CHƯƠNG 5 :        VẬT LÝ HẠT NHÂN

1. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN    
   1. Những tính chất cơ bản của hạt nhân              
   2. Tương tác giữa các nơtrôn và prôtôn      
   3. Lực tuơng tác hạt nhân                   
2. SPIN HẠT NHÂN                    
3. MÔMEN TỪ HẠT NHÂN                    
4. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT             
5. HIỆN TUỢNG PHÓNG XẠ                  
   1. Sự phóng xạ tự nhiên        
   2. Ðịnh luật phóng xạ                     
6. SỰ PHÂN RÃ HẠT BÊTA VÀ HẠT NƠTRINO     
7. SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN   
   1. Năng lượng vỡ hạt nhân            
   2. Phản ứng dây chuyền của sự vỡ hạt nhân Uran          
   3. Sự làm chậm nơtrôn bằng va chạm       
   4. Nguyên tắc lò phản ứng             
8. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH   
   1. Ðiều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch        
   2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ       
   3. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển            
   4. Phương pháp sử dụng thực tế năng lượng phản ứng nhiệt hạch    

BÀI TẬP

TRẮC NGHIỆM

Hạt  nhân đồng vị

Ðó là những hạt nhân bằng nhau về số Z nhưng khác nhau về số N (tức là khác nhau vế số khối A)

Ví dụ: Hydrogen có ba đồng vị là:

Hạt nhân cùng khối lượng

Ðó là những hạt nhân có cùng số khối A nhưng khác nhau về điện tích hạt nhân Z:

Hạt  nhân gương

Ðó là những hạt nhân có cùng số khối A nhưng số Z của hạt nhân đầu bằng số N của hạt  nhân sau. Ví dụ

Kích thước hạt nhân:

Qua nhiều phương pháp đo bán kính của hạt nhân như:

Hạt nhân có cấu trúc khá bền vững vì lý do các nuclon trong hạt nhân luôn hút nhau bằng những lực rất mạnh. Ðặc điểm của các lực này là:

            @- Lực hạt nhân là những lực tác dụng ngắn trong khoảng cách vài Fecmi và lực này giảm rất nhanh khi bán kính tiến về không.

            @- Lực naöy không phụ thuộc vào diện tích tác dụng của các hạt nuclôn.

@- Lực có tính bảo hòa: Nghĩa là mỗi một nuclôn chỉ tương tác với một nuclôn kế cận mà không tương tác với nhiều nuclôn đồng thời.

@- Lực hạt  nhân xảy ra do sự trao đổi Mêzôn theo những khả năng sau:

@- Thí nghiệm tán xạ của nơtrôn nhiệt có năng lượng cỡ 3 đến 10 eV với nguyên tử Hydrogen có 2 prôtôn mà Spin là song song và đối song cho thấy:

Tỷ số xác suất tán xạ với nguyên tử Hydrogen có 2 prôtôn có Spin song song lớn gấp 30 lần xác suất tán xạ với nguyên tử Hydrogen với 2 prôtôn có Spin là đối song. Ðiều này dẫn đến kết luận là tương tác hạt nhân là một loại tương tác mạnh phụ thuộc nhiều vào sự định hướng tương hổ của mômem Spin của các hạt tương tác; Tương tác này khác với tương tác hấp dẫn và cũng khác với tương tác điện từ. 

Giống như electron hạt nhân gồm những nuclôn mà mỗi hạt đều có Spin S (trị riêng là s =1/2) bởi vì electron chuyển động tự quay quanh nuclôn.

Nuclôn cũng có mômem xung lượng quỹ đạo vì nó chuyển động xung quanh nhân:

Gía trị j  gọi là lượng tử  Spin của hạt  nhân hay gọi tắt là Spin hạt nhân.

Nếu số khối A của nguyên tử là số chẳn thì hàm sóng mô tả trạng thái của nguyên tử là hàm đối xứng lúc đó Spin sẽ là các số nguyên  1, 2, 3...

