Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ Hoàn thành bản luận văn này, tác giả xin trân trọng cảm ơn và ghi nhớ về sự hớng dẫn và giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy giáo ThS. Nguyễn Thành Công. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban chủ nhiệm khoa Vật lý cùng toàn thể các thầy cô trong khoa Vật lý trờng Đại học Vinh, các bạn sinh viên lớp 41A - Lý đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Tác giả 1 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ mở đầu. Năm 1911 Rutherfor là ngời đầu tiên đa ra khái niệm về hạt nhân nguyên tử. Đây là một mốc son mở ra một trang sử mới cho vật lý học và nhận thức của loài ngời về vật chất. Trải qua gần một thế kỷ, có thể nói con ngời đã có một tầm hiểu biết rất lớn về hạt nhân và các tính chất của nó. Hơn thế nữa những ứng dụng to lớn của hạt nhân nguyên tử đã làm nên một cuộc cách mạng, tạo ra một bớc ngoặt trong ngành công nghiệp về năng lợng góp phần nâng cao chất lợng cuộc sống. Tuy nhiên nghiên cứu về hạt nhân đặc biệt là các phản ứng hạt nhân vẫn là vấn đề rất phức tạp và có nhiều thú vị thu hút đ- ợc nhiều sự quan tâm của giới khoa học. Chúng ta biết có rất nhiều loại phản ứng hạt nhân. Trong khuôn khổ luận văn này tôi rất quan tâm đến phản ứng quang hạt nhân một loại phản ứng có phạm vi ứng dụng rộng rãi song cha đợc nghiên cứu một cách đầy đủ trong phạm vi chơng trình cử nhân s phạm. Tìm hiểu phản ứng quang hạt nhân không những cho ta biết thêm về một loại phản ứng mà còn có ý nghĩa rất quan trọng trong việc tìm hiểu cấu tạo hạt nhân, tính chất của hạt nhân và nhiều ứng dụng thực tế. Tính thời sự của đề tài là: Đây là loại phản ứng còn đợc sinh viên s phạm ít biết đến, tài liệu tiếng việt về phản ứng này còn ít nên luận văn sẽ đa đến cho các bạn những hiểu biết thêm về một loại phản ứng hạt nhân. Tính thực tiễn của đề tài là: Thực tế sinh viên còn cha có thời gian tìm hiểu về cơ chế phản ứng hạt nhân trực tiếp và tiết diện phản ứng hạt nhân và đặc biệt là phơng pháp thực hiện một thí nghiệm vật lý hạt nhân bởi vậy đề tài sẽ đi sâu, tìm hiểu về vấn đề này qua những phản ứng quang hạt nhân. Luận văn gồm. Phần mở đầu: Giới thiệu về luận văn. Chơng I: Các đặc trng của hạt nhân nguyên tử. Chơng II: Biến đổi hạt nhân. Chơng III: Các phản ứng hạt nhân. Chơng IV: Phản ứng quang hạt nhân . Kết luận 2 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ Chơng I: Các đặc trng của hạt nhân nguyên tử. I. Cấu trúc hạt nhân. Hạt nhân đợc cấu tạo từ Z Proton và A - Z Nơtron, gọi chung là các nuclon. Đợc ký hiệu: A Z X Vì chỉ có Proton mang điện tích nên điệ tích của hạt nhân là Ze. 1.1. Kích thớc và khối lợng hạt nhân. Chúng ta đã biết rằng hạt nhân nằm ở trung tâm nguyên tử, tập trung hầu hết khối lợng của nguyên tử, nhng lại có kích thớc rất bé so với kích thớc của nguyên tử. 1.1.1. Kích thớc hạt nhân. Việc xác định kích thớc hạt nhân là rất phức tạp và khó khăn. Có nhiều cách để xác định kích thớc hạt nhân khác nhau tuy nhiên các cách này lại đa đến các kết quả khác nhau, chúng chỉ cùng cỡ với nhau mà thôi. Dới đây chúng tôi chỉ trình bày vài ph- ơng pháp điển hình. Phơng pháp thứ nhất: sử dụng công thức của Rutherfor và thí nghiệm của Chadwich dùng chùm ) 4 2 ( He bắn vào hạt nhân có điện tích Ze, thế năng tơng tác là d eZe k 2 trong đó d là khoảng cách, động năng của hạt là 2 2 VM Ta có: 0 2 2 2 d eZe k VM = 1.1 Ta suy ra: d 0 = 2 2 4 VM kZe . 