Chương HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 2.1 Cấu trúctìm hạtranhân Năm 1909 Rutherford proton năm 1911 ông đưa mẫu hành tinh nguyên tử Khi quan sát tán xạ hạt ỏ qua vàng mỏng, ông khám phá rằng: toàn điện tích dương nguyên tố toàn khối lượng nguyên tử tập trung vùng nhỏ tâm nguyên tử gọi hạt nhân nguyên tử, điện tử quay xung quanh theo quỹ đạo xác định Sau Chadwick khám phá nơtron năm 1932, Ivanenko dựa hệ thức bất định Heisenberg, vào năm 1934 xác định mẫu hạt nhân gồm hai loại hạt proton notron, có tên gọi chung nuclon Notron Proton Electron James Chadwick Heisenberg Werner Hình ảnh nhà máy điện nguyên tử Proton hạt mang điện tích dương, trị số điện tích electron e = 1,6.10-19C, có khối lượng mp = 1,6724.10-27 kg Nơtron hạt trung hoà điện, có khối lượng lớn khối lượng proton chút, cụ thể mn=1,6748.10-27 kg Thể tích hạt nhân nguyên tử vào khoảng 10-14 thể tích nguyên tử, khối lượng electron nhỏ: me = 9,1095.10-31 kg nên khối lượng nguyên tử lại chủ yếu tập trung hạt nhân nguyên tử n hâ tn Hạ n ệ i Đ t Số proton hạt nhân số thứ tự Z nguyên tử hệ thống tuần hoàn Menđeleev Notron Proton Electron Z gọi số điện tích hay nguyên tử số A tổng số nuclon hạt nhân gọi số khối lượng Như vậy: A = Z + N N số nơtron Hạt nhân nguyên tử ký hiệu ZXA, X ký hiệu tên nguyên tử tương ứng Ví dụ hạt nhân liti: 3Li7 có proton nơtron Mẫu cấu tạo nguyên tử gọi mẫu hành tinh nguyên tử 2.2 Sự tương tác proton nơtron Sự tương tác proton nơtron tuân theo trao đổi hạt mezon Có ba loại hạt mezon là: é+ có điện tích điện tích proton, é- có điện tích điện tích electron é0 hạt không mang điện Khối lượng ba hạt cỡ 200 - 300 lần khối lượng electron tức khoảng 0,25.10-27kg Sụ tương tác proton nơtron thực cách trao đổi mezon mô tả Proton nhả é+ thành nơtron: p é+ Proton hấp thu é- thành nơtron: p + éProton cho é0 proton khác: p Nơtron nhả é- thành proton: n éhấp thụ é+ thành proton: n + é+ p Nơtron cho é0 nơtron khác: n n n é0, + p p Nơtron é0, n MEZON-loại hạt sơ cấp không bền Có loại mezon: mezon muy, mezon pi mezon k Các mezon tạo thành từ cặp quac phản quac Mezon ƒđ Powell tìm thấy vào năm 1947 Theo hệ thức bất định lượng ta có: −34 h 1,05.10 − 23 ∆E.∆t ≥ h → ∆t ≥ = = 0,466.10 s − 27 16 m X C 0,25.10 9.10 đó: h số Planck ∆t thời gian sống hạt mezon Trong thời gian sống hạt mezon đoạn: L = 0,466.10-23(s)3.108(m/s) = 1,399.10-15m Giá trị gần bán kính hạt nhân, L gọi bán kính điện xác định miền bị chắn hạt điện tích hạt nhân 2.3 Đồng vị nguyên tố Đồng vị nguyên tử nguyên tố hóa học có khối lượng khác Hạt nhân đồng vị có số proton Z có số nơtron N khác Ví dụ: hyđro có ba đồng vị là: 1H1, 1D2, 1T3 Các hạt nhân ba đồng vị hyđro có proton hyđro thường 1H1 có nơtron, đơteri 1D2 có nơtron triti 1T3 có nơtron Cácbon có bẩy đồng vị là: 6C10(T1/2=19,1s), 6C11 (T1/2=20,4phỳt), 6C12(98,892%), 6C13 (1,108%), 6C14 (T1/2=5600năm) , 6C15 (T1/2=2,25s) 6C16 Đồng vị phóng xạ đồng vị không bền vững nguyên tố có tính phóng xạ Trong thiên nhiên có chừng 50 đồng vị phóng xạ tự nhiên nằm họ phóng xạ, mà đồng vị khởi đầu hạt nhân U235, U238, Th232 Np237 có chu kỳ bán rã lớn tận hạt nhân bền