Nếu số khối A của nguyên tử là số lẻ thì hàm sóng mô tả trạng thái của nguyên tử là phản đối xứng lúc đó Spin sẽ là bán nguyên 1/2,  3/2, 5/2... 

Tương tự như electron, hạt nhân cũng có momen từ riêng ứng với mômen spin của nó. Theo nguyên lý Pauli, hạt nhân có mômem từ riêng nên nó sẽ tác dụng với từ trường tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ, làm sinh ra năng lượng  phụ E của electron ở lớp vỏ.

            Do tương tác với từ trường được tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ nên năng lượng  phụ E phụ thuộc vào trị số mômen từ hạt nhân và sự định hướng của từ trườìng hạt nhân đối với tứ trường electron. Theo tính toán lý thuyết, Pauli cho rằng: mômen từ của hạt nhân chỉ định hướng theo một số phương nhất định so với từ trường của electron hóa trị. Thế nên năng lượng (E chỉ nhận một số gía trị gián đoạn. Số gía trị này phụ thuộc vào trị số Spin của hạt nhân. Khỏang cách giữa các mức năng lượng tùy thuộc vào mômen từ hạt nhân.

            Lưu ý: vì hạt nhân có hai loại hạt: Prôtôn mang điện dương nên có mômen từ quỹ đạo. Hạt nơtrôn không mang điện, nên chỉ có mômen từ Spin. Như vậy mômen từ của hạt nhân bằng tổng mômen từ Spin của tất cả hạt nuclôn cộng với tổng mômem từ quỹ đạo của các prôtôn:

Số hạng thứ nhất ở vế phải của biểu thức 5.4 là tổng mômen từ quỹ đạo của các prôtôn thứ i.  Số hạng thứ hai ở vế phải của biểu thức 5.4 là tổng mômen từ Spin của các prôtôn thứ i. Số hạng thứ ba ở vế phải 5.4 là tổng mômen từ  Spin của các nơtrôn  thứ i.

Ðơn vị mômen từ hạt nhân có tên là Magheton hạt nhân có gía trị bằng:

Vì khối lượng có liên hệ với năng lượng theo công thức:

nên đôi khi người ta biểu diễn đơn vị của khối lượng là đơn vị của năng lượng là eV.

Ví dụ:   khối lượng của electron là:

Khi tạo thành hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của một hạt nhân được hình thành thì luôn luôn nhỏ hơn khối lượng của tổng các nuclôn riêng lẻ tạo nên hạt  nhân đó. Sự sai lệch về khối lượng đó gọi là độ hụt khối lượng m:

trong đó M là khối lượng của hạt nhân mới hình thành.

Ðiều này được giải thích như sau: Khi các nuclôn kết hợp lại thành một hạt nhân,  nó cần có một năng lượng để kết dính các nuclôn. Năng lượng này gọi là năng lượng liên kết. Ðể tạo ra năng lượng liên kết một phần khối lượng của các nuclôn thành phần tham gia kết dính sẽ phải mất đi dưới dạng năng lượng. Vậy năng lượng liên kết có thể tính như sau :

Ngược lại, từ một hạt nhân muốn phân nó ra thành các nuclôn thành phần, ta phải cung cấp một năng lượng E đúng bằng năng lượng liên kết.

            Ðể so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính năng lượng liên kết riêng 

đối với một nuclôn và ta gọi tên nó là năng lượng liên kết riêng:

Nếu năng lượng liên kết riêng càng lớn, thì năng lượng cung cấp làm phân rã hạt  nhân càng cao, vì thế hạt nhân đó được gọi là hạt nhân bền. Ngược lại, nếu năng lượng liên kết riêng càng nhỏ hạt nhân được gọi là hạt nhân không bền.

