Luận văn Vật lý hạt nhân

Luận văn Vật lý hạt nhân HÀ MẠNH KHƯƠNG Phần I: Phát hiện ra hạt nhân nguyên tử Đầu thế kỉ XIX, cấu trúc nguyên tử mới chỉ biết đến là quả cầu gồm các electron mang điện âm và các điện tích dương phân bố liên tục trong quả cầu tạo thành nguyên tử chung hoà về điện. (Mẫu Thomson 1897). Tuy nhiên không ai biết phần điện tích dương đó như thế nào? Nămn 1911, xuất phát từ thí nghiệm tán xạ hạt α: Mâu thuẫn với mấu Thomson ở chỗ khi rọi chùm hạt α vào lá kim loại mỏng( Au) thì phần lớn các hạt α bị lệch dưới những góc bé nhưng có một số hạt bị lệch hẳn khỏi phương quỹ đạo, thậm chí còn bị bật lùi trở lại. Điều này chỉ có thể giải thích được khi chấp nhận trong nguyên tử có một điẹn trường rất mạnh sinh ra bởi điện tích dươngtập trung trong một thể tích nhỏ và có khối lượng lớn. rutherford gọi đó là hạt nhân nguyên tử. Phần II: Cấu trúc hạt nhân I. Các đặc trưng cơ bản của hạt nhân. 1. Điện tích hạt nhân. q = +Ze ( e = 1,6.10-19C) Trong nguyên tử: Số đơn vị điện tích hạt nhân Z = số proton = số electron 2. Khối lượng hạt nhân (mhn) Ta có : hn nt e hn em m m m Zm    trong đ ó: 0,0005485( ) 1,007276( ) e p m u m u    Do đó electron có khối lượng rất nhỏ ( em ~ 5,5.10 -4u) nên trong nhiều tính toán người ta coi hnm ~ ntm Đơn vị u 1 12  khối lượng của nguyên tử 12C 24 271 12. ( ) 1,66055.10 ( ) 1,66.10 ( ) 12 A g g kg N     AN là số nguyên tử chứa trong 0,012kg 12C Người ta có thể đo được khối lượng hạt nhân bằng khối phổ kế và kĩ thuật phản ứng hạt nhân hiện đại. + Người ta tìm ra những chất có cùng nguyên tử số Z nhưng lại có khối lượng hạt nhân khác nhau. Những chất đó có hoá tính giống nhau và gọi là đồng vị, vì chúng có chung một vị trs trên bảng tuần hoàn mendelêv Ví dụ: Hidro (H) có 3 đồng vị: hidro thưưòng (H), đêtơri (D) và triti (T) 3. Kích thước hạt nhân Từ thí nghiệm của Rutherford ta rút ra hạt nhân nguyên tử có dạng hình cầu có bán kính R ~ 10-15m = 1 fm (fecmi) Từ các thí nghiệm khác người ta đã tính toán được bán kính trung bình của hạt nhân cho bởi 1 3 0R R A với 0 1,2 1, 4( )R fm  , A là số khối của hạt nhân 4. Spin hạt nhân Hạt nhân có hai thành phần cơ bản là Proton và Notron, gọi chung là nucleon. Mỗi nucleon có tính chất quay xung quanh trục của mình và tính chất này được biểu hiện qua số lượng tử spin khác nhau. Spin hạt nhân sẽ phụ thuộc vào số nucleon A: + A chẵn: hạt nhân có spin nguyên j = 0,1,2,3…. , hạt là bodon. + A lẻ : hạt nhân có spin bán nguyên j = 1/2, 3/2 …, hạt nhân là fecmion. j gọi là số lượng tử spin toàn phần của hạt nhân 5. Mô men từ hạt nhân + Mô men từ hạt nhân do mô men từ của các nuclon tạo thành. + Nhiều nuclon có mô men xung lượng hạt nhân riêng và gắn liền với nó có cả mô men từ hạt nhân riêng. Mặc dù mô men xung lượng hạt nhân có độ lớn cỡ mô men xung lượng của các electron trong nguyên tử, nhưng mô men từ hạt nhân nhỏ hơn mô men từ điển hình của các nguyên tố cỡ 1000 lần. + Mô men từ hạt nhân có thể tính theo công thức: Tên hạt Spin µn proton 1/2 2..97 notron 1/2 -1.91 H 1/2 2.79 2D 1 0.86 3He 1/2 -2.13 Al27 1/2 3.65 + Đơn vị của mô men từ manheton hạt nhân e h 275,05.10 / 2 J T m  0 hoặc (A.m 2) Bảng giá trípin và momen từ của một số hạt nhân: II. Cấu tạo hạt nhân. 1. Thành phần hạt nhân Hạt nhân có cấu tạo riêng qua các hiện tượng phóng xạ và các phản ứng hạt nhân đã chứng tỏ hạt nhân được cấu tạo từ hạt nhỏ hơn gọi là các nucleon. Nucleon bao gồm hai loại proton mang điện dương và nơtron không mang điện. Các đặc trưng cơ bản của chúng được cho trong bảng sau. prôtôn Notron điện tích 1,6x10-19C 0 1,67252x10-27kg 1,67482x10-27kg 938,256Mev 939,550Mev khối lượng nguyên tử 1,007277u 1,008665u Spin 1/2 1/2 Mômen từ riêng + 2,7928 n - 1,9128 n Thời gian sống ~∞ 889 s Mô men lưỡng cực điện -4. 