Bài giảng Vật lý 2 - Bài: Vật lý hạt nhân - Lê Quang Nguyên

Nội dung text: Bài giảng Vật lý 2 - Bài: Vật lý hạt nhân - Lê Quang Nguyên

1. Nội dung 1. Mở đầu 2. Tính chất cơ bản của hạt nhân 3. Hiện tượng phóng xạ Vật lý hạt nhân 4. Phản ứng hạt nhân 5. Năng lượng hạt nhân Lê Quang Nguyên www4.hcmut.edu.vn/~leqnguyen nguyenquangle59@yahoo.com 1. Mở đầu – 1 1. Mở đầu – 2 • 1896 – Becquerel khám phá hiện tượng phóng • 1932 – Chadwick phát hiện hạt neutron. xạ của các hợp chất Uranium. Ivanenko đưa ra mô hình hạt nhân gồm proton • Rutherford chứng tỏ tia phóng xạ gồm ba loại: và neutron. tia alpha, beta và gamma. • 1933 – Fredéric Joliot và Irène Curie khám phá • 1911 – Rutherford, Geiger and Marsden thực hiện tượng phóng xạ nhân tạo. hiện tán xạ hạt alpha trên nguyên tử, từ đó • 1935 – Yukawa: lực hạt nhân được thực hiện thiết lập mô hình nguyên tử gồm hạt nhân + thông qua trao đổi các hạt π-meson. electron. • 1938 – Hahn và Strassman khám phá sự phân • 1919 – Rutherford phát hiện phản ứng hạt hạch hạt nhân. nhân: hạt nhân oxygen + alpha
   hạt nhân • 1942 – Fermi thực hiện lò phản ứng hạt nhân nitrogen. có điều khiển đầu tiên.
2. 2b. Kích thước hạt nhân 2c. Momen spin và momen động • Năm 1911, Rutherford dùng • Giống như electron, các nucleon cũng có spin các hạt α bắn phá hạt nhân , bằng ½. qua đó ước lượng bán kính hạt • Momen động của một nucleon bằng tổng nhân: momen động quỹ đạo và momen động spin. 1 3 R≈ R A • Momen động của hạt nhân bằng tổng momen 0 10 -10 m ≈ ×−15 = R0 1,2 10 m 1,2 fm động của các nucleon. Nó có độ lớn: • Vậy: J=ℏ j( j + 1) – thể tích hạt nhân tỷ lệ với số khối A. • j = 1, 2, 3, nếu A chẵn, – mọi hạt nhân đều có khối -15 • j = 1/2, 3/2, 5/2, nếu A lẻ. lượng riêng gần bằng nhau. 10 m 2d. Momen từ hạt nhân 2d. Momen từ hạt nhân (tt) • Momen từ hạt nhân bằng tổng các momen từ của các nucleon. • Cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance – NMR): – Trong một từ trường các momen từ hạt nhân hướng cùng chiều hay ngược chiều với B. – Kích thích bằng một từ trường xoay chiều có tần số radio. Sơ đồ máy MRI Ảnh MRI của vùng – Khi cộng hưởng, các photon bị hấp thụ mạnh để thần kinh thị giác đảo chiều momen từ. – Ứng dụng: chụp ảnh bằng cộng hưởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging – MRI).
3. 2f. Năng lượng liên kết – 2 2f. Năng lượng liên kết – 3 • Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính trên một nucleon. W ε = lk A Các hạt nhân bền nhất có A ≈ 60 • Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân Hầu hết hạt nhân có ε ≈ 7 – 8,6 MeV càng bền. Câu hỏi áp dụng 2.1 Trả lời câu hỏi 2.1 93 Tìm năng lượng liên kết riêng của hạt nhân 41 Nb , • Độ hụt khối của hạt nhân: biết khối lượng của nó là 92,9063768 u. ∆= +−( ) − Mm41p 93 41 mm n Nb ∆=M 41( 1,007825) + 52( 1,008665) − 92,9063768 ∆M = 0,865028 u ∆M ⋅ c 2 • Năng lượng liên kết riêng: ε = A 0,865028× 931,5 (MeV ) ε = = 8,66 MeV 93 1u = 931,5 MeV/c 2
4. Câu hỏi áp dụng 3.1 Trả lời câu hỏi 3.1 Một hạt nhân Ra 226 đang đứng yên thì phân rã α. • Theo định luật bảo toàn động lượng, hạt nhân Phát biểu nào sau đây là đúng? con và hạt α có động lượng bằng nhau và ngược chiều. (a) Hạt α có động năng lớn hơn hạt nhân con. • Động năng = ½ (động lượng) 2/(khối lượng) (b) Hạt nhân con có động năng lớn hơn hạt α. • Hạt α nhẹ hơn nên có động năng lớn hơn. (c) Hạt nhân con có động năng bằng hạt α. • Câu trả lời đúng là (a). Câu hỏi áp dụng 3.2 Trả lời câu hỏi 3.2 Coi khối lượng của một hạt nhân có số khối A là A • Năng lượng toàn phần tỏa ra gồm động năng (u). của hạt α và của hạt nhân con: Hạt nhân Ra 226 đứng yên phóng xạ ra hạt α với 2 2 2 p p p mα  động năng 4,78 (MeV). Năng lượng toàn phần tỏa Q = + =1 +  2mα 2 m 2 m α  m  ra từ phản ứng là: X X   = + mα Q K α 1  (a) 0,487 (MeV) (b) 4,87 (MeV) mX  (c) 48,7 (MeV) (d) 478 (MeV) = +4  = Q Kα 1  4,87 () MeV A− 4  4,78 MeV 226 Câu trả lời đúng là (b).
5. Trả lời câu hỏi 3.3 Câu hỏi áp dụng 3.4 14 • Sau một chu kỳ bán rã thì ½ lượng chất đồng vị Cho chu kỳ bán rã của 6C là 5600 năm. Xét một đã phân rã. tượng cổ bằng gỗ, người ta thấy độ phóng xạ β– • Sau một chu kỳ bán rã nữa thì ½ của một nửa của nó chỉ bằng 0,77 lần độ phóng xạ của một còn lại tiếp tục phân rã. khúc gỗ có cùng khối lượng vừa mới chặt. Tuổi • Vậy phần vật chất đã phân rã là: của tượng gỗ là: 1 11  3 +  = 2 22  4 (a) 2101 năm (b) 3101 năm • Câu trả lời đúng là (c). (c) 4101 năm (d) 5101 năm • Minh họa 14→ 14 + 0 + ν 6C 7 N− 1 e e Trả lời câu hỏi 3.4 – 1 Trả lời câu hỏi 3.4 – 2 = λ • Độ phóng xạ của mẫu ở thời điểm t , lúc chúng • hay nếu viết qua chu kỳ bán rã: T1/2 ln2 ta đo độ phóng xạ , là: T H( t ) t = − 1/2 ln ( ) =λ( ) = λ −λt Ht Nt Ne0 ln2 H0 • Thay bằng số ta có: Ht( ) = He −λt 0 ln0,77 t= −5600 n = 2112 n • với H0 là độ phóng xạ của mẫu lúc t = 0, là gốc ln2 tính thời gian. • Câu trả lời gần đúng nhất là (a): 2101 năm. • Suy ra: • Trong đó ta đã giả định là lúc t = 0 tượng gỗ có 1 H( t ) độ phóng xạ bằng độ phóng xạ của một khúc gỗ t = − ln λ vừa mới chặt . Điều này có hợp lý không? H0
