, sinh động hứng thú học sinh? Để đạt được điều này cần xuất phát từ kinh nghiệm vốn hiểu biết và nhu cầu nhận thức của học sinh mà tìm cách hình thành kiến thức phù hợp nhằm khơi gợi hứng thú học sinh, đồng thời để đáp ứng mục tiêu của bài học Mục tiêu được cụ thể hóa bằng chuẩn kiến thức và kĩ của bộ môn nhằm giúp học sinh đạt được một hệ thống kiến thức bản phù hợp với những quan điểm hiện đại Đó là những kiến thức bản cần thiết cho việc nhận thức đúng các hiện tượng tự nhiên, cho cuộc sống hằng ngày và cho việc lao động nhiều ngành kĩ thuật Muốn vậy, giáo viên vận dụng thục phương pháp, phương tiện dạy học mà cần phải nắm vững kiến thức sách giáo khoa phải có tầm nhìn sâu rộng vấn đề đó, điều kiện tiên giáo viên để giảng dạy tốt Trong có nhiều tư liệu điện tử, sách tập theo lớp, theo chủ đề, sách tư liệu, mở rộng kiến thức giúp người dạy lẫn người học đọc hiểu hiểu sâu thêm vấn đề trình bày sách giáo khoa vật lý phổ thơng nói chung chương “Hạt nhân ngun tử” nói riêng cịn hạn chế Vì vậy, với mong muốn hiểu sâu sắc kiến thức làm tư liệu tham khảo sau này, chọn đề tài cho học phần Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông: “Nghiên cứu nội dung kiến thức phần: “Hạt nhân nguyên tử” Vật lý 12 THPT” Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng NỘI DUNG A – TỔNG QUAN Hạt nhân nguyên tử chương nghiên cứu cấu tạo tương tác nguyên tử Nhiệm vụ chương chương trình vật lý bậc trung học phổ thơng trình bày cách có hệ thống xác hóa số kiến thức nguyên tử hạt nhân mà học sinh học bậc trung học sở, cụ thể nghiên cứu cấu tạo hạt nhân nguyên tử, định luật phóng xạ định luật bảo tồn phản ứng hạt nhân Do đó, học sinh cần đạt yêu cầu chuẩn kiến thức kĩ sau: * Về mặt kiến thức: - Nêu lực hạt nhân đặc điểm lực hạt nhân - Nêu độ hụt khối hạt nhân viết cơng thức tính độ hụt khối - Nêu lượng liên kết hạt nhân hạt nhân viết công thức tính lượng liên kết hạt nhân - Nêu phản ứng hạt nhân - Phát biểu định luật bảo toàn bảo toàn số khối, bảo toàn điện tích, bảo tồn động lượng bảo tồn lượng toàn phần phản ứng hạt nhân - Nêu tượng phóng xạ - Nêu thành phần chất tia phóng xạ - Phát biểu định luật phóng xạ viết hệ thức định luật - Nêu độ phóng xạ viết cơng thức tính độ phóng xạ - Nêu ứng dụng đồng vị phóng xạ - Nêu phản ứng phân hạch viết phương trình ví dụ phản ứng - Nêu phản ứng dây chuyền điều kiện để phản ứng xảy - Nêu phận nhà máy điện hạt nhân - Nêu phản ứng nhiệt hạch điều kiện để phản ứng xảy - Nêu ưu điểm lượng phản ứng nhiệt hạch toả * Về mặt kĩ năng: - Tính độ hụt khối lượng liên kết hạt nhân - Viết phương trình phản ứng hạt nhân tính lượng toả hay thu vào phản ứng hạt nhân - Vận dụng định luật phóng xạ khái niệm độ phóng xạ để giải tập Sơ đồ cấu trúc chương “Hạt nhân nguyên tử” sau: Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng Hạt nhân nguyên tử Phản ứng hạt nhân Cấu tạo hạt nhân Cấu tạo Đồn g vị Lực hạt nhân Năng lượng liên kết Độ hụt khối Biểu thức Xác định độ hụt khối lượng liên kết Phóng xạ Hiện tượng Tia phóng xạ Khái niệm Định luật Vận dụng định luật phóng xạ độ phóng xạ Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Các ĐLBT PƯHN Năng lượng phản ứng Đồn g vị Viết PTPƯ hạt nhân Tính lượng phản ứng Phản ứng phân hạch Phản ứng nhiệt hạch Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng B – PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC VÀ KĨ NĂNG I Cấu tạo hạt nhân Mở đầu trình bày sơ lược lịch sử hình thành phát triển ngành Vật lý “Hạt nhân nguyên tử” giúp học sinh có nhìn tổng quan trình phát triển tên tuổi nhà khoa học có đóng góp quan trọng Lịch sử phát triển hạt nhân nguyên tử Trong trình tìm hiểu cấu tạo chất, người ta sâu vào phạm vi kích thước ngày nhỏ, nhỏ kích thước phân tử, nguyên tử − Đầu kỉ XIX, nhà bác học Danton để xây dựng giả thuyết nguyên tử để giải thích số q trình hóa học Ơng cho vật chất gồm nguyên tử giống bi hút đẩy − Năm 1895, Rơnghen phát minh xạ mới, có khả xuyên thấu vật chắn sáng ion hóa chất khí Bức xạ gọi tia X − Năm 1897, Thomson tìm electron đo tỉ số e m − Năm 1903, Thomson đưa mơ hình nguyên tử cầu nhỏ mang điện tích dương, bên có chứa electron nằm rải rác chỗ − Năm 1904, Nagaôca đề xuất mẫu nguyên tử khác bao gồm hạt nhân mang điện tích dương electron quay quang hạt nhân đường tròn − Năm 1908, Perrin xác định giá trị số A-vô-ga-đrô, chứng minh tồn nguyên tử − Vào năm 1909 ÷ 1911, Rutherford tìm tồn hạt nhân nguyên tử đề xuất cấu tạo nguyên tử gồm có hạt nhân electron − Năm 1913, Bohr (1885 -1962) đề xuất mẫu giải thích quang phổ ngun tử