Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 8: Vật lý hạt nhân - Phạm Thị Hải Miền

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 8: Vật lý hạt nhân - Phạm Thị Hải Miền

1. CHƢƠNG 8 VẬT LÝ HẠT NHÂN 1. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 1.1. Cấu trúc hạt nhân. 1.2. Lực hạt nhân. Năng lƣợng liên kết. 2. HIỆN TƢỢNG PHÓNG XẠ 2.1. Cơ chế phóng xạ. 2.2. Định luật phóng xạ. 3. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 3.1. Phản ứng hạt nhân. 3.2. Năng lƣợng hạt nhân. 3.2.1. Phản ứng phân hạch. 3.2.2. Phản ứng nhiệt hạch. 4. HẠT CƠ BẢN 4.1. Tính chất hạt cơ bản. 4.2. Phân loại hạt cơ bản.
2. 1 3 • Kích thước (bán kính) hạt nhân: R Ro A -15 Với: Ro = 1,2.10 m 4 3 4 1 3 3 4 3 • Thể tích hạt nhân tỉ lệ với số khối A: V R Ro A Ro A 3 3 3 • Khối lượng riêng của tất cả các hạt nhân bằng nhau: M mA p 2,3.1017kg m 3 443 RA3 1,1 . .1045 33 ρ rất lớn các nucleon xếp rất chặt.
3. 1.2. LỰC HẠT NHÂN Lực hạt nhân là lực hút giữa các nucleon để giữ cho hạt nhân bền vững. Tính chất của lực hạt nhân: • Không phải là lực điện. • Có tác dụng tầm ngắn: trong phạm vi 10 15 -10 14 m. • Có tính chất bão hòa: mỗi nucleon chỉ tương tác với một số nucleon lân cận nó. • Phụ thuộc spin của các nucleon. • Không phải là lực xuyên tâm. • Là lực trao đổi: tương tác giữa hai nucleon được thực hiện bằng cách trao đổi với nhau các hạt mezon +, , 0: n  p,,, p  n n  n 00 p  p luôn có sự chuyển hóa lẫn nhau giữa các nucleon.
4. KHỐI LƢỢNG HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƢỢNG LIÊN KẾT Hạt Kg u Proton p 1,6726.10-27 1,007825 Neutron n 1,6750.10-27 1,008665 Với: 1u = 1,6605402.10 27 kg= 931,5 (MeV/c2) • Khối lượng hạt nhân M luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân đó một lượng ΔM gọi là độ hụt khối hạt nhân: M Z mp A Z mn M • Năng lượng liên kết Wlk là năng lượng cần thiết để tách hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ ở xa nhau. 22 Wlk M c Z m p A Z m n M c • Năng lượng liên kết riêng tính cho một nucleon: đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. W  lk (7 Mev <ε< 8,6 MeV) A
5. 2. HIỆN TƢỢNG PHÓNG XẠ 2.1. CƠ CHẾ PHÓNG XẠ Hiện tượng phóng xạ là sự phân rã các hạt nhân không bền và phát ra tia phóng xạ (là phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng). 4 a. Tia : là hạt nhân 2 He . Là sự phân rã của các hạt nhân nặng có A>200, Z>82. A A 4 4 238 234 4 Z X Z 2Y 2He 92U 90 Th 2 He • Cơ chế: các hạt α chui ngầm ra khỏi hàng rào thế năng của hạt nhân. • Tia có thể xuyên qua một tờ giấy. b. Tia : là chùm electron (β- ) hay positron (β+). A0A A0A ZXY Z 1 1e ZXY Z 1 1e 234 234 * 0 13 13 0 90Th 91 Pa 1 e 7Ne 6C 1 n p e  • Cơ chế: do sự biến đổi qua lại giữa proton và neutron e p n e  e Với  e và  e là hạt neutrino và phản hạt neutrino • Tia  có thể xuyên qua một lá nhôm dày vài mm.
