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

 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.
 1. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
 1.1. CẤU TRÚC HẠT NHÂN
• Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi hai loại hạt proton (p) và
neutron (n), có tên gọi chung là nucleon.
 A
• Ký hiệu: z X
 X - kí hiệu nguyên tử
 A - số khối lượng, A = Z + N
 Z - số thứ tự, số electron, số proton
 N - số neutron
 1 2 3
• Đồng vị: là các hạt nhân có cùng số proton Z ( 1HDT,, 1 1 ).
 14 14
• Đồng khối: là các hạt nhân có cùng số khối lượng A ( 67CN, ).
 31 32
• Đồng neutron: là các hạt nhân có cùng số neutron N ( 15PS, 16 ).
• Hạt nhân gương: số proton của hạt này bằng số neutron của hạt kia
 33
 ( 12H, He ).
 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.
 CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC NUCLEON
 Chuyển động
 của nucleon
 Trong hạt Chuyển động
 nhân nội tại
 Momen Momen từ Momen cơ Momen
 quĩ đạo quĩ đạo riêng (s = 1/2) từ spin 
 Momen J J J 1 .
 toàn phần
J – số lượng tử mômen toàn phần. 
J = 1, 2, 3, ... nếu A chẵn; J = 1/2, 3/2, 5/2, ... nếu A lẻ.
 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.
 Các loại
 tương tác
 Thế giới vĩ mô Thế giới vi mô
 Hấp Điện từ: Tương tác mạnh Tương tác yếu: 
dẫn: lực ma sát, giữa các nucleon giữa các hạt cơ
hấp dẫn đàn hồi trong hạt nhân bản
 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
 BÀI TẬP VÍ DỤ 1
 8
Hạt nhân Bery 4 Be có khối lượng 8,0053u. Tìm năng lượng liên kết
riêng của hạt nhân.
 Hƣớng dẫn giải
• Năng lượng liên kết của hạt nhân Be:
 22 
 Wlk M.. c Z m p A Z m n M c
 (4.1,007825 (8 4).1,008665 8,0053)u
 0,061.931,5 56MeV
• Năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Be:
 W 56
  lk 7MeV
 A 8
 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.
c. Tia γ: là bức xạ điện từ có năng lượng cao. Phóng xạ γ luôn đi kèm
 theo phóng xạ và .
 • Cơ chế: sau phân rã hoặc  hạt nhân ở trạng thái kích thích, sau
 đó chuyển về trạng thái có năng lượng thấp hơn đồng thời phát ra
 photon năng lượng cao (λ<0,1 A0).
 A*A
 ZZXX hv
 234 * 234
 91Pa 91 Pa h
 • Tia γ có thể xuyên qua một bản
 chì dày vài cm.
 Sự phóng xạ tuân theo
 các định luật bảo toàn:
 • Momen động lượng.
 • Động lượng.
 • Năng lượng.
 • Điện tích
 • Số khối.
• 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 
 2.2. ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ
• Trong quá trình phóng xạ, số hạt nhân
của chất phóng xạ sẽ giảm theo thời gian
theo qui luật: t
 N No e
Với: No - số hạt nhân ở thời điểm t = 0.
 λ - hằng số phân rã.
• Chu kỳ bán rã T là khoảng thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi
một nửa: ln 2 0,693
 T 
  
• Độ phóng xạ H xác định số phân rã trong một giây:
 dN
 H  N e tt H e N
 dt 0o
 H0 - độ phóng xạ ban đầu.
 Đơn vị của H là Becquerel (1Bq=1 pr/s) hoặc Curi (1Ci= 3,7.1010Bq)
• Thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ:  1/
 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
 3. 1. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
• Các quá trình biến đổi của hạt nhân được gọi là phản ứng hạt nhân.
• Trong một phản ứng hạt nhân các đại lượng sau đây phải bảo toàn:
 Số khối, Điện tích, Năng lượng, Động lượng, Momen động lượng.