Hidro − Năm 1920, Rutherford phát hạt nhân hidro hạt nhân nhỏ nhất, hạt nhân chất khác hạt nhân Hidro liên kết tạo thành Ông gọi hạt nhân Hidro proton − Năm 1922, Rutherford tìm hạt neutron − Năm 1929, Pauli phát hạt notrino − Năm 1934, hai vợ chồng Iren Frederic Giolio Curie tạo hạt nhân phóng xạ nhân tạo − Sau Iren Giolio Curie, Maitne, Otto Friso phát phân hạch, phản ứng dây chuyền Từ đó, xây dựng sở khoa học việc giải phóng sử dụng lượng hạt nhân − Tháng năm 1945, Mĩ thả hai bom nguyên tử xuống Hiroshima Nagasaki (Nhật) − Sau chiến tranh giới thứ hai, Mĩ tiếp tục nghiên cứu chế tạo bom khinh khí (bom nhiệt hạch) − Năm 1954, Liên Xô vận hành nhà máy điện nguyên tử nhân loại − Năm 1959, Liên Xô hạ thủy tàu phá băng chạy lượng nguyên tử Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH mơn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 1.1 Mẫu nguyên tử Thomson Joseph John Thomson Tới kỉ XIX quan niệm nguyên tử phần tử cuối không phân li Democritos đề xướng từ kỉ thứ V, trước công ngun khơng thể tồn Bởi từ kiện khám phá hạt electron (1897) cho người ta nhận thấy nguyên tử phải có thành phần cấu trúc định Năm 1903, Thomson, nhà vật lý người Anh, đưa mơ hình ngun tử cụ thể Theo Thomson, ngun tử có dạng hình cầu với kích thước vào bậc Angstron (1Å = 10-10 m) tích điện dương dạng mơi trường đồng chất, cịn elctrron phân bố rải rác đối xứng bên hình cầu đó.(Hình 1.1) Hình 1.1 Điện tích dương mơi trường điện tích âm electron để đảm bảo tính trung hồ điện ngun tử Mơ hình cịn gọi mẫu nguyên tử “bánh hạt nhân” Trong thời gian dài mẫu nguyên tử Thomson hợp lý Nhưng sau kiểm nghiệm lại mẫu cách cho hạt xuyên sâu vào bên hạt nhân kết khác so với đốn nhận lý thuyết theo mẫu Thomson Ngày mẫu nguyên tử Thomson xem biểu tượng nguyên tử mang ý nghĩa lịch sử nhiều ý nghĩa vật lí q đơn giản khơng đủ khả giải thích tính chất phức tạp quang phổ xạ nguyên tử Hidro nguyên tử phức tạp khác 1.2 Mẫu nguyên tử Rutherford Trước năm 1911, nguyên tử cho có cấu trúc tuân theo mơ hình Thomson, gồm hạt tích điện dương đan xen với electron Năm 1909, theo đạo Rutherford, Hans Geiger Ernest Marsden tiến hành thí nghiệm, mà sau gọi thí nghiệm Rutherford, Đại học Manchester Họ chiếu dòng hạt alpha vào vàng mỏng đo số hạt alpha bị phản xạ, truyền qua tán xạ Họ khám phá phần nhỏ hạt alpha phản hồi lại Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng Nếu cấu trúc ngun tử có dạng mơ hình Thomson phản hồi xảy yếu, nguyên tử mơi trường trộn lẫn điện tích âm (của điện tử) điện tích dương (của proton), trung hịa điện tích gần khơng có lực tĩnh điện nguyên tử hạt alpha Năm 1911, Rutherford giải thích kết thí nghiệm, với giả thiết nguyên tử chứa hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé lõi, với điện tử mang điện tích âm khác chuyển động xung quanh quỹ đạo khác nhau, khoảng không Khi đó, hạt alpha nằm bên ngồi ngun tử không chịu lực Coulomb, đến gần hạt nhân mang điện dương lõi bị đẩy hạt nhân hạt alpha tích điện dương Do lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên hạt nhân cần có kích thước nhỏ để đạt lực đẩy lớn khoảng cách nhỏ hạt alpha hạt nhân Mơ hình ngun tử Rutherford mơ hình đề xuất hạt nhân nhỏ bé nằm tâm nguyên tử, coi khai sinh cho khái niệm hạt nhân nguyên tử Sau khám phá này, việc nghiên cứu nguyên tử tách làm hai nhánh, vật lý hạt nhân nghiên cứu hạt nhân nguyên tử, vật lý nguyên tử nghiên cứu cấu trúc cácelectron bay quanh Tuy nhiên, mơ hình Rutherford có cách nhìn cổ điển hạt electron bay quỹ đạo hành tinh bay quanh Mặt Trời; giải thích cấu trúc quỹ đạo electron liên quan đến q trình hóa học; đặc biệt khơng giải thích nguyên tử tồn cân bền electron không bị rơi vào hạt nhân Dù cho khơng xác, mơ hình ngun tử Rutherford thường dùng minh họa phương tiện thông tin đại chúng biểu tượng cho ngun tử Ví dụ mơ hình vẽ cờ Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế Hình 1.