Vật lý - Chương 6: Vật lý hạt nhân

1 Röntgen 1895 Discovery of X-ray Pierre & Marie Curie 1898 Discovery of Ra, Po Becquerel 1896 Spontaneous radioactivity Hahn 1938 Discovery of fission Chương 6: VẬT LÝ HẠT NHÂN 2 3 Mrs. Röntgen's hand (Dec. 22, 1895) Discovery of Radiation 4 U-23６ U-235 Thanh điều khiển U-23６ -235 neutron U-23６ 5 Phân hạch U-235 5 a, b, g-ray Chì Nguồn px b-ray g-ray a-ray (+) (-) Bản điện cực LOẠI PX 6 Loại PX Loại PX Điện tích KL (amu) Giải thích a-ray +2 4 Quãng chạy ngắn Ion hóa cao b-ray -1 0.000 5 Quãng chạy ngắn g-ray 0 0 Xuyên sâu cao neutron 0 1 Xuyên sâu cao 7 Bức xạ ion hóa Bức xạ điện từ Hạt Tia-X (X) Tia Gamma (g) Từ đồng vị px Hạt Alpha (a) Hạt Beta (b-, b+) Loại PX Electron, Proton, etc Neutrons 8 Hạt nhân proton neutron electron Cấu trúc nguyên tử 9 Nguyên tử và đồng vị XN A Z X: Kí hiệu hóa học A: Số khối Z: Số nguyên tử (điện tích) N: Số Neutron Hoặc X-A He 4 2 He-4 A=Z+N 4 2 2 10 Chuỗi 238U Chuỗi 232Th 11 Đồng vị của một nguyên tố là những hạt nhân có cùng giá trị Z nhưng khác giá trị N và A. Độ phổ cập tự nhiên của các đồng vị là hàm lượng mà đồng vị đó có trong nguyên tố tự nhiên. 12 Hạt nhân gồm proton và neutron bó chặt vào nhau dẫn đến các điện tích trong hạt nhân (proton) tương tác với nhau bởi lực đẩy tĩnh điện rất lớn đến nỗi mà chúng có thể bay ra khỏi hạt nhân. 13 Tuy nhiên hạt nhân vẫn bền vững là do sự hiện diện của lực hạt nhân. Lực hạt nhân là lực hút có tầm tác dụng rất ngắn (khoảng 2fm) và tác dụng lên tất cả các nucleon trong hạt nhân 14 Số neutrons S ố p ro to n s Bền Không bền Khám phá đồng vị 15 Kích thước và cấu trúc hạt nhân lần đầu tiên được khảo sát trong thí nghiệm tán xạ của Rutherford. Điện tích dương trong một nguyên tử tập trung trong một khối cầu nhỏ có bán kính gần bằng 10-14m. 1fm = 10-15m 16 Hạt nhân có dạng hình cầu và có bán kính trung bình A là số khối của hạt nhân và r0 là hằng số và r0 = (1,2-1,4).10 -15m 3/1 0Arr  17 - Đơn vị khối lượng nguyên tử, u, chẳng hạn như khối lượng của đồng vị 12C là 12u. Trong đó 1u = 1,66x10-27kg. Các nhà vật lý thường biểu diễn khối lượng theo đơn vị MeV/c2 2 5,9311 c MeV u  18 Haït Khoái löôïng U kg MeV Proton 1,0073 1,67.10 -27 938,23 Neutron 1,0087 1,68.10 -27 939,53 Deteri 2,01355 3,3325.10 -27 1875,5 Alpha 4,00047 6,6444.10 -27 3726,2 19 · Naêng löôïng lieân keát rieâng : Ñeå so saùnh ñoä beàn vöõng cuûa caùc nhaân ta thöôøng duøng khaùi nieäm naêng löôïng lieân keát öùng vôùi moät nucleon , hay goïi laø naêng löôïng lieân keát rieâng. Ta kyù hieäu baèng chöõ   = A : soá khoái Giaù trò  thay ñoåi tuøy theo loaïi haït nhaân . Noäi dung noù naèm töø 7 ñeán 8 MeV. lk E A 20 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Do khối lượng là một phép đo năng lượng nên năng lượng toàn phần của hệ nhỏ hơn năng lượng liên kết của các