Bài giảng Vật lý 2 - Chương VIII: Vật lý hạt nhân

Nội dung text: Bài giảng Vật lý 2 - Chương VIII: Vật lý hạt nhân

1. CHƯƠNG VIII VẬT LÝ HẠT NHÂN
2. a) Các hạt nhân đồng vị là các hạt có cùng Z. b) Các hạt nhân đồng khối là các hạt có cùng số khối A . c) Các hạt nhân đồng nơtron là các hạt có cùng số nơtron. d) Các hạt nhân gương là các hạt nhân mà số proton của hạt này bằng số nơtron của hạt kia. Các hạt nhân khối lượng nhỏ có xu hướng có số proton và nơtron gần như nhau và các hạt nhân khối lượng lớn có số nơtron lớn hơn số proton
3. Thể tích gần đúng của hạt nhân: 43 4 3 VRRA o 3 3 Mật độ khối lượng của hạt nhân: M m A hn p 4 V (1,2)3 .10 45 .A 3 1,67.10 27 1017kg / m 3 4 (1,2)3 .10 45 3
4. 4.Momen từ hạt nhân Nuclôn có momen spin, nên cũng có momen từ spin. Momen từ của hạt nhân bằng tổng momen từ spin của mọi nuclôn và tổng momen từ của mọi proton. Đơn vị của momen từ hạt nhân là manhêtôn hạt nhân và có trị số bằng: e 27 N 5,050.10JT / 2mp
5. 5)Lực hạt nhân: Sự tồn tại của các hạt nhân bền vững chứng tỏ cho sự tồn tại của các lực tương tác của các nuclon liên kết chúng trong hạt nhân. Các tương tác này không thể quy về bất cứ loại tương tác nào đã được biết trước đó (tương tác hấp dẫn, điện từ). Người ta phân lực hạt nhân thành hai loại: lực hạt nhân yếu liên quan đến sự phân rã bê ta , lực hạt nhân (hay tương tác mạnh) ta sẽ xét dưới đây.
6. 6.Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhân. a) Khối lượng hạt nhân: Để đo khối lượng các hạt trong VLHN, người ta dùng đơn vị khối lượng nguyên tử (ký hiệu u). Theo định nghĩa 1u bằng 1/12 khối lượng nguyên tử đồng vị cacbon C12. 1u = 1,6605402.10-27 kg Theo hệ thức Einstein E = mc2 thì năng lượng tương ứng với khối lượng 1u là: E = 1uc2 = 931,5 MeV Hay 1u = 931,5 Mev/c2
7. Vì trong các bảng thường ghi khối lượng nguyên tử nên chúng ta sẽ thay Mhn bằng M – Zme với M là khối lượng nguyên tử của hạt nhân có Z proton và N nơtron, còn me là khối lượng electron, mà mp = MH – me với MH là khối lượng nguyên tử của 1 1 H 2 2 Elk M c Zm p Nm n M hn c 2 Z()(. MH m e Nm n M Zm e  c 2 ZMH Nm n M. c
8. Mev 8 7 6 5 4 3 2 1 0 40 120 140 240 A Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng theo A
9. II. Hiện tượng phóng xạ: 1. Là hiện tượng một hạt nhân tự động phát ra các hạt gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Trong quá trình phóng xạ, hạt nhân ở trạng thái không bền vững chuyển sang trạng thái bền vững hơn, nghĩa là trạng thái ứng với năng lượng thấp hơn. Vậy quá trình biến đổi phóng xạ chỉ có thể xảy ra nếu khối lượng tĩnh của hạt nhân xuất phát lớn hơn tổng khối lượng của các sản phẩm sinh ra do biến đổi phóng xạ.
10. Tia phóng xạ có các tính chất sau: chúng có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thâu qua vật chất. Tia ion hóa chất khí mạnh nhất nhưng xuyên thâu kém; tia  ion hóa chất khí kém hơn nhưng xuyên thâu mạnh hơn; tia  có thể coi là không có khả năng ion hóa chất khí nhưng xuyên thâu mạnh nhất.