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Rutherford Nhìn lại hai mẫu nguyên tử Thomson Rutherford, ta nhận thấy có mặt chưa Trong mẫu nguyên tử Thomson bắt electron “bơi” cầu nhiễm điện dương, mẫu nguyên tử Rutherford bắt electron “quay quanh” hạt nhân không hợp lý Điều chứng tỏ khơng thể áp dụng rập khuôn học cổ điển cho giới nguyên tử Muốn khỏi bế tắc có cách phải từ bỏ phương pháp truyền thống vật lý học cổ điển, sáng tạo lý thuyết Bo (N.Bohr) người theo hướng tìm lý thuyết cho giới vi mô giới nguyên tử Những hạn chế mẫu nguyên tử Rutherford khắc phục mẫu nguyên tử Bo Các nhà vật lí học chưa dừng lại mà tiếp tục sâu vào cấu tạo bên hạt nhân nguyên tử Vấn đề đựơc giải vào năm 1932 James Chadwick tìm hạt neutron Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng Cấu tạo hạt nhân 2.1 Cấu tạo hạt nhân Theo giả thuyết Dmitri Ivanenko - Werner Karl Heisenberg đưa năm 1932 hạt nhân nguyên tử cấu tạo hai loại hạt: + Proton (kí hiệu p): hạt mang điện tích dương trị số tuyệt đối điện tích electron 1,6.10-19C có khối lượng khối lượng hạt nhân hiđrô (m p = 1,67262.10-27kg) + Neutron (kí hiệu n): hạt trung hịa điện, có khối lượng lớn so với khối lượng proton (mn = 1,67493.10-27kg) Thực nghiệm xác nhận giả thuyết Dmitri Ivanenko - Werner Karl Heisenberg đúng, hạt nhân cấu tạo hai loại hạt proton neutron gọi chung nuclon Số proton hạt nhân bằng số thứ tự Z nguyên tử bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev; Z gọi nguyên tử số (còn gọi điện tích hạt nhân, có giá trị số điện tích nguyên tố hạt nhân) Tổng số nuclon hạt nhân gọi số khối lượng (kí hiệu A) Do đó, số neutron hạt nhân N = Z – A Hạt nhân nguyên tử ngun tố hóa học X kí hiệu ZA X (với X tên nguyên tố tương ứng) 2.2 Đồng vị, đồng trọng đồng neutron - Đồng vị: nguyên tử mà hạt nhân chứa số proton Z có số neutron N khác Hiđrơ có ba đồng vị: hiđrơ thường 11H ; Dotri 12 H (hay 12 D ) Triti 13 H (hay 31T ) Số khối A hạt nhân số ngun Ngun tử hiđrơ có số khối nhỏ 1, hạt nhân cấu tạo proton Hạt nhân nguyên tử nhân tạo có số khối lớn lên tới 260 Hạt nhân tự nhiên có số khối lớn Urani (A = 238) Hiện tìm gần 300 đồng vị bền, 60 đồng vị phóng xạ thiên nhiên gần 3000 đồng vị phóng xạ nhân tạo - Đồng trọng: nguyên tử mà hạt nhân có số khối A giống số Z khác (gọi hạt nhân đồng khối lượng) 123 Ví dụ: 1636 S −1836 Ar ,123 51 Sb − 52 Te, cặp hạt nhân đồng khối lượng Hiện tìm 60 cặp hạt nhân đồng khối lượng bền có số khối A chẳn số Z khác hai đơn vị a = 36 cặp đồng khối lượng có A lẻ Z khác 113 123 123 đơn vị: 113 48 Cd − 49 In;54 Sb − 52 Te Ngồi ra, cịn tìm nhóm hạt nhân 50 50 136 136 136 đồng khối lượng như: 50 22 Ti − 23 V − 24 Cr ; 54 Xe − 56 Ba − 58 Ce - Đồng neutron: nguyên tử mà hạt nhân có số neutron N giống (gọi hạt nhân gương) Ví dụ: 13 H − 23He ; 37 Li − 47Be ; 136C −147N ; … cặp hạt nhân gương 2.3 Kích thước hạt nhân Có thể coi hạt nhân nguyên tử cầu bán kính R Người ta thấy rằng, R phụ thuộc số khối theo công thức gần sau: R ≈ 1,3.10−15 A m Việc xác định bán kính nhiều phương pháp thực nghiệm khác Sau vài phương pháp: * Khảo sát tán xạ neutron Người ta bắn phá hạt nhân đạn neutron lượng từ 20 ÷ 50Mev Vì neutron khơng mang điện nên dễ dàng xuyên sâu vào hạt nhân neutron mang Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 10 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng 6.1.2 Chu kì quay hạt Gọi m, e, v khối lượng, điện tích vận tốc hạt Dưới tác dụng lực Loren, hạt chuyển động theo quỹ đạo trịn bán kính r mv mv = evB từ rút bán kính quỹ đạo: r = eB r 2π r 2π m = chu kì quay hạt T = khơng phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo v e.B Do vận tốc hạt Khi vận tốc hạt không lớn lắm, khối lượng hạt coi khơng đổi nên chu kí quay hạt không đổi phù hợp với chu kì điện trường Khi vận tốc hạt lớn gần với vận tốc ánh sáng khối lượng hạt tăng theo công thức Einstein: m= m0 1− v với m0 khối lượng nghỉ hạt c2 Kết chu kì quay hạt thay đổi khơng cịn phù hợp với chu kì điện trường xoay chiều Do Cyclotron không cho phép tăng tốc hạt đến vận tốc lớn Ví dụ: gia tốc hạt proton, dotron tới lượng giới hạn 20 MeV Có hai phương pháp để khắc phục khó khăn này: - Một là, thay đổi từ trường B để m/B không đổi Như vậy, chu kì T hạt khơng đổi Phương pháp dùng máy gia tốc Cyclotron Hai là, thay đổi chu kì T nguồn điện để phù hợp với chu kì quay hạt, phương pháp dùng máy Xyncôphazôtrôn Hiện người ta dùng đồng thời hai phương pháp máy Xyncôphazôtrôn Liên bang Nga viện Dubna Nhờ đạt lượng 10 GeV (1 GeV = 1000 MeV) Máy gia tốc Serpukhov cho phép đạt tới lượng 67 GeV Trong khoảng 20 năm trở lại đây, người ta xây dựng máy gia tốc dựa nguyên tắc mới: Collider chùm hạt gia tốc chuyển động ngược hướng đến va chạm với nhau, nhờ lượng va chạm tăng gấp đôi; Collider lượng hạt gia tốc tới 1012 eV Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 27 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 6.2 Máy gia tốc tĩnh điện Van de graaff Máy gồm hai cầu kim loại lớn đặt hai cột làm chất cách điện; dây cuaroa lụa hay vải giấy quấn quanh hai bánh xe hai đầu cột Phía kim loại nối cầu với dây cuaroa, phía kim loại khác nối dây cuaroa với máy chỉnh lưu máy biến cho điện áp tới