1.2 Mặt khác theo công thức Rutherfor khi bắn chùm lên bia với mật độ dòng N hạt/cm 2 số hạt nhân bị tán xạ là d N trong một góc đặc d 3 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ 2 Sm d VM Ze n N dN 4 2 2 2 = 1.3 Trong đó n là hạt nhân Z trên cm 2 bề mặt, N là số hạt đến tiết diện 1cm 2 bia trong 1s, theo phơng vuông góc với bia. V, M là vận tốc khối lợng của hạt . dN là số hạt Tán xạ trong đó d , là góc bệnh của các hạt so với phơng ban đầu đo đợc dN, n, d , từ đó tìm đợc d 0 . Phơng pháp hai: Phơng pháp tán xạ notron hay electron lên hạt nhân bia. Cũng làm thực nghiệm nhng dùng đạn là hạt notron và hạt electron khi dùng hai hạt này ta lại thu đợc hai kết quả khác nhau. Và sau đây là các kết quả thu đợc từ thực nghiệm. - Hạt nhân có dạng gần hình cầu. - Bán kính chỉ phụ thuộc vào số khối theo công thức: R = r 0 A 1/3 r 0 dao động từ 1,2 ữ 1,5 fm. - Mật độ hạt nhân dồng nhất đối với hầu hết các hạt nhân. n = V A 10 38 nuclơn/cm 3 . Có một số hạt nhân (Ta, Hf, w, th, u) không có dạng hình cầu. 1.1.2. Khối lợng hạt nhân. Đo khối lợng hạt nhân là rất khó bởi nguyên tử còn có các electron, một cánh để đo là làm ion hoá hạt nhân rồi đo khối lợng từ đó rút ra khối lợng hạt nhân điều này đợc thực hiện bằng khối phổ kế, và một số phơng pháp khác. Sau đây là bảng khối lợng của electron, nơtron, proton và một số nguyên tử Hạt Khối lợng nghỉ (kg) Năng lợng E 0 = m 0 c 2 Êlectrôn 9,109 . 10 -31 0,511 Prôtôn 1,673 . 10 -27 938,3 Nơtron 1,675 . 10 -27 938,6 4 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ Z Nguyên tố Kí hiệu Khối lợng nguyên tử A Khối lợng (đvklnt) 1 Hiđrô Đơtêri Triti H D T 1,0079 1 2 3 1,007825 2,014102 3,016050 2 Hêli He 4,0026 3 4 3,016030 4,002603 3 Liti Li 6,939 6 7 6,015125 7,016004 4 Bêrili Be 9,0122 7 9 7,016929 9,012186 5 Bo B 10,811 10 11 10,012939 11,009305 6 Cacbon C 12,0113 12 13 12,000000 13,003354 7 Nitơ N 14,0067 14 15 14,003074 15,003070 8 9 ôxi Fluo O F 15,9994 18,9984 15 * 16 17 18 19 15,999133 15,994915 16,999133 17,999160 18,998405 10 Nêôn Ne 20,183 20 21 22 19,992440 20,993849 21,991385 11 Natri Na 22,9898 23 22,989771 12 Magiê Mg 24,312 24 25 26 23,985042 24,986809 25,982593 13 Nhôm Al 26,9815 27 26,981539 1.2. Lực hạt nhân. Đối với đa số các nguyên tố tồn tại trong tự nhiên hạt nhân là bền vững. Điều đó có nghĩa là các nuclon liên kết với nhau bằng một lực hút rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Các đặc điểm của lực hạt nhân. 5 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ 1. Không phụ thuộc vào điện tích. Các liên kết (n - n); (n - p); (p - p) là hoàn toàn nh nhau. 2. Có tính bão hoà: mỗi nuclon chỉ liên kết với một số nuclon lân cận. 3. Khoảng cách tác dụng: vào khoảng kích thớc hạt nhân (khoảng cách fm.) 4. Cơ chế tơng tác là sự trao đổi pion giữa các nuclon, có 3 loại pion là pion dơng ( + ) pion âm ( ) và pion trung hoà ( 0 ). 