10-23 e cm 1.2.10-25 e cm Như vậy mỗi prôton và nơtron cũng có mô men từ riêng nhưng rất nhỏ ( nhỏ hơn hàng nghìn lần mô men từ của electron). Đáng chú ý là nơtron không mang điện tích nhưng vẫn có mô men từ do cấu trúc bên trong của hạt. Nếu một nguyên tố có số thứ tự Z trong bảng HTTH Z là nguyên tử số thì nguyên tử của nó có Z proton và N nơtron ( thường N  Z) Tổng số nucleon : A = Z + N gọi là số khối hay khối lượng số ( do đó khối lượng của hạt nhân xấp xỉ bằng Au) Kí hiệu : A Z X N 1/2 -1.91 Si29 1/2 -0.55 Ag108 1/2 -0.13 K40 4 -1.30 Trong đó: + A là sồ khối + Z số proton hay STT trong BHTTH 2. Độ hụt khối. Năng lượng liên kết hạt nhân. Hạt nhân được cấu tạo bằng các nucleon. Có một điều đặc sắc là tổng khối lượng của nuclon này khi chưa liên kết lại lớn hơn khối lượng của hạt nhân được cấu tạo bởi chính các nuclon đó. Khối lượng giảm này gọi là độ hụt khối và nó liên quan đến mức độ bền vững của hạt nhân. a) Độ hụt khối Giả sử có Z proton và N nơtron lúc đầu chưa liên kết với nhau và đứng yên. Tổng khối lượng của chúng: 0 p nm Zm Nm  Nhận xét: m < 0nucleonm m Đại lượng: ( )nucleon p nm m m Zm Nm m      ( )p nm Zm A Z m m       m gọi là độ hụt khối b) Năng lượng liên kết Định nghĩa: Năng lượng liên kết hạt nhân là năng lương cần thiết để tách hạt nhân thành các nucleon riêng biệt. Theo thuyết tương đối ban đầu hệ có năng lượng 2 0m c lớn hơn 2m c của hạt nhân tạo thành. Theo đinh luật bảo toàn năng lượng thì phải có 1 năng lượng toả ra: 2 2 2 0 0 0( )E E E m c mc m m c       Đại lượng E = m 2c là năng lượng liên kết hạt nhân c) Năng lượng liên kết riêng: Để so sánh độ bền vững của hạt nhân người ta dùng khái niệm năng lượng liên kết riêng E A    Ý nghĩa : Đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân: hạt nhân có năng lượng liên kết càng lớn thì càng bền vững. + Với hạt nhân nhẹ, năng lượng liên kết riêng tăng nhanh từ 1,1Mev 2 1( )H và đạt tới giá trị 7Mev ( 4 2 He ) + Với hạt nhân trung bình ( A = 40 –> 140) năng lương liên kêt riêng có giá trị lớn nhất từ 8 Mev đến 8,6Mev. Điều này giải thích tại sao các hạt nhân trung bình lại bền vững nhất + Với hạt nhân nặng ( A = 140 -> 240) năng lượng liên kết riêng giảm rất chậm từ 8 - > 7 Mev Giải thích: Hầu hết các hạt nhân có năng lượng liên kết riêng vào cỡ 7 -> 8Mev nên có thể có giá trị trong khoảng đó là không đổi và gọi là giá trị bão hoà. Sở dĩ có giá trị bão hoà như vậy là do lực hạt nhân có tính chất tác dụng ngắn và các nucleon chỉ tác dụng với các nucleon bên cạnh Với hạt nhân nhẹ năng lượng liên kết riêng tăng nhanh vì lực hạt nhân chưa đạt giá trị bão hoà. Với hạt nhân nặng năng lượng liên kết riêng lại giảm châm đó là do số hạt proton tăng lên và năng lượng tương tác đẩy culông tăng lên, do đó làm giảm năng lượng liên kết. Vì giá trị 8Mev  nên cường độ tương tác hạt nhân là cực kì lớn. Ví dụ: đối với 4 2 He thì 7Mev  giá trị này lớn hơn rất nhiều năng