11. • Chu kỳ bán rã T: là khoảng thời gian để No giảm đi một nửa N ln 2 0,693 o N e T T 2 o  
12. Vì: Ln2 t t e t e TT 2 Nên: t t T N N0 e N 0 2 t t T H H0 e H 0 2 HNHN ; 0  0
13. 3)Qui tắc dịch chuyển. Họ phóng xạ tự nhiên Phân rã phóng xạ tuân theo các định luật bảo toàn : điện tích, số khối , động lượng và năng lượng . a)Phân rã : Trong quá trình phân rã α, chất phóng xạ sẽ biến thành một chất đứng trước nó hai ô trong bảng tuần hoàn. AA 4 4 ZZX 2 Y 2 He Hiện tượng này được giải thích bằng hiệu ứng đường ngầm trong cơ lượng tử.
14. Định luật bảo toàn động lượng: MVMVYY 0 Từ hai định luật trên suy ra được: MQ QKK 1 M M Y 1 MY Nếu hạt nhân mẹ có số khối A thì gần đúng có thể xem Mα = 4 và MY = A - 4 khi đó: A 4 4Q KQK AA Y Do đó đối với hạt nhân nặng hạt α gần như mang đi toàn bộ năng lượng phân rã.
15. • Cơ chế phân rã hạt β: là do sự biến đổi proton thành nơtron và nơtron thành proton p n e  e n p e  e  là hạt nơtrinô có điện tích bằng 0, khối lượng bỏ qua, spin bằng 1/2.  : là phản nơtrinô. Các tương tác sinh ra phân rã β gọi là tương tác yếu.
16. d) Phân rã γ: AA* ZZXX  Dấu * chỉ trạng thái kích thích của hạt nhân đó Cơ chế phân rã γ: Hạt nhân ở trạng thái kích thích, khi chuyển về trạng thái thấp hơn luôn kèm theo sự phát photon gọi là tia γ. Tia γ là các bức xạ điện từ có bước sóng ngắn không vượt quá 10-11 m.
17. a) 0,693 0,693  T 5730.86400.365 3,84.10 12s 1 b) H 2,87.107 N 0 7,3.1018 0  3,84.10 12
18. Ví dụ: 1) Xác định chu kỳ bán rã của polini 210 phóng xạ P o nếu 1g chất đồng vị phóng xạ đó, trong một năm tạo ra 89,5cm3 hêli ở các điều kiện chuẩn.
19. 89,5.210 1 e t 0,839 22,4.103 0,693t e t 0,161 1,826 T 0,693.365 T 138 ngay 1,826
20. Câu 17: 238 có chu kỳ bán rã 4,5.109 năm, phân 92U rã theo phản ứng: 238 206 92U 82 Pb 8 6  Vào thời điểm khảo sát một mẫu quặng Urani, người ta thấy mẫu này chứa 1g U238 và 10mg Pb206. Tính tuổi của quặng này.
21. Vì một hạt nhân U phân rã cho một hạt nhân Pb nên: NNU Pb e t 206 1 e t 2,38 208,38 et 206 208,38 t Ln t 7,5.107 nam 206
22. Số nguyên tử kali còn lại: t NK N0 e Số nguyên tử kali phân rã bằng số nguyên tử Ar tạo thành nên: t NK N0 (1 e ) N Ar
23. Câu 27: Cho hạt nhân A sẽ có khối lượng A.u. Hạt nhân Radi phóng xạ α, hạt α bay ra có động năng 4,78MeV. Tính năng lượng toàn phần toả ra từ phản ứng
24. 2 1 m K mY v 2 mY m 4 K 1 4,78 1 mY 226 4 4,87MeV
25. Số hạt nhân phân rã trong thời gian Δt lúc ban đầu: t T NN1 0 1 2 Số hạt nhân còn lại sau thời gian t = 6 giờ: t T NN 0 2 Số hạt nhân phân rã trong thời gian Δt sau thời gian t t t t TTT NNN2 1 2 0 2 1 2
26. Câu 5: Một mẫu KCl nặng 2,71g được tìm thấy, đây là chất phóng xạ có độ phóng xạ 4490Bq. Phóng xạ này được dùng để đánh dấu nguyên tố kali, đặc biệt 40 K, đồng vị chiếm 1,17% trong kali thông thường. Tìm chu kỳ bán rã T của đồng vị phóng xạ này.