hàng chục ngàn vơn Khi cuaroa quay, điện tích từ chỉnh lưu truyền qua kim loại dây cuaroa tới điện cực Nhờ hai cầu tích điện trái dấu hiệu điện chúng tăng tới vài chục triệu vôn Quả cầu kim loại Bánh xe Dây cuaroa Đai nhựa Cấu trúc bên máy phát Vanđegraf Khi hạt tích điện qua từ điện cực tới điện cực kia, hạt có lượng tích hiệu điện với điện tích hạt, lượng hạt từ vài trăm KeV tới vài MeV Tuy nhiên gia tốc hạt tới lượng cao hàng chục MeV hay có tượng điện khơng khí 6.3 Ứng dụng máy gia tốc Các bệnh thường định điều trị máy gia tốc là: U não, Ung thư vòm họng, hạ họng quản, phổi, u trung thất, thực quản, dày, đại trực tràng, tụy, thân tử cung, cổ tử cung, tinh hoàn, tuyến tiền liệt, vú, ung thư hệ tạo huyết u lympho ác tính khơng Hodgkin, bệnh Hodgkin Máy gia tốc tuyến tính VI Phản ứng phân hạch Neutron Năm 1932, James Chadwick, nhà vật lý người Anh, phát neutron giải thích phản ứng hạt nhân dùng chùm hạt α bắn phá hạt nhân bia 49 Be , diễn sau: He + 94 Be →12 C +0 n Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 28 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông Sự phát neutron làm hoàn hảo lý thuyết vế thành phần cấu tạo hạt nhân Vai trò neutron tương đương proton bên hạt nhân với ý nghĩa thành phần hạt nhân Cho tới có nhiều phương pháp để thu neutron Phương pháp đơn giản dùng nguồn Ra – Be, dạng hỗn hợp Các hạt α phóng xạ từ Radi va 12 chạm với Be hỗn hợp tạo thành phản ứng Be ( α , n ) C neutron với 12 dải lượng rộng phát Ngoài phản ứng Be ( α , n ) C cịn có nhiều phản 12 ứng khác sinh neutron Tuy nhiên, phản ứng Be ( α , n ) C tiện lợi có tiết diện hiệu dụng lớn, nên ứng dụng để tạo nguồn neutron nhỏ từ nguồn phóng xạ α Người ta tạo nguồn neutron có độ phóng xạ 107 neutron/s, dùng phịng thí nghiệm để thăm dị phân tích địa chất Phản ứng quang hạt nhân cho ta neutron Neutron tạo tạo từ phản ứng bắn phá hạt nhân bia khác hạt đạn mang điện p, d, tăng tốc nhờ máy gia tốc mạnh Các phản ứng đặc biệt có lợi dùng làm nguồn Neutron, neutron tạo thành trường hợp đơn Một phản ứng điển hình dùng hạt dotron tăng tốc bắn vào bia Triti: H +13 H →10 n + 42 He Đây phản ứng dùng máy phát neutron đại Phản ứng thuộc loại tỏa lượng 17,6 MeV Một cách thu neutron có lượng cao đơn giản cách thực va chạm trực diện proton có lượng cực lớn neutron đơn độc hạt nhân bia Chẳng hạn, người ta cho proton lượng GeV đập vào bia, neutron có lượng bật theo hướng phía trước, proton truyền lượng xung lượng cho neutron Một nguồn tốt cung cấp dịng neutron có mật độ lớn (có thể đạt tới 10 16 hạt /cm2.s) lò phản ứng hạt nhân, hoạt động theo nguyên lý tượng phân hạch * Vai trò neutron Trước tìm thấy neutron, người ta biết sử dụng hạt mang điện (như hạt α) việc thực phản ứng hạt nhân Các hạt mang điện nên chúng chịu lực cản Coulomb tới gần hạt nhân, hạn chế khả xuyên sâu vào bên hạt nhân Với neutron, nhược điểm khắc phục: Vì neutron khơng mang điện nên sâu vào bên hạt nhân cách dễ dàng Sự bắt neutron xảy neutron có lượng bất kỳ, va chạm với hạt nhân Chính thế, sau phát neutron, hàng loạt phản ứng hạt nhân thực hiện, làm xuất vô số đồng vị phóng xạ mở hướng nghiên cứu thực nghiệm, giải nhiều vấn đề lý thuyết cấu trúc hạt nhân Ngày nay, vật lý neutron trở thành chuyên ngành riêng vật lý hạt nhân, điều khẳng định vai trị quan trọng neutron Các phản ứng hạt nhân neutron gây đa dạng, ta quan tâm đến hai loại phản ứng điển hình có tầm quan trọng đặc biệt Phản ứng bắt xạ: Neutron bắn vào hạt nhân bia bị bắt, hạt nhân tạo thành trạng thái kích thích phóng xạ γ Thí dụ: 10 n +1327 Ae → (1328 Al )* →1328 Ae + γ Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 29 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng Thơng thường hạt nhân sản phẩm không bền phân rã β − : 28 13 28 Ae →14 Si →0−1 e + v Neutron gây nhiều phản ứng trên, hạt nhân đồng vị nặng sinh thường đồng vị phóng xạ, hấp thụ (bắt) neutron trở thành phương pháp chủ yếu để thu đồng vị phóng xạ Hạt nhân sản phẩm cịn phóng xạ việc nghiên cứu phân tích phổ lượng đặc trưng, giúp ta phán đoán có mặt ngun tố cần tìm Đó sở phương pháp phân tích kích hạt nhân neutron - phương pháp thực nghiệm vật lý hạt nhân giúp phân tích thành phần tỷ lệ nguyên tố mẫu chưa biết với độ nhạy mức xác cao, vượt xa phương pháp phân tích quen thuộc khác Sự phân hạch Urani Năm 1939, nhà vật lý Đức Hahn Strassman phát rằng, tác 235 dụng neutron chậm, hạt nhân 92U bị thành hai mảnh có khối lượng gần Các mảnh có động lớn đồng vị phóng xạ mạnh Ngồi phản ứng phát vài neutron nữa, gọi neutron thứ cấp (neutron