lượng đẩy culông giữa 2 prôton trong hạt nhân này 2 10 2 13 6 (4,8.10 ) 0,7 2.10 1,6.10colomb eV Mev r x      Thật vậy Như vậy lực hạt nhân lớn hơn lực tương tác điện từ khoảng 102 đến 103 lần. Điều này cho phép hai proton trong hạt nhân liên kết chặt chẽ với nhau. 3. Các mức năng lượng hạt nhân. Hạt nhân cũng có những mức năng lượng như nguyên tử. Tuy nhiên các mức năng lượng của hạt nhân ở mức MeV. Khi hạt nhân chuyển từ mức năng lượng này tới mức năng lượng khác thấp hơn thì bức xạ ra photon thường trong vùng phổ tia gamma. H47- 6 CSVL -363 ảnh 47-7 CSVL 364 4. Lực hạt nhân. a) Định nghĩa: Lực hạt nhân là lực liên kết các nucleon trong hạt nhân nó là loại lực tương tác mạnh b) Bản chất: + Lực hạt nhân về căn bản là lực hút rất mạnh do đó đã gây nên năng lượng liên kết lớn của nuleon trong hạt nhân. Tuy nhiên ở khoảng cách r  0,5.10-15 thì chúng laị đẩy nhau. + Lực hạt nhân không thuộc các loại lực đã biết ( lực hấp dẫn, lực điện). + lực hạt nhân là lực mạnh nhất trong tự nhiên cho đến nay. + Lực hạt nhân không phụ thuộc vào các nucleon, cường độ các cặp : p – p, p – n, n – n là gần như nhau ( giữa các nucleon ở cùng các trạng thái như nhau) + Lực hạt nhân có bán kính tác dụng ngắn (~10-15m = 1fm). Hai nnucleon chỉ tác dụng mạnh với nhau khi chúng cách nhau 1 khoảng bé hơn khoảng 15 0 10r m  ,ngoài khoảng đó lực hạt nhân giảm nhanh tới 0. + Sự phụ thuộc mạnh vào spin ( định hướng spin0 của các nucleon Do có bán kính tác dụng nhỏ nên lực hạt nhân có tính bão hoà: mỗi nucleon chỉ tương tác với 1 số nucleon ở bên cạnh quanh nó chứ không tương tác với mọi nucleon của hạt nhân. + Lực hạt nhân là lực trao đổi: tương tác giữa hai hạt nhân được thực hiện bằng cách trao đổi 1 loại hạt là medon (khối lượng bằng 200 đến 300 lần khối lượng của eletron) Có 3 loại medon là: , +, - quá trình trao đổi medon như hình vẽ Ngày nay người ta đã biết nhiều về lực hạt nhân nhưng vẫn chưa biết được công thức chính xác tính lực hạt nhân. 5. Mẫu hạt nhân. Để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân người ta đưa ra phương pháp gần đúng và đơn giản hoá về tương tác giữa các nucleon. Và gọi là mẫu hạt nhân. Có các mẫu sau được coi là triệt để nhất: a. Mẫu giọt (N.Bohr) Đặc trưng của hạt nhân liên quan đến kích thước, khối lượng và năng lương liên kết của hạt nhân giống như các  nu  nu đặc trưng có thể tìm được ở mẫu giọt chất lỏng. Đối với 1 giọt chất lỏng khối lượng riêng là một hằng số: với: r0 =1,5.10-15 m Mẫu giọt chất lỏng về hạt nhân cho ta công thức được công thức bán thực nghiệm về khối lượng biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng hạt nhân theo A và Z 2/3 2 1/3 2 1 3/41 2 3 4 5( ) ( 2 )p nm Zm A Z m b A b A b Z A b A Z A b A           (4.1) Các hằng số trong công thức (4.1) được xác định bằng thực nghiệm và giá trị của chúng (theo đơn vị năng lượng) có thể lấy bằng 1b 14,0Mev 3 0,58b Mev 2 13,0b Mev 4 19,3b Mev còn 5b có các giá trị sau A Z 5b chẵn chẵn -33,5Mev lẻ 0 chẵn lẻ + 33,5Mev Năng lượng liên kết trung bình được tính cho một nucleon 2[ ( ) ]p nlk Zm A Z m M cE A A     1/3 2 4/3 2 2 7/4 1 2 3 4 5( 2 )lk E b b A b Z A b A Z A b A A           (4.2) Cần chú ý lkE A  khác năng lượng cần thiết để tách một nucleon ra khỏi hạt nhân vì khi A có giá trị lớn thì lkE A  gần như bằng hằng số và bằng 8Mev. D = Am m 4/310r0-15 4/310r-15 =