• Xét phản ứng hạt nhân: AAA1XXXX 2 A3 4
 ZZZZ11 2 2 3 3 4 4
 có tổng khối lượng hạt nhân trước và sau phản ứng là M1 và M2.
 2
  Nếu M1 > M2 : phản ứng tỏa năng lượng: Q M12 M c 0
 Năng lượng tỏa ra dưới dạng động năng các hạt sinh ra sau phản
 ứng, hoặc năng lượng photon tia γ
 2
  Nếu M1 < M2 : phản ứng thu năng lượng: Q M12 M c 0
 Năng lượng được cung cấp cho phản ứng dưới dạng động năng K
 của hạt (khối lượng m) đến bắn phá hạt nhân (khối lượng M):
 m
 KQ (1 )
 min M
 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 .
 Các loại phản ứng phân hạch
• Gọi k là tỷ số giữa số neutron tạo ra và số neutron hấp thụ.
 a. Phản ứng dây chuyền: k>1 (bom nguyên tử).
 139Xe 95 Sr 2 1 n 200 MeV k 2
 235Un 1 54 38 0
 92 0 89 144 1
 36Kr 56 Ba 3 0 n 200 MeV k 3
 b. Phản ứng điều khiển được: k=1 (lò phản ứng hạt nhân).
 c. Phản ứng tắt: k<1.
 235
• Khối lượng tối thiểu của 92U nguyên chất để phản ứng dây chuyền
tự phát xảy ra được gọi là khối lượng tới hạn =1 kg.
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.
 Nhiên liệu nhiệt hạch
Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân heli là
 1 2 3
từ các đồng vị của Hydro:1 H , 1 D , 1T. Các đồng vị này có thể trích lấy
từ nước biển hoặc tổng hợp từ nguyên tử Hydrogen.
 1 3 4
 1H 1T 2 He 19,8 MeV
 2 3 4 1
 1D 1T 2 He 0 n 17,6 MeV
 6 2 4
 3 Li 1D 22 He 22 MeV
 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
d. Điện tích: điện tích các hạt phân bố không đều trong không gian.
 Hạt n, γ, o e p Quarks
 Điện tích 0 -e +e ±e/3, ±2e/3
e. Phản hạt.
- Hầu như mỗi hạt đều có phản hạt của nó.
- Hạt và phản hạt có khối lượng, thời gian sống và spin giống nhau.
 Các đặc trưng còn lại như điện tích, mômen từ của hạt và phản hạt
 +
 có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu: (e ,e ), (p,p), (n,n), (ve ,ve).
- Có một số hạt trùng với phản hạt của nó:   , o o
- Hạt và phản hạt gặp nhau sẽ bị hủy diệt và sinh ra photon.
 e e 2
- Hạt o là hạt trung hòa, nó rất kém bền nên phân rã thành hai
 photon sau thời gian  = 10 16 s:
 o 2
 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).
 HẠT LEPTON
• Lepton là các hạt nhẹ gồm 6 hạt tồn tại theo cặp (e , e), ( , ),
( , ).
• Tương ứng với 6 lepton có 6 phản lepton.
 Khối lượng Tương tác Tương
 Hạt Spin Điện tích (e)
 (MeV/c2) điện từ tác yếu
Electron e 1/2 -1 0,511 Có Có
Electron 
 1/2 0 10 6 Không Có
neutrino νe
Muon  1/2 -1 105,7 Có Có
Muon
 1/2 0 <0,19 Không Có
neutrino 
Tau  1/2 -1 1777 Có Có
Tau 
 1/2 0 <18 Không Có
neutrino 
 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.
 Có 2 nhóm hadron:
a. Meson: Là các hạt có khối lượng trung bình khoảng (200  900me)
có spin nguyên.
• Các nhóm meson: K, π, D, B, 
• Meson được tạo thành từ cặp quark – phản quark
 Hạt Thành phần Điện tích Spin Khối lượng (MeV/c2)
 + u d +1 0 140
 π- d -1 0 140
 K+ u s +1 0 493,7
 K s u -1 0 493,7
 K0 d s 0 0 497,7
 ηc c c 0 0 2980
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