bắn vào hạt nhân gọi neutron sơ cấp) Ơng gọi phân hạch 2.1 Định nghĩa Sự phân hạch tượng hạt nhân (loại nặng) hấp thụ neutron vỡ thành hai hạt nhân trung bình Neutron chậm, có động tương đương với động trung bình chuyển động nhiệt (dưới 0,1 eV) dễ bị hấp thụ neutron nhanh 2.2 Đặc điểm − Trong trình phân hạch, trung bình có từ đến neutron thứ cấp phát Các neutron thứ cấp có lượng từ đến 10 MeV, phần lớn tập trung khoảng → MeV Các mảnh phát trình phân hạch khác Sự vỡ làm hai mảnh có xác suất bé − Các mảnh vỡ nói chung thừa neutron nên chúng khơng bền vững phóng 235 236 * 144 89 − xạ β liên tiếp.Ví dụ: n + 92 U →92 U →56 Ba + 36 Kr + 30 n Hai mảnh vỡ phóng xạ β − liên tiếp: Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 30 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông 144 56 89 36 β− Ba → β− 144 57 β− La → β− 144 59 β− Pr → 144 60 Nd β− Kr → Rb → Sr → 89 39Y 89 37 n + 235 92U → 140 54 94 38 β− Ce → 144 58 β− Xe → β− 89 38 94 U * → 140 54 Xe + 38 Sr + n 236 92 β− Cs → 140 55 140 57 β− La → 140 58 Ce (beàn ) β− 94 Sr → 94 39Y → 40 Br (beàn ) Phản ứng phân hạch tỏa lượng lớn phát số neutron thứ cấp, lớn số neutron sơ cấp Năng lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch vào khoảng 200 MeV Năng lượng phân bố sau: − Động mảnh phân hạch ≈ 170 MeV − Động neutron thứ cấp ≈ MeV − Năng lượng tia β − γ khoảng 15 MeV − Năng lượng v phân rã β − khoảng 10 MeV Sơ đồ phản ứng dây chuyền với 235 U Từ phản ứng phân hạch đầu trên, phản ứng phân hạch khác lại phát triển tiếp tục, số neutron thứ cấp sinh lại bị hạt nhân Urani khác hấp thụ để phân hạch…, toàn nhiên liệu hạt nhân sử dụng hết Chỉ thời gian ngắn, số phản ứng tăng lên theo cấp số nhân lượng tỏa vô lớn Phản ứng tiếp diễn tự trì gọi phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền xảy nhanh (như bom hạt nhân) điều khiển (như lò phản ứng hạt nhân) 2.3 Điều kiện xảy phản ứng dây chuyền Trong thực tế, neutron sinh xảy phân hạch, có nhiều neutron bị mát nhiều nguyên nhân khác Muốn có phản ứng dây chuyền xảy phải xét tới số nhân neutron trung bình k lại sau phân hạch (họi hệ số nhân neutron) − Nếu k < hệ thống gọi hạn, phản ứng dây chuyền không xảy − Nếu k = hệ thống gọi tới hạn: phản ứng dây chuyền tiếp diễn không tăng vọt, lượng tỏa không đổi kiểm sốt Đó chế độ hoạt động lò phản ứng hạt nhân nhà máy điện nguyên tử Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 31 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng − Nếu k > hệ thống gọi vượt hạn: dòng neutron tăng liên tục theo thời gian, không khống chế phản ứng dây chuyền, lượng tỏa có sức tàn phá dội Trường hợp sử dụng để chế tạo bom nguyên tử Số neutron bị mát ngồi so với số neutron sinh nhỏ khối lượng urani lớn Để giảm tối thiểu số neutron mát ngồi nhằm đảm bảo k ≥ khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải đạt giá trị tối thiểu, gọi khối lượng tới hạn mth Với 235U mth = 50 kg, cịn với 210Po mth = kg 2.4 Cơ chế phân hạch Ngay sau phát tượng phân hạch, Bohr John Wheeler phát triển thành mẫu giọt hạt nhân, dựa tương tự hạt nhân giọt chất lỏng tích điện để giải thích đặc điểm chủ yếu trình phân hạch (hình vẽ) Khi hạt nhân nặng (giả sử 235 92 U ) hấp thụ neutron chậm, hình a, neutron rơi vào giếng gắn liền với lực hạt nhân mạnh tác dụng bên hạt nhân chuyển hóa thành hạt nhân trạng thái kích thích Năng lượng kích thích mà neutron chậm đưa vào hạt nhân công cần thiết để bứt neutron khỏi hạt nhân đó, tức lượng liên kết neutron Hình dưới cho thấy hạt nhân giống giọt chất lỏng tích điện dao động mạnh Sớm hay muộn phát triển thành hình thắt cổ chai ngắn bắt đầu tách xa dần thành hai “khối cầu” tích điện Nếu điều kiện thích hợp lực đẩy tĩnh điện hai khối cầu buộc chúng tách xa làm đứt chổ thắt cổ chai Hai mảnh cịn mang số lượng kích thích cịn dư bay xa Các giai đoạn q trình phân hạch Lị phản ứng hạt nhân – Nhà máy điện nguyên tử 3.1 Lò phản ứng hạt nhân Trước hết, điều kiện để phản ứng dây chuyền trì địi hỏi sau hạt nhân Urani bị phân hạch, phải có neutron lại làm phân hạch hạt nhân Trung bình phản ứng phân hạch tạo khoảng 2,5 neutron thứ cấp Vì khơng phép 1,5 neutron bị mất, không phản ứng dây chuyền bị 235 238 dập tắt Các neutron bị mát không gây phân hạch 92U là: bị 92U bắt mà không gây phân hạch, tạp chất hấp thụ rò khỏi lò Để giảm bớt tỷ lệ neutron bị tạp chất hấp thụ, người ta phải tinh chế nguyên liệu để giảm tạp chất đến Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 32 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng mức tối thiểu Cịn để chống thất