Pb206, Pb207, Pb298 Bi209 Ngoài người ta tạo hàng nghìn đồng vị phóng xạ phản ứng hạt nhân Trong hạt nhân thường gặp loại phân rã sau đây: Phân rã alpha α: tượng hạt nhân tự tách hạt alpha Đó hạt nhân hêli gồm nơtron hai proton Một số hạt nhân nặng (thuộc nhóm siêu urani) có tính phóng xạ alpha Phân rã bêta β: phân rã bêta có hai loại β- β+ + Phân rã β- tượng hạt nhân tự phóng hạt (còn gọi tia) electron e- có điện tích âm Đó biến đổi hạt nhân lòng hạt nhân nguyên tử nơtron biến thành proton theo phản ứng: 0n1 → +1p1 + -1e0 + oνo (2.19) + Phân rã β+ tượng hạt nhân tự phóng hạt (1 tia) positron e+ có điện tích dương Đó biến đổi hạt nhân lòng hạt nhân nguyên tử proton biến thành nơtron theo phản ứng +1p1 → 0n1 + -1eo + oνo Dĩ nhiên sau hai loại phân rã hạt nhân biến thành hạt nhân khác Phân rã gamma γ: tượng hạt nhân tự phát tia gama (một chùm photon) có lượng xác định (tần số xác định) hạt nhân chuyển mức lượng chịu tác nhân Các phân rã hạt nhân kể phóng xạ tự nhiên 2.9 Phản ứng dây chuyền điều kiện trì phản ứng dây chuyền 2.9.1 Phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền phản ứng xảy hệ mà hạt sau gây phản ứng, lại xuất kết phản ứng, hạt vừa xuất sau thời gian lại gây phản ứng khác giống phản ứng trước phản ứng hạt ban đầu gây tiếp diễn Ví dụ xét tương tác nơtron với hạt nhân berili Be9: n + Be9 → α + 2n (2.31) Sau phản ứng xuất hai hạt α hai nơtron Hai hạt nơtron xuất sau lại gây phản ứng tương tự Be9 Như vậy, ta có phản ứng dây chuyền loại (n, 2n) với Be Phản ứng phát năm 1939 Tuy nhiên, điều kiện để phản ứng xảy phải tốn số lượng lợi mặt lượng: lượng + n + 4Be9 → α + 2n Sau ta quan tâm tới phản ứng dây chuyền sinh nhiệt Những phản ứng dây chuyền xảy có toả lượng đủ lớn không cần phải có nguồn lượng gọi phản ứng 2.9.2 Phản ứng dây chuyền nơtron gây Sự phân hạch xảy tự phát tác dụng nơtron Hiện tượng phân hạch tự phát xảy Thông thường, người ta quan sát thấy tượng phân hạch tác dụng nơtron Thí dụ, phản ứng xảy 92U235 là: 0n1 + 92U235 → 54Xe139 + 38Sr95 + 20n1 Khi phân hạch, khối lượng mảnh vỡ Thí dụ bắn nơtron chậm vào nhân 92U235, vỡ thành hai mảnh M N có khối lượng khác giải phóng từ hai đến ba nơtron Cụ thể từ công thức 2.35, ta thấy hai mảnh M(54Xe139 ) N(38Sr95) có khối lượng khác Xác suất (%) mảnh vỡ với khối lượng khác xuất phân chia hạt nhân 92U235 Đường cong đối xứng với cực tiểu nằm suy rằng, xác suất để nhân 92U235 tách thành hai mảnh M=Từ 118≈A/2 nhỏ xác suất để tách thành mảnh có khối lượng khác Xác suất để hạt nhân tách thành hai mảnh có khối lượng khác nhiều (160 76) không xảy Xác suất cực đại M=90 N=140 , phù hợp với lý thuyết M Tuy nhiên để có nơtron ban đầu để gây phản ứng dây chuyền U235 người ta phải dùng phản ứng mồi để phát nơtron, ký hiệu (γ, n) hạt tới lượng tử γ hạt phát phản ứng nơtron Dưới tác dụng xạ γ chất phóng xạ tự nhiên (thí dụ nguyên tố radi 88Ra226) lên nguyên tố dùng làm bia berili đơteri xảy hai trình sau đây: 0γ0 +4Be9 → 4Be8 + 0n1 (2.36) 0γ1+ 1H2 → 1H1 + 0n1 (2.37) Hai phản ứng thường dùng để mồi cho lò 2.9.3 Điều kiện trì phản ứng dây chuyền Ta biết lò phản ứng chạy urani 235 phản ứng hạt nhân xảy lò là: 0n1 + 