6. Trả lời câu hỏi 3.5 3e. Phóng xạ nhân tạo • Quá trình phân rã: • Năm 1933, F. Joliot và Frederic & Irene − Irène Curie khám phá AX→α A-4 Y →2 β A-4 Z = 212 Po Z Z-2 Z 84 các đồng vị phóng xạ không có trong tự • Vậy A = 216, Z = 84. nhiên, 216 • Hạt nhân ban đầu là 84 Po . • và theo dõi sự phân rã • Câu trả lời đúng là (b). của chúng cho đến khi đạt tới các đồng vị bền. • Họ nhận giải Nobel Hóa Học năm 1935. 4. Phản ứng hạt nhân 4a. Hiện tượng a. Hiện tượng • Các quá trình biến đổi của hạt nhân được gọi là phản ứng hạt nhân . b. Các loại phản ứng • Thường xảy ra do bắn phá một hạt nhân đứng yên bằng các hạt năng lượng cao. • Ví dụ: Hạt α năng Hạt nhân bia lượng cao 4+ 7 → 1 + 10 2He 3 Li 0 n 5 B 7(α ) 10 3Li ,n 5 B
7. 4b. Các loại phản ứng (tt) Câu hỏi áp dụng 4.2 • Trong phản ứng thu nhiệt, cần phải cung cấp Cho phản ứng thu nhiệt: năng lượng dưới dạng động năng của hạt đến 27Al+ 4 He → X + 1 n bắn phá hạt nhân. 13 2 0 • Năng lượng tối thiểu cần phải cung cấp (năng (a) Hãy xác định hạt nhân kết quả. lượng ngưỡng của hạt bắn phá) là: (b) Tìm năng lượng ngưỡng của phản ứng, biết m  mAl = 26,974 u, mα = 4,0015 u. K= Q 1 +  min M  • m là khối lượng của hạt đến bắn phá, • M là khối lượng hạt nhân bị bắn phá (hạt nhân bia). Trả lời câu hỏi 4.2 Câu hỏi áp dụng 4.3 • Số khối được bảo toàn: Tìm năng lượng tỏa ra từ phản ứng nhiệt hạch: 27+ 4 =A + 1⇒ A = 30 23D+ T → 4 He + 1 n • Điện tích được bảo toàn: 1 1 2 0 13+ 2 =Z + 0⇒ Z = 15 biết rằng độ hụt khối khi tạo thành hạt nhân D, T 30 và He lần lượt là • Hạt nhân kết quả là: 15 P • Nhiệt trao đổi: 29,970 u ΔmD = 0,0024 u, ΔmT = 0,0087 u và ΔmHe = =2 ( + −−) =− 0,0305 u. QcmAl m He mm P n 2,98 MeV • Năng lượng tối thiểu cần cung cấp: m  = +He = Kmin Q1  3,4 MeV mAl 
8. 5a. Mở đầu 5b. Phản ứng phân hạch – 1 • Là phản ứng tách hạt nhân nặng thành hai hạt nhân có có năng lượng liên kết riêng lớn hơn. Vùng cho năng • Ví dụ: lượng phân hạch 1+ 235 → 236 * →++ 0n 92 U 92 U XY neutrons – neutron đến là neutron chậm (neutron nhiệt). Vùng cho • Để phản ứng tỏa năng lượng: năng lượng • Phân chia các hạt nhân lớn – – 236 U* là trạng thái trung gian, không bền. nhiệt hạch phản ứng phân hạch – X, Y là các hạt nhân kết quả. • Kết hợp các hạt nhân nhỏ – phản ứng nhiệt hạch – có thể có nhiều tổ hợp X, Y thỏa định luật bảo toàn năng lượng, số khối và điện tích. 5b. Phản ứng phân hạch – 2 5b. Phản ứng phân hạch – 3 • Qua minh họa vừa rồi ta thấy có mấy trường 1 n hợp: 235 U • Phản ứng dây chuyền : số neutron tạo ra lớn hơn số neutron hấp thụ. (Bom nguyên tử) 236 U* Y • Phản ứng kiểm soát được : số neutron tạo ra bằng số neutron hấp thụ. (Lò phản ứng) • Phản ứng tắt: số neutron tạo ra nhỏ hơn số X neutron hấp thụ. • Ngoài ra, để có phản ứng thì phải có đủ 235 U. (Khối lượng > khối lượng tới hạn) Minh họa