neutron khỏi lị, người ta bố trí lớp phản xạ neutron bao quanh vùng hoạt động lò Nếu vùng hoạt động lị bé, neutron dễ ngồi, nên kích thước vùng hoạt động lị phải đủ lớn Người ta thấy tốc độ sản sinh neutron tỷ lệ với thể tích lị Trong đó, neutron thứ cấp lại neutron nhanh, với động trung bình tới 1MeV Vì phải làm chậm neutron này; giảm lượng chúng tới giá trị lượng nhiệt Điều thực cách dùng chất làm chậm thích hợp, cho hiệu việc làm chậm neutron va chạm đàn hồi không làm neutron, 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 Khi làm giảm nguồn gốc, làm mát neutron để thực phản ứng phân hạch dẫn tới phản ứng phân hạch khác lị đạt điều kiện “tới hạn” Nếu phản ứng phân hạch tạo phản ứng phân hạch khác, tức phản ứng dây chuyền khơng trì, lị gọi tới hạn Ngược lại, phản ứng gây phản ứng phân hạch khác, lị trạng thái tới hạn: trạng thái này, lượng giái phóng lớn, khoảnh khắc dẫn tới vụ nổ, trường hợp bom nguyên tử Sơ đồ lò phản ứng Để đảm bảo giữ trạng thái tới hạn ổn định lò, người ta sử dụng điều kiển Cadmi (Cd) cắm xen kẽ nhiên liệu Urani Đối với Cd, tiết diện bắt neutron 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 cơng suất lị Việc tái sản suất nhiên liệu phân hạch tính ưu việt có lị phản ứng hạt nhân Có thể nhờ phản ứng hạt nhân để biến hạt nhân không bị phân hạch với neutron chậm, trở thành nhiên liệu phân hạch với neutron chậm Đó phản ứng: n+ 238 92 U→ n+ 232 90 Th → β− U* → 239 93 ( 23 phuùt ) β− Th * → 233 90 239 93 ( 23 phuùt ) β− Np → 233 91 ( 23 ngaøy ) 239 94 β− Pa → ( 27 ngaøy ) Pu 233 92 U Các đồng vị 239Pu 233U hạt nhân phân hạch với neutron nhiệt Lị phản ứng với cơng dụng gọi lò tái sinh 3.2 Nhà máy điện nguyên tử Nhiệt tỏa phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển lị phản ứng hạt nhân, tải ngồi qua phận trao đổi, để đốt nóng Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 33 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng nước làm quay tuabin phát điện Phần lớn nhà máy nguyên tử hoạt động giới dùng lò phản ứng neutron nhiệt, nghĩa lò phản ứng dựa phân hạch tác dụng neutron nhiệt Urani tự nhiên chứa 0,7% 235U 99,3% 238 U 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, cịn sản xuất nhiên liệu hạt nhân 239Pu 235U, dựa theo phản ứng hạt nhân trình bày Chu trình nhiên liệu hạt nhân 3.3 Nhà máy điện hạt nhân Bộ phận nhà máy điện hạt nhân lị phản ứng hạt nhân Chất tải nhiệt sơ cấp, sau chạy qua vùng tâm lò, chảy qua trao đổi nhiệt, cung cấp nhiệt cho lò sinh Hơi nước làm chạy tuabin phát điện giống nhà máy điện thông thường Ở nhà máy điện hạt nhân, nước nặng D 2O chất làm chậm tốt, neutron va chạm vào hạt nhân dotri mau chóng động mà không bị hấp thụ Nếu dùng H2O khơng có lợi neutron bị hấp thụ Vì vậy, nước nặng vật liệu qúy cơng nghệ lượng hạt nhân công nghệ làm bom nguyên tử 3.4 Một số ứng dụng y học Điều trị bệnh da, bệnh tuyến giáp, tìm khối u não, chẩn đốn bệnh thuộc quan nội tạng thận, gan, phổi, hệ tiêu hóa … Sản xuất chất đánh dấu cho nghiên cứu sa bồi, trầm tích, khai thác dầu khí, đánh giá hiệu suất tháp cơng nghiệp hóa chất, dung dịch 131I phóng xạ cho nghiên cứu nước ngầm rò rỉ đập chứa nước, sản xuất nguồn khí 131I, 60Co cho thiết bị đo lường cơng nghiệp Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 34 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng Xạ hình phổi bệnh nhân ung thư phổi trái Ung thư phổi di vào xương Ung thư di vào xương (cột sống, xương sườn, xương sọ, xương chậu) Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân khai thác dầu khí Neutron lị phản ứng kênh thí nghiệm nằm ngang cịn sử dụng để phân tích kích hoạt neutron Đây phương pháp nghiên cứu đa nguyên tố có độ nhạy cao 3.5 Thảm họa bom phân hạch (bom A) Bom A: lấy lượng từ q trình phân hạch (cịn 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 nhiêu liệu dùng trước vũ khí tự phá hủy thân Mỗi phân hạch hạt nhân urani giải phóng lượng 200 MeV; lượng lượng phân bố sau: − Động mảnh 168 MeV γ − Tia (do phân hạch mảnh phân rã) 11 MeV − Các neutron phân hạch MeV − Các hạt β phân rã mảnh MeV − Notrinô phân rã β 11 MeV VII Phản ứng nhiệt hạch lượng nhiệt hạch Ngoài tượng tỏa lượng phá vỡ hạt nhân nặng, cịn có tượng toả lượng kết hợp hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng Thực vậy, kết hợp đồng vị hiđrô để tạo thành hạt nhân Hêli, phản ứng tỏa lượng H +12 H →42 He + n + 17,5MeV H +12 H →42 He + γ + 19,2MeV Li +12 H → 242 He + 22,2MeV Li +12 H → 242 He + n + 15,1MeV Những phản ứng gọi phản ứng kết hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch Năng lượng tỏa gọi lượng nhiệt hạch Năng lượng nhiệt hạch lớn lượng phân hạch nhiều lần Ví dụ: 1kg hỗn hợp đồng vị hiđrô nặng tỏa lượng 9,2.10 Kw.h gấp lần lượng kg U235 tỏa (2,3.107Kw.h) Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 35 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng Điều kiện thực phản ứng nhiệt hạch Vì hạt nhân đồng vị Hidro hạt tích điện dương, nên muốn tạo phản ứng nhiệt hạch, phải cung cấp cho hạt nhân động đủ lớn để vượt hàng rào Coulomb tiến lại gần đến khoảng cách nhỏ 30.10 -15 m Khi lực hạt nhân phát huy tác dụng phản ứng nhiệt hạch xảy Ở khoảng cách đó, tương tác hạt nhân đơtêri là: ( ) e2 1,6.10 −19 Wt = = = 7,7.10−14 J ≈ 0,5MeV 4πε r 4π 8,85.10 −12.3.10−15 Như vậy, muốn đẩy hạt nhân dotron lại gần nhau, cần phải tốn công 7,7.10 14 J Tuy nhiên, cung cho hạt nhân dotron lượng nhỏ 0,5 MeV Chúng xuyên qua hàng rào hiệu ứng đường ngầm muốn chuyển lượng cần thiết cho số lớn hạt nhân dotron cần tạo nên nhiệt độ cao Theo công thức: W = kT 1eV tương đương với lượng chuyển động nhiệt nhiệt độ gần 11.400 K Do đó, muốn cho dotron có lượng 0,5 MeV cần có nhiệt độ xấp xỉ 1010 K Thực cần nhiệt độ 10 K phản ứng nhiệt hạch xảy Nguyên nhân theo định luật phân bố vận tốc Maxwell, nhiệt độ khơng cao có số hạt có lượng trung bình lớn để bảo đảm số phản ứng cần thiết xảy Thành thử muốn thực phản ứng tổng hợp hạt nhân 42 He phải tạo nhiệt độ cao (vì lẽ mà có tên phản ứng nhiệt hạch) Số hạt v Đồ thị phân bố vận tốc Maxwell Ngoài điều kiện nhiệt độ cao, để phản ứng nhiệt hạch xảy mật độ hạt phải đủ lớn thời gian trì nhiệt độ cao phải đủ dài Kết hợp hai điều kiện Lo14 16 sơn chứng minh hệ thức: nτ ≥ (10 ÷ 10 ) s nêu lên điều kiện để xảy cm3 phản ứng nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch vũ trụ Phản ứng nhiệt hạch nguồn lượng Mặt trời Theo Bêtê, phản ứng nhiệt hạch lịng thiên thể xảy theo chu trình sau: 12 13 13 13 + 13 14 C +1 H →7 N + γ ;7 N →6 C + e + ν ;6 C +1 H →7 N + γ 14 15 15 + 15 12 N +11 H →15 O + γ ;8 O →7 N + e + ν ;7 N +1 H →6 C + 2 He Kết hạt nhân hiđro tạo thành hạt nhân Hêli, lượng Cacbon không thay đổi phản ứng xảy hàng chục triệu độ Mỗi hạt nhân Hêli hình thành tỏa lượng 26 MeV hình thành 4g Hêli tỏa lượng 700.000 kWh Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 36 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng He 12 15 N C 13 v γ N e+ e+ Notron v 15 O Protôn 14 N 13 C γ γ Sơ đồ biến đổi hạt nhân theo chu trình Bête Phản ứng nhiệt hạch khơng điều khiển Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ, dùng bom hạt nhân để tạo nhiệt độ đó, phản ứng nhiệt hạch xảy tồn thời gian ngắn (cỡ 10 -6s) tắt hẳn Vì phản ứng nhiệt hạch xảy điều kiện gọi phản ứng nhiệt hạch không điều khiển Dotri Triti Sơ đồ nguyên tắc hoạt động bom nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch khơng điều khiển, thực làm bom khinh khí Nhiên liệu nhiệt hạch Liti Hydrua (LiH) hay Liti nặng Hiđrua LiD trạng thái rắn Nhiên liệu nhiệt hạch dễ sản xuất Li có nhiều thiên nhiên, cịn Dotri lấy nước biển điện phân Nếu bom hạt nhân tương đương 20000 thuốc nổ Trinitronoluen bom khinh khí tương đương với 10 ÷ 20 triệu thuốc nổ Bom H (cịn gọi bom nhiệt hạch hay bom khinh khí) loại bom làm Hidro, mơ q trình giải phóng lượng hạt nhân mặt trời Nguyên tắc hoạt động có nhiều khác biệt so với nguyên lý bom nguyên tử Ở bom nguyên tử (bom A), lượng bùng phát đồng vị nặng Uranium Plutonium phân rã thành đồng vị nhẹ Trong đó, bom nhiệt hạch, lượng xuất từ bùng nổ hạt nhân Hydro chúng chuyển thành Helium Bởi nhiên liệu bom H nhẹ nhiên Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 37 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng liệu bom A nhiều, phản ứng nhiệt hạch có hiệu suất cao hẳn phản ứng nguyên tử, nên bom H có sức cơng phá mạnh nhiều lần bom A Phản ứng nhiệt hạch điều khiển Vì phản ứng tỏa phản ứng nhiệt hạch lớn lượng tỏa phản ứng phân hạch nhiều, nguyên liệu nhiệt hạch coi vơ tận thiên nhiên, nên vấn đề quan trọng đặt làm thực phản ứng nhiệt hạch điều khiển để bảo đảm cung cấp lượng mải cho nhân loại Vấn đề phải giải phản ứng nhiệt hạch thực nhiệt độ cao hàng chục triệu độ thể tích giới hạn chứa đầy Dotri hay hỗn hợp Dotri-Liti Ở nhiệt độ cao chất khí hồn tồn bị ion hóa, nghĩa gồm hạt nhân trần trụi electron tự Trạng thái khối chất gọi plasma Muốn giữ plasma nhiệt độ cao hàng chục triệu độ, phải giữ không cho plasma tiếp xúc với thành bình để tránh trao đổi nhiệt Có thể thực cách nhiệt “hiệu ứng nén” Hiệu ứng tương tác dòng điện với từ trường tạo (giống tương tác hai dòng điện thẳng) Giả sử có chùm hạt tích điện chạy theo chiều Chùm hạt tích điện chuyển động gây chung quanh từ trường tương tự từ trường dòng điện thẳng Theo định luật tương tác từ từ trường tác dụng lên chùm hạt lực vng góc với phương chuyển động chùm hạt hướng từ ngồi vào Kết chùm hạt tích điện bị nén lại không tiếp xúc với thành bình Thành thử từ trường bao quanh plasma có tác dụng làm cách nhiệt plasma, hạt chạy theo bán kính với thành bình bị từ trường tác dụng kéo trở lại Plasma bị giữ từ trường xoắn Muốn nung nóng plasma lên nhiệt độ cao người ta cho phóng qua plasma dịng điện cực mạnh i, cường độ tới triệu Ample Dịng điện đốt nóng plasma tỏa nhiệt Jun – Lentz Mặt khác tác dụng từ lực F gây nén nhanh đoạn nhiệt plasma đốt nóng plasma mạnh nhiệt độ áp suất tăng theo định luật TV = const PV = const V thể tích cột plasma Ngồi cịn dùng phương pháp khác gọi bẫy từ: từ trường có dạng hình bắp, tăng dần theo đường sức hai đầu, nhỏ Các ion chuyển động Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 38 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng bẫy từ nhờ trường điện từ biến thiên chuyển động dọc theo đường sức bẫy từ theo đường xoắn ốc ion khơng chạm vào thành bình Bẫy từ Một tính chất đặc biệt plasma khơng bền vững: cột plasma bị thắt hay uốn cong chỗ tiếp tục thắt lại hay uốn cong bị đứt khúc Để khắc phục tượng đó, người ta phải gây từ trường dọc theo cột plasma Phương pháp sử dụng thực tế lượng phản ứng nhiệt hạch 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 plasma, phản ứng nhiệt hạch xảy tỏa nhiệt Nhiệt độ áp suất tăng, platm dãn ngược với tác nén từ trường Thành thử dãn, lượng plasma lại biến đổi thành lượng từ trường Năng lượng từ trường biến đổi trực tiếp thành lượng điện Một phương pháp khác để nhận lượng nhiệt hạch dùng nhiên liệu Dotri Triti Mỗi lần có phản ứng D + T lại neutron lượng 14,1 MeV; neutron đập vào vỏ ống dẫn nước va chạm đàn hồi chuyển lượng cho Hiđro Nước hấp thụ lượng neutron nóng lên, bốc tải nhiệt vào máy nước Vì Triti vật liệu quý nên phải phục hồi lại Muốn người ta để neutron sinh phản ứng nhiệt hạch đập vào lớp Berili, Chì, Bitmuyt có tính chất gây phản ứng (n, 2n) Nhờ số neutron tăng nhanh 36 Li hấp thụ neutron lại sản xuất Triti (theo phản ứng 36 Li + n →13 T + 42 He ) Kết lị phản ứng nhiệt hạch tái sản xuất nhiên liệu nhiệt hạch (Triti) tương tự lò phản ứng hạt nhân tái sản xuất nhiên liệu phân hạch 239 Pu 233U Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH mơn Vật lý K24 39 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông KẾT LUẬN Học phần “Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thơng” học phần quan trọng chuyên ngành Phương pháp dạy học Vật lí nhằm nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức cách thể nội dung kiến thức sách giáo khoa vật lí phổ thơng Việc nghiên cứu nội dung kiến thức, kĩ chương “Hạt nhân nguyên tử”, cho hiểu sâu sắc kiến thức chương nói riêng Vật lí 12 nói chung để đề phương pháp tiếp cận tri thức phù hợp cho học sinh trình dạy học trường THPT Tiểu luận nghiên cứu, trình bày chi tiết nội dung theo chủ đề với nội dung sau: - Các khái niệm: Lực hạt nhân; Độ hụt khối hạt nhân; Năng lượng liên kết hạt nhân; Độ phóng xạ; Hiện tượng phóng xạ; Phản ứng hạt nhân; Phản ứng phân hạch; Phản ứng nhiệt hạch - Các định luật: Định luật phân rã phóng xạ; Các định luật bảo toàn phản ứng hạt nhân: bảo tồn số điện tích, bảo tồn số khối, bảo toàn lượng, bảo toàn động lượng bảo toàn momen động lượng - Ứng dụng Đồng vị phóng xạ; Phản ứng phân hạch phản ứng nhiệt hạch Do điều kiện thời gian khả tiếp thu vấn đề cần nghiên cứu chưa nhiều, chưa sâu nên chắn cịn có nhiều thiếu sót Rất mong nhận thêm giúp đỡ, bảo thầy góp ý bạn học viên Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 40 Tiểu luận: Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2008), Vật lý 12 ( sách giáo khoa), Nhà xuất Giáo dục Lương Dun Bình (Tổng chủ biên) (2008), Vật lí 12(sách giáo viên), Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thế Khơi (Tổng chủ biên) (2008), Vật lí 12 nâng cao (sách giáo khoa), Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thế Khơi (Tổng chủ biên) (2008), Vật lí 12 nâng cao (sách giáo viên), Nhà xuất giáo dục Lê Cơng Triêm, Nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông(2004), Tài liệu giảng dạy Đại học Huế Nguyễn Trọng Sửu (2008), Hướng dẫn thực chương trình SGK 12 mơn Vật lí, Nhà xuất giáo dục Lê Thanh Bình – Phạm Thị Yến Ly – LL&PPDH môn Vật lý K24 41