92U235 → A + B + νn' Trong A B hai hạt nhân nhẹ U235 (bằng nửa U235) gọi mảnh phân hạch, νn' số nơtron phát phân hạch hạt nhân, ν phụ thuộc vào lượng nơtron đến mà phụ thuộc mạnh vào nhiên liệu phân hạch Đối với U235 nơtron nơtron nhiệt ν ≈ 2,5 Ngoài ra, phản ứng quan trọng cạnh tranh mạnh với phản ứng phản ứng bắt nơtron để xạ u h c phản ứng dây chuyền n ề y ph y â ản d g ứn ứn nd dây chuyền phản ứảgng h p ây ch uy ền Phản ứng dây chuyền lò phản ứng xảy nơtron số ν nơtron phát phân hạch lại bị hấp thụ hạt nhân phân hạch khác gây phản ứng phân hạch Để lò đạt trạng thái tới hạn tức trạng thái mà phản ứng dây chuyền tự trì, phải có cân xác số nơtron số nơtron xuất phân hạch Trong số nơtron bị phải kể đến nơtron gây phản ứng phân hạch bị bắt để gây phản ứng xạ mà phải kể đến nơtron bị hấp thụ hạt nhân nguyên tố khác có mặt lò (các vật liệu xây dựng, chất tải nhiệt, chất làm chậm ) nơtron rò khỏi lò Cho nên nhiệm vụ người thiết kế lò phải xác định kích thước thành phần hệ lò để đảm bảo điều kiện tới hạn cho lò nơtron phát phản ứng phân hạch lại có lượng cao nhiều(cỡ MeV) nơtron phản ứng với hạt nhân U235 gây phân hạch ta phải đưa thêm vào thành phần lò chất làm chậm Sau sinh ra, nơtron bị lượng chủ yếu nhờ va chạm đàn hồi với nguyên tử chất làm chậm Người ta thường chọn nguyên tố nhẹ hyđrô, đơteri, berili graphit làm chất làm chậm va chạm đàn hồi phần lượng mà nơtron truyền cho hạt nhân nhẹ nhiều phần lượng mà truyền cho hạt nhân nặng nên tốc độ nơtron bị chậm nhiều 2.9.4 Phản ứng dây chuyền không điều khiển Muốn phản ứng dây chuyền xảy điều kiện cần thiết hạt nhân vỡ, phải phát số nơtron Những nơtron lại bắn phá hạt nhân khác gần phản ứng tiếp diễn thành dây chuyền Muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới hệ số nhân nơtron k hệ Hệ số nhân nơtron k tỷ số số nơtron sinh số nơtron mát nguyên nhân khác Nếu k nhỏ đơn vị (k < 1) phản ứng dây chuyền xảy Nếu k đơn vị (k = 1) phản ứng dây chuyền xảy với mật độ nơtron không đổi Đó phản ứng dây chuyền điều khiển thử môi trường đồng nhất, nồng độ U236 lớn phản ứng dây chuyền xảy Trái lại với khối lượng U235 đủ lớn phản ứng dây chuyền tự phát xảy sau thời gian ngắn toả nhiệt lượng lớn Ta gọi khối lượng tối thiểu urani để xảy phản ứng dây chuyền tự phát khối lượng tới hạn (đối với U235 nguyên chất 1kg, Plutôni Pu239 nguyên chất 1,235kg) Nhiệt toả tương đương lượng làm nổ 25.000 thuốc nổ TNT Thành phản xạ nơtron Chất nổ phụ Ngòi nổ Chốt an toàn Lỗ hở thoát khí Khối Urani Sơ đồ nguyên lý bom nguyên tử Nguyên lý bom nguyên tử: Người ta dùng hai mảnh U235 khối lượng nhỏ 1kg đặt cách xa Dùng thuốc nổ phụ đẩy hai mảnh dính liền nhau, khối lượng lớn mức tới hạn Kết xảy vụ nổ nguyên tử Trong thực tế khó có U235 nguyên chất nên khối lượng tới hạn lớn 1kg nhiều Hình vẽ cho ta sơ đồ nguyên lý bom nguyên tử 2.9.5 Sự làm chậm nơtron va chạm Mỗi nơtron va chạm vào hạt nhân nơtron lượng phải chuyển phần động cho hạt nhân Lý thuyết tính lượng nơtron tán xạ góc θ sau va chạm đàn hồi với hạt nhân cố định có số khối A tuân theo hệ thức: A + + A cos θ Eθ = E ( A + 1) E0 lượng nơtron trước va chạm Từ tính số lần va chạm cần thiết