27. 0,693 1,17 2,71 HNN  ' T 100 75 A 0,693 1,17 2,71 T .6,023.1023 ( s ) H 100 75 0,693.1,17.2,71.6,023.1023 4490.100.75.365.86.400 1,25.109 years
28. Ta có: 1 p2 p mv; K mv2 p 2 2 mK 2 2m Áp dung định luật bảo toàn động lượng    2 2 2 PPPPPPp Li Li p 2mLi K Li 2 m p K p 2 m K mp K p m K KLi mLi 5,45 4.4 3,575MeV 6
29. 2) Số hạt nhân trong khối lượng m(g) Au là: mN 3.10 9 .6,023.10 26 N A 9,04.1015 M Au 200 0,693 HNN  T 0,693N 0,693.9,04.1015 T 2,88.103 s H 58,9.3,7.1010
30. 3) 0,693 m HNN  A TM C HTM m C 0,693N A 5.3,7.1010 5570.365.86400.210 1,09 g 0,693.6,023.1023
31. Khi một hạt nhân a phân rã thì một hạt nhân b tạo thành. Do đó tốc độ tạo thành hạt nhân b là: dNa aN ao Từ đó: dt dN b NN  dt a ao b b dN b NN  dt b b a ao
32. aN ao Nb 0 khit 0 C b  a aN ao at  b t Nb () e e b  a N  b a (e at e  b t ) 0,41 Nao b  a
33. 2.Các ĐLBT trong phản ứng hạt nhân Các phản ứng hạt nhân đều tuân theo các định luật bảo toàn: a)Bảo toàn năng lượng toàn phần b)Bảo toàn động lượng. c)Bảo toàn momen động lượng d)Bảo toàn điện tích e) Bảo toàn số khối Trong quá trình sinh huỷ hạt, các tương tác hạt nhân còn tuân theo nhiều định luật bảo toàn khác nữa.
34. Nếu phản ứng thu nhiệt (Q < 0), ta phải cung cấp năng lượng cho hệ từ bên ngoài bằng cách truyền động năng cho các hạt tương tác. Năng lượng nhỏ nhất cần thiết để gây ra phản ứng thu nhiệt gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng và được tính theo công thức: ma KQng. tn 1 M X Đối với phản ứng toả nhiệt thì năng lượng ngưỡng bằng không, nghĩa là phản ứng hạt nhân có thể xảy ra dưới tác dụng của hạt tới có năng lượng nhỏ bao nhiêu cũng được.
35. Áp dụng công thức trên cho hai hạt nhân a và X, ta có: '' va V kt v a v X V kt v X ' vX 0 v X V kt Trong HQCKT động lượng của hệ bằng 0, nên: ,, ma v a M X v X 0 m a ( v a V kt ) M X m kt 0 ()MX m a V kt m a v a ,,ma v a M X v a vX v a MX m a M X m a
36. Vì năng lượng phản ứng Q chỉ phụ thuộc vào khối lượng nghỉ của các hạt tham gia phản ứng, nên Q như nhau trong hai hệ qui chiếu. Ta có: Q = Kftn - Kitn = Kfkt - Kikt Kftn là ĐN của hệ sau va chạm trong HQCPTN Kfkt là ĐN của hệ sau va chạm trong HQCKT Kikt là ĐN của hệ trước va chạm trong HQCKT Năng lượng ngưỡng Kng.kt trong HQCKT là động năng ban đầu cần thiết để sinh ra các hạt sau phản ứng ở trạng thái nghĩ, nghĩa là động năng Kfkt = 0 nên ta có: Kng.kt = Kikt = -Q
37. Ví dụ: Bắn hạt nhân đêtơri có động năng Kd = 4MeV 6 vào hạt nhân 3 Li thì ta thu được hai hạt . a) Tính tổng động năng của hai hạt ấy. b) Giả sử hai hạt có cùng tốc độ, tính tốc độ này và góc giữa hai vận tốc. Biết các khối lượng hạt nhân mLi 6,01348 u ; m D 2,01355 u ; m 4,00150 u
38. b) Động năng của mỗi hạt là: K 13,2 MeV 1 2 2K K m v v 2 m 2.13,2MeV 2.13,2. c2 4,0015u 4,0015.931.5 25000km / s
39. 2. Xác định năng lượng cực tiểu của lượng tử cần thiết để tách hạt nhân bêri theo phản ứng 9 4 1 4Be h 2 2 He 0 n Cho khối lượng nguyên tử mBe 9,01218 u ; m n 1,00867 u m 4,00260 u
40. Câu 25: Cho phản ứng hạt nhân: 27 30 1 13Al 15 P 0 n mAl 26,974 u , m P 29,970 u , m 4,0015 u Tìm năng lượng tối thiểu của hạt α để phản ứng xảy ra
41. Tìm năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân 14 4 17 1 7N 2 He 8 O 1 p Cho khối lượng nguyên tử mN 14,00307 u ; m p 1,00728 u ; m 4,00260 u ; mO 16,9991
42. IV. Sự phân hạch và phản ứng dây chuyền: Một hạt nhân rất nặng như urani, plutoni, khi hấp thụ một nơtron sẽ vỡ thành hai hạt nhân có số khối trung bình gọi là sự phân hạch. Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng ban đầu. Năng lượng toả ra tương ứng với độ hụt khối đó gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch. Rất ít khi xảy ra phản ứng trong đó hai hạt nhân vỡ ra có khối lượng bằng nhau.