1.3. Spin và Mô men từ của hạt nhân. 1.3.1. Spin hạt nhân . Spin của hạt nhân phụ thuộc vào số khối A. chẵn thì Spin nguyên (0 h, 2 h .) A lẻ thì Spin bán nguyên ( h / 2, 3 h / 2 .) hạt nhân có Z = N thì Spin bằng 0 1.3.2 Mô men từ. Proton và nơtron còn đợc đặc trng bởi mô men từ . Các giá trị thực nghiệm. p à = 2,79 hn à ; hnn 913,1 à=à hn à gọi manheton hạt nhân giá trị bé hơn 1836 lần so với manheton Bohr 0 à . Mô men từ của hạt nhân bằng tổng mô men từ của các nuclon, đối với Proton còn kể đến mô men từ của chuyển động quỹ đạo. Hạt nhân có Spin bằng 0 thì mô men từ bằng 0. 1.4. Năng lợng liên kết của hạt nhân. 1.4.1. Độ hụt khối. Ta có khối lợng hạt nhân nhỏ hơn tổng khối lợng của số Proton và số Nơtron, phần nhỏ hơn này gọi là hụt khối M (A,Z) =Zm p + Nm n - M(A,Z) 1.4 Theo công thức AnhStanh khối lợng này tơng ứng với năng lợng. E = mc 2 1.4.2. Năng lợng liên kết hạt nhân. Để tách rời các nuclon ta phải cung cấp một năng lọng E để phá vỡ liên kết và bù vào phần khối lợng bị hụt vì vậy năng lợng này gọi là năng lợng liên kết hạt nhân. 1.4.3. Năng lợng liên kết riêng: 6 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ Là năng lợng liên kết trung bình của các nuclon nó phụ thuộc vào A. A E = 1.5 1.5. Các mẫu hạt nhân. Để giải thích cho các tính chất của hạt nhân ngời ta đã đa ra nhiều mẫu hạt nhân. Dù có tích luỹ đợc nhiều số liệu thực nghiệm tuy nhiên cha xây dựng đợc một mẫu thống nhất giải thích mọi tính chất. Điều này xuất phát từ hai lý do. 1.Cha hiểu rõ bản chất của lực hạt nhân. 2. Rất khó khăn trong việc giải bài toán lợng tử hệ nhiều vật. 1.5.1. Mẫu giọt hạt nhân. Nh đã nói ở trên mật độ hạt nhân là hầu nh giống nhau cho tất cả các hạt nhân có nghĩa là khi tăng A thì mật độ vẫn không thây đổi ngời ta gọi tính không chịu nén của hạt nhân. Mặt khác năng lợng liên kết riêng của hạt nhân là một hằng số tức là có tính bão hoà. Ta nhận thấy rằng giọt lỏng cũng có tính chất tơng tự chính vì điều này mà N. Borh và Frenen đã đa ra mẫu giọt hạt nhân. với mẫu này đã thu đợc những thành công nhất định trong việc thiết lập đợc công thức bán thực nghiệm đo khối lợng và năng lợng liên kết của hạt nhân. tuy nhiên nhiều tính chất của hạt nhân không thể giải thích đợc bằng mẫu giọt nh Spin của hạt nhân, các trạng thái kích thích, sự tồn tại của các đồng phânnên phải đa ra một mẫu khác để giải thích cho các hiện tợng này đó là mẫu lớp. 1.5.2. Mẫu lớp. Dựa vào tính chất của hạt nhân magic ngời ta đa ra mẫu lớp. các hạt nhân magic lặp lại tuần hoàn với các số magic của proton 2, 8, 20, 50, 82 và các số magic của notron 2, 8, 20, 50, 82 và 126 ta thấy tính chất hoá học lặp lại theo giá trị tăng của Z còn hạt nhân có tính chất gặp lại theo giá trị tăng của A. Theo mẫu lớp các nuclon trong hạt nhân nhóm thành các lớp. Trên một lớp chỉ có một số nhất định các nuclon, các lớp nuclon đợc lấp đầy dần và tính chất magic đợc thể hiện khi lớp ngoài cùng đợc lấp đầy. 7 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ Ngoài ra còn nhiều mẫu khác nh mẫu mở rộng (kết hợp lớp và mẫu giọt) mẫu một hạt của hạt nhân biến dạng .trong khuôn khổ luận văn không trình bày. Các mẫu này đ- ợc viết kỹ trong. [8] Chơng II: Biến đổi hạt nhân. Trong tự nhiên tồn tại hai loại hạt nhân là hạt nhân không bền và hạt nhân bền. Hạt nhân không bền tự động biến đổi còn hạt nhân bền muốn biến đổi chúng phải tác 8 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ động vào chúng một cách thích hợp. Do đó tồn tại hai dạng của biến đổi hạt nhân là biến đổi tự nhiên và biến đổi nhân tạo. 2.1. Biến đổi tự nhiên của hạt nhân - phân rã phóng xạ. Hạt nhân tự động phát ra một hạt và biến đổi thành hạt khác gọi là sự phân rã phóng xạ các hạt sản phẩm của hiện tơng phân rã phóng xạ gồm hạt anpha ( ) hạt eta ( ) và tia gamma. 