nucleon riêng lẻ. 2 0 2 b c)mm(mcEE - np NmZmm 0 là khối lượng của các nucleon trong nhân 21 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT RIÊNG Năng lượng liên kết của mỗi nucleon trong hạt nhân ta gọi là năng lượng liên kết riêng, tức là khi cung cấp năng lượng  thì ta tách được một nucleon ra khỏi hạt nhân    nucleon/MeV A 5,931mNmZm A E np -    Hạt nhân có  càng lớn thì càng bền vững. Hạt nhân bền vững nhất là những hạt nhân có số khối A từ 50 đến 80 22 Toång hôïp Vuøng beàn vöõng Söï phaân haïch Soá khoái A N a ên g l ö ô ïn g l ie ân k e át  ( M e V ) 23  Từ đồ thị ta thấy rằng năng lượng liên kết riêng lớn nhất đối với các hạt nhân có số khối trung bình (quanh giá trị A = 60).  Năng lượng sẽ được giải phóng khi hạt nhân nặng có số khối A  200 tách hoặc phân hạch thành các hạt nhân nhẹ hơn có số khối gần A = 60  Năng lượng có thể giải phóng khi hai hạt nhân nhẹ có A  20 kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn 24 Thí nghiệm nổi tiếng của Rutherford về tán xạ hạt alpha lên hạt nhân, đã đề nghị rằng phóng xạ là kết quả của quá trình phân rã của hạt nhân không bền 25  Bảo toàn năng lượng  Bảo toàn động lượng  Bảo toàn mômen động lượng  Bảo toàn điện tích (số Z)  Bảo toàn số nucleon (số A) 26 Chu kì bán rã của đồng vị A = A0e -lt l: hằng số phóng xạ Chu kì bán rã,Ｔ1/2 = ln2 / l 27 Chu kỳ bán rã của các ĐVPX Hạt nhân Chu kì bán rã 24Na 15.0 h 222Rn 3.8 d 131I 8.0 d 60Co 5.3 y 90Sr 28.8 y 137Cs 30 y 226Ra 1600 y 239Pu 24000 y 238U 4.5x109 y 28  SỰ CÂN BẰNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ Tốc độ phân rã của hạt nhân cha ....CBA  pp p N dt dN l- Tốc độ phân rã của hạt nhân con (= tốc độ tạo thành – tốc độ phân rã) ddpp d NN dt dN l-l Nhân cha lp = 0,693/T1/2p Nhân con ld = 0,693/T1/2d 29 Hệ phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất và chúng có nghiệm   tdtt pd p pd t pp ddp p e)0(Nee)0(N)t(N e)0(N)t(N l-l-l- l- - l-l l    ( ) (0) (0)p d dtp t td p d d p A t A e e A e l l l l l l - - - -  - Phương trình Bateman Sự phân rã của nhân cha Nhân con lớn dần và phân rã Thời gian (s) tmax % hoạt độ 30 Thời điểm mà hoạt độ của nhân con đạt giá trị cực đại   0ee)0(N dt d dt )t(dN tt dp p p d dp          - l-l l  l- l-   max max max ln / p d d pt t p d p d e e t l l l l l l l l - -   - 31 1. Hạt nhân con là bền  tpdtppppd pp e1)0(N)t(Ne)0(NN dt dN l-l- -ll 2. Chu kỳ bán rã của nhân cha ngắn hơn chu kỳ bán rã của nhân con, T1/2p ld). Điều kiện này được gọi là không cân bằng trong phân rã phóng xạ 3. Chu kỳ bán rã của nhân cha dài hơn chu kỳ bán rã của nhân con, T1/2p > T1/2d (lp < ld)  : ( ) (0) ( ) ( ) ( ) p pd t tp pt p d d p p d p d p pd p d p e e N t N e N t N t N t l ll l l l l l l l l l l l - --     - -   - 32 4. Chu kỳ bán rã của nhân cha dài hơn nhiều chu kỳ bán rã của nhân con, T1/2p >> T1/2d (lp <<ld) ( ) ( ) , ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) p d p p d p d d p d p p p d d p d N t N t N t N t N t N t A t A t l l l l l l l l l -         Hoạt độ nhân con Hoạt độ nhân cha Thời gian (s) % hoạt độ 33 proton neutron a-decay U-238 Proton : 92 Neutron: 146 Th-234 Proton : 90 Neutron: 144 a nucleus 34  Nếu ta gọi MX là khối lượng của nhân cha, MY là khối lượng của nhân con và Ma là khối lượng của hạt alpha thì năng lượng phân rã được xác định bởi a YX   MeV5,931MMMQ YX -- a Q MM M K Q MM M K Y Y Y Y a a a a     35 electron Co-60 Proton : 27 Neutron: 33 Ni-60* Proton : 28 Neutron: 32 b b-decay và g-ray Ni-60 Proton : 28 Neutron: 32 g Bức xạ điện từ 36 -   eYX A 1Z A Z Kmax Động năng Số hạt beta N K Năm 1930, Pauli đề nghị rằng một hạt thứ ba phải hiện diện để lấy đi phần năng lượng và động lượng bị mất đó. Sau đó Fermi đã đặt tên cho hạt này là neutrino vì nó trung hòa điện tích và có khối lượng nghỉ rất nhỏ Trong quá trình phân rã beta của các hạt nhân phóng xạ chúng ta phải viết đúng là  - ~eYX A1Z A Z  - eYX A 1Z A Z   n p eb - -     p n eb      -  eYX A 1Z A Z 37  Quá trình mà cạnh tranh với phân rã e+ được gọi là quá trình bắt electron  - - YeX A1Z A Z Q trong quá trình phân rã beta như sau Giá trị Q trong phân rã e- và bắt electron là   2YX cMMQ - Giá trị Q trong phân rã e+ là   2eYX cm2MMQ -- 38 Bộ phân tích đa kênh (MCA) 39 sơ đồ phân rã của 12B phân rã beta với chu kỳ bán rã 20,4ms đến một trong hai mức 12C. Nó có thể hoặc là (1) phân rã trực tiếp đến trạng thái cơ bản của 12C bằng cách phát ra e- năng lượng 13,4 MeV hoặc là (2) chịu sự phân ra e- năng lượng 9,0 MeV đến trạng thái kích thích (12C)*, sau đó phát gamma năng lượng 4,4 MeV để về trạng thái cơ bản    - ~eCB *126125   g CC 126 *12 6 40 Chuỗi Đồng vị bắt đầu Chu kỳ bán rã (năm) Đồng vị bền kết thúc Uranium Actinium Thorium Neptunium U238 U235 Th232 Np237 4,47.109 7,04.108 1,41.1010 2,14.106 Pb206 Pb207 Pb208 Bi209 Chương 6: 1, 3, 4, 5, 6, 13, 14, 15, 18, 19, 25, 26, 27 41 Tương tác của neutron Tán xạ Hấp thụ Tán xạ đàn hồi Tán xạ không đàn hồi Phân hạch Bắt neutron (n, g) Sinh nhiều neutron (n, 2n); (n, 3n) Sinh hạt mang điện (n,p), (n, a) 42 a b g and X neutron Giấy Nhựa Chì Bê tông Da Nhôm Sắt Nước 43 Đơn vị đo bức xạ ion hóa Hoạt độ Bq phân rã s-1 Hoạt độ PX Liều lượng An toàn Liều hấp thụ Gy J kg-1 Liều tương đương Sv J kg-1 Đơn vị SI 44 Hít thở 1.2 mSv Bức xạ trong đất, 0.5 mSv Bức xạ vũ trụ, 0.4 mSv Ăn uống, 0.3 mSv Tổng 2.4 mSv / year Bức xạ tự nhiên 45 L iều bức xạ t rong đờ i sống mSv/y Brasil Trung bình Chuyến bay CT scan (1 lần) Legal limit X-ray (bao tử) (Ngực) Near LWR (< 0.001) Nhân tạo Tự nhiên 46 47 Thời gian Khoảng cách Che chắn An toàn phóng xạ 48 49 50 51 52 53 Gamma knife 54 Tại Mỹ 55 Tại Thailand 56 88.8TBq Co-60 88.8 TBq 100 m