6. • Thực nghiệm chứng tỏ rằng có thể tạo nên những chất phóng xạ không có trong tự nhiên, đó là những chất phóng xạ nhân tạo. 23 1 24 • Ví dụ: 11 Na 0 n 11 Na 
7. BÀI TẬP VÍ DỤ 2 14 Cho chu kỳ bán rã của 6 C là 5600 năm. Xét một tượng cổ bằng gỗ, người ta thấy độ phóng xạ β- của nó chỉ bằng 0,77 lần độ phóng xạ của một khúc gỗ có cùng khối lượng vừa mới chặt. Xác định tuổi của tượng gỗ. Hƣớng dẫn giải t • Độ phóng xạ của khúc gỗ mới chặt: H1o H e ()tt • Độ phóng xạ của tượng gỗ: H2o H e ()tt H2 Heo . t t e 0,77 H1o H e ln 0,77 ln 0,77 t 2112 năm  0,693/ T
8. 3.2. NĂNG LƢỢNG HẠT NHÂN • Năng lượng hạt nhân là năng lượng thu được trong phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng. • Để phản ứng tỏa năng lượng: phân chia hạt nhân lớn (phản ứng phân hạch) hoặc kết hợp các hạt nhân nhỏ (phản ứng nhiệt hạch). 3.2.1. Phản ứng phân hạch: là phản ứng tách hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn. Độ hụt khối chuyển thành năng lượng tỏa ra. 235 1 92U 0 n X Y neutrons Q 1 Với: 0 n – neutron chậm (năng lượng < 1MeV). X, Y – hạt nhân kết quả. Có nhiều tổ hợp (X,Y) thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng, số khối và điện tích. Z 2 • Điều kiện phân hạch: 117 A • Sự phân hạch có thể xảy ra tự phát (không cần bắn phá hạt nhân bằng neutron) nhưng xác suất thấp. 235 239 • Nhiên liệu chủ yếu thực hiện phản ứng phân hạch: 92U , 92 Pu .
9. 3.2.2. Phản ứng nhiệt hạch: là phản ứng tổng hợp các hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn. • Để cho phản ứng tổng hợp xảy ra, cần phải truyền cho chúng năng lượng đủ để thắng hàng rào thế các hạt nhân có thể tiến lại gần nhau tới các khoảng cách tại đó các lực hạt nhân bắt đầu tác dụng thắng lực đẩy Coulomb phản ứng bắt đầu. Sau khi phản ứng phát triển, nó có thể tự duy trì do có sự tỏa năng lượng trong các phản ứng tổng hợp. • Năng lượng truyền cho các hạt nhân nhẹ dưới dạng nhiệt khoảng 108 K nên gọi là phản ứng nhiệt hạch. • Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển được dùng làm vũ khí nhiệt hạch. • Trong tự nhiên, phản ứng tổng hợp hạt nhân nhẹ xảy ra trong các ngôi sao làm chúng phát sáng (ví dụ mặt trời), còn tổng hợp hạt nhân nặng xảy ra trong các vụ nổ siêu sao.
10. 4. HẠT CƠ BẢN 4.1. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT CƠ BẢN a. Khối lƣợng nghỉ. - Photon: m 0 - Các hạt khác: m 0 - Hạt nặng nhất: hạt bodon trung gian mm 100 p b. Thời gian sống trung bình τ. - Hạt e, p, νe , γ :  - Hạt n:   900s (n p e ve ) - Một số hạt cộng hưởng:  10 24 s c. Spin. Hạt e, p, n γ π - hạt bodon: s là số nguyên. - hạt fecmion: s là số bán nguyên. s 1/2 1 0
11. 4.2. PHÂN LOẠI CÁC HẠT CƠ BẢN • Boson: có spin nguyên, là những hạt truyền tương tác. Có 4 loại: 1. Photon: truyền tương tác điện từ. 2. Gluon: truyền tương tác mạnh. 3. W boson và Z boson: truyền tương tác yếu. 4. Graviton: tương tác hấp dẫn? • Fermion: có spin bán nguyên, là những hạt cấu tạo nên vật chất. Chia làm 2 nhóm: 1. Hạt nhẹ lepton: 6 hạt lepton. 2. Hạt nặng quark: 6 hạt quark. Những hạt cấu tạo nên vật chất đều có phản hạt (phản vật chất).
12. HẠT QUARK • Hạt quark là những hạt nặng bao gồm 6 loại: u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top). Quark Spin Điện tích (e) Khối lượng (MeV/c2) u 1/2 2/3 2,4 d 1/2 -1/3 4,8 s 1/2 -1/3 104 c 1/2 2/3 1270 b 1/2 -1/3 4200 t 1/2 2/3 171000 • Mỗi quark có phản quark tương ứng. • Các hạt quark kết hợp với nhau tạo thành các hạt nặng Hadron là hạt tham gia tương tác mạnh và các loại tương tác khác.
13. b. Baryon: là hạt nặng (m> mp ) có spin bán nguyên. • Gồm các nhóm: nucleon (p, n), hyperon (, , , ), barion duyên và barion đẹp. • Barion được tạo thành từ ba quark. Hạt Thành phần Điện tích Spin Khối lượng (MeV/c2) p uud +1 1/2 938 n udd 0 1/2 939 Σ+ uus +1 1/2 1189.4 Λ0 uds 0 1/2 1115.7 Δ- ddd -1 3/2 1232