2.1.1. Định luật phóng xạ. Các hiện tợng phóng xạ đều tuân theo, định luật phân rã phóng xạ có công thức. N t = N 0 exp (- t ) 2.1 N t : Số hạt nhân còn lại sau thời gian t N o : Số hạt nhân ban đầu. : Hằng số phóng xạ phụ thuộc vào từng loại hạt nhân phóng xạ. Chú ý rằng định luật phóng xạ là một định luật thống kê. Để đặc trng cho tôc độ phản ứng ngời ta đa ra các khái niệm chu kỳ bán rã (T) và thời gian sống trung bình ( ) với: và 2ln T = 2ln T1 = = 2.2 Định luật phân rã phóng xạ có thể viết. t. T 2ln expNNt 0 = 2.3 Để đặc trng cho mức độ phóng xạ tại một thời điểm ngời ta đa ra khái niệm độ phóng xạ. H = t t N dt dN = 2.4 2.1.2. Phân rã gamma. Ta đã nói ở trên tia gamma là một photon có năng lợng cao. Các hạt nhân có trạng thái kích thích khi chuyển về mức thấp hơn sẽ phát ra một photon. Photon này chính là 9 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ tia gama các photon trong phổ gamma phát ra có dạng gián đoạn bởi vậy hạt nhân có mức năng lợng gián đoạn. Năng lợng của mỗi photon là: h lm EE = Năng lợng này có thể từ hàng chục Kev đến nhiều Mev. Chính vì tính chất nh vậy nên ta biết đợc hạt nhân con trong phân rã gamma chính là hạt nhân mẹ có mức năng lợng thấp hơn. Chu kỳ bán rã của phân rã gamma rất nhỏ vào cỡ 10 -14 s nên không thể đo đợc, cũng có một số hạt nhân phân rã gamma có chu kỳ bán rã đo đợc gọi là izome. Ký hiệu phân rã gamma là: ( ) + XX A Z * A Z 2.5 gamma là photon nên nó không mang điện và khối lợng nghĩ bằng 0. 2.1.3. Phân rã Anpha. Nh đã nói ở trên hạt chính là hạt hêli quá trình phân rã hạt nhân mẹ P phát ra một hạt tạo thành hạt nhân con D trong quá trình này hạt P mất đi hai Prôton và hai Nơtron bởi vậy hai hạt P và D là hoàn toàn khác nhau. Ký hiệu của phân rã là: HeDP 4 2 4A 2Z A Z + 2.6 2.1.4. Phân rã Beta, Nơtrinô. Quá trình phân rã Beta diện tích hạt nhân là Ze sẽ thay đổi một đơn vị nhng số nuclon thì không đổi quá trình này hạt nhân hoặc là phát ra một electron (phân rã ) hoặc là phát ra mọt itonpo (phân rã + ) hoặc bắt một electron ở lớp vỏ nguyên tử (Bắt K) trong các quá trình đó một photon biến đổi thành một nơtrino (D). Nơtrino các tính chất sau: diện tích bằng không khối lợng nghĩ bằng không, Spin bằng 1/2, vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Việc phát ra hạt nơtrino đã đảm bảo tính đúng đắn của các định luật, định luật bảo toàn năng lợng, định luật bảo toàn động lợng. Các ký hiệu của phân rã Beta. Phân rã Beta trừ: 10 . III: Các phản ứng hạt nhân. Chơng IV: Phản ứng quang hạt nhân . Kết luận 2 Phản ứng quang hạt nhân Nguyễn Văn Thọ Chơng I: Các đặc trng của hạt nhân nguyên. trăm Mev bắn vào hạt nhân, hạt nhân hấp thụ và phát ra proton, nơtron hay các hạt khác gọi là phản ứng quang hạt nhân. Các phản ứng quang hạt nhân đợc quan