43. Ví dụ khi bắn nơtron chậm vào hạt nhân 235 U thì nó sẽ vở thành hai mảnh M, N và giải phóng hai ba nơtron 235 1 139 95 1 92U 0 n 54 Xe 38 Sr 2 0 n Trong mọi phản ứng phân hạch, đều có năng lượng tỏa ra dưới dạng nhiệt gọi là năng lượng 235 phân hạch. Trong phản ứng phân hạch 92 U ,năng lượng phân hạch khoảng 200MeV. Điều kiện để một hạt nhân nặng có thể phân Z 2 2 hạch: 17 , ZA / gọi là thông số phân hạch A
44. Hệ số nhân nơtron k: là một đại lượng phụ thuộc tỉ số giữa nơtron sinh ra và nơtron mất mát. k 1 : số nơtron tăng liên tục và phản ứng dây chuyền không điều khiển được sẽ dẫn đến vụ nỗ hạt nhân.
45. VI.Các hạt cơ bản: Là những hạt mà trong những hiện tượng đã biết, các hạt ấy sinh, hủy, biến đổi như một thể đơn nhất (một hạt nguyên vẹn). Mỗi hạt cơ bản đều có một phản hạt tương ứng. Phản hạt có cùng khối lượng, thời gian sống, spin, nhưng có điện tích, momen từ ngược dấu với hạt.
46. 1.Phân loại các hạt cơ bản: a)Photon b)Lepton: là nhóm gồm các hạt như electron ( e ) , muyôn (  ), tau (  )và các hạt nơtrinô gắn với các hạt trên (  e ,,     ). Mỗi lepton được gắn với một số lepton L = +1 Mỗi phản lepton được gắn với một số lepton L = -1. Trong các phản ứng hạt nhân, số lepton L được bảo toàn.
47. - Các mêzôn có khối lượng trong khoảng 200 –> 900 KL của electron và đều không bền, có chu kỳ bán rã cỡ 10-8s hoặc nhỏ hơn.Có hai nhóm mêzôn 0 là mêzôn (,,) và mêzôn KKKK (,,) 0 - Các barion có khối lượng bằng hoặc lớn hơn khối lượng proton. Có hai nhóm barion là nuclôn (n,p) và hyperôn(  ,,   ) Mỗi barion được gắn cho một số barion B = +1, mỗi phản barion B = -1. Trong các phản ứng hạt nhân, số barion B được bảo toàn.
48. 3. Các hạt Quark: Năm 1964 Murray Gell – Mann và George Zweig đã đưa ra giả thiết là các hadron được tạo ra bởi các hạt nhỏ hơn gọi là các hạt quark. Cho đến nay đã tìm được 6 hạt quark là: u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top), mỗi quark có một phản quark tương ứng .
49. Sự tạo thành các hadron dựa theo qui tắc đơn giản sau: * Các barion là tổ hợp của ba quark * Các mezon được tạo thành bởi một cặp quark – phản quark. Ví dụ: proton có thành phần quark là uud notron có thành phần quark là udd mezon có thành phần quark là ud
50. Độ mạnh Phạm vi Hạt Tên lực tương đối tác dụng truyền tương tác Lực hạt Mezon/ nhân 1 10-15 m gluôn mạnh Lực điện 10-2 Phôton từ Lực hạt 10-5 10-18 m 0 nhân yếu WZ, Lực hấp 10-39 Gravitôn dẫn
51. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng hc E 2  2hc 2.6.625.10 34 .3.10 8  13 E 134,9.1,6.10 1,84.10 14 m
52. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng: EEEKK     KKEEE    139,5 105,7 33,8MeV 33,8.1,6,10 13 5,4.10 12 J
53. Phương trình phản ứng:  e e Áp dụng ĐL bảo toàn năng lượng: 2 E 2 me c 2 K e E 2 m c2 K  e 0,99 MeV e 2