Ðồ thị biểu diễn năng lượng liên kết theo số khối A của các nguyên tử được vẽ theo thực nghiệm như hình 5.1, dựa theo đồ thị ta thấy:

            Trong các hạt nhân nặng thì năng lượng liên kết lại giảm bởi vì lúc này số prôtôn trong hạt  nhân tăng lên nên lực đẩy Coulomb giữa các Prôtôn mang điện cũng tăng lên làm cho năng lượng liên kết bị giảm xuống. 

Thời trung cổ các nhà giả kim thuật đã tốn nhiều công sức để cố gắng biến đổi nguyên tố hóa học này thành nguyên tố hóa học khác. Mục đích thật sự của họ là sản xuất ra các kim loại qúi như vàng, bạc, bạch kim. Họ không thành công vì cơ sở khoa học vào thời đó còn qúa yếu kém. Tuy nhiên, thực tế thì hạt nhân của nguyên tử không phải là bất biến mà có thể biến đổi thành các hạt nhân khác, thậm chí ở những điều kiện bình thường.

Năm 1892 nhà vật lý học người Pháp Becquerel (đạt giải thưởng Nobel năm 1903) quan sát thấy muối Uran (Z=92) và những hợp chất của nó phát ra các tia phóng xạ. Phân tích các tia phóng xạ người ta thấy có 3 loại tia phóng xạ là:

Tính chất tia phóng xạ

Các tia phóng xạ đều có một số tính chất giống nhau như có thể kích thích để tạo ra một số phản ứng hóa học, có thể ion hóa một số chất khí và có khả năng xuyên thấu một số chất. Các tia phóng xạ đều có năng lượng ( gồm động năng các hạt và năng lượng sóng điện từ).

Khả năng xuyên thấu một số chất tuân theo bảng phân loại sau: 

Tính chất của quá trình phóng xạ tự nhiên

            Quá trình phóng xạ tự nhiên tuân theo điều kiện chuyển hạt nhân từ trạng thái  không bền vững (tức là có mức năng lượng lớn) sang trạng thái bền vững hơn ( trạng thái  có mức năng lượng  thấp hơn).

Kết luận : hiện tượng phóng xạ tự nhiên  là một qúa trình biến đổi hạt nhân mà tổng khối lượng sau phản ứng bị giảm và sinh ra năng lượng, năng lượng đó trở thành động năng của hạt chuyển động. 

Ví dụ

Chất phóng xạ Iot (Z=53, A= 131) dùng trong y tế có chu kỳ bán rã là 8 ngày đêm.  Nếu lúc đầu ta có 200 g chất này, thì sau hai tuần lễ ta còn lại là bao nhiêu gam?

  Sự phóng xạ nhân tạo

Ðiều này cho thấy Spin lúc đầu là bán nguyên nhưng sau phản ứng tổng Spin của các hạt lại là số nguyên. Ðể giải thích vấn đề mâu thuẩn trên, Pauli đưa ra giả thuyết về sự tồn tại hạt nơtrinô như sau:

Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các nuclôn riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ thành các mảnh nhỏ.

Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra tương ứng với độ hụt khối và được gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch.

Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra thì điều kiện cần thiết là mọi hạt nhân khi vỡ, phải phát ra một số nơtrôn. Những nơtrôn này lại có thể bắn phá các nhân Uran khác ở gần đó và cứ thế phản ứng tiếp diễn thành một dây chuyền.

Mỗi khi nơtrôn va chạm vào hạt nhân thì nơtrôn sẽ mất năng lượng vì phải chuyển một phần động năng cho hạt nhân.

Trong một lò phản ứng hạt nhân, các thanh Uran thiên nhiên hay plutôni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền.

Như vậy, nơtrôn nhanh sinh ra do phản ứng phân hạch, sẽ bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt trong chất làm chậm. Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh Cadmi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtrôn nhiệt: muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn những thanh Cadmi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân nơtrôn luôn luôn bằng đơn vị (k = 1) (hình 5.4).

Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đường ống vào trong lò để bảo đảm giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm. Nếu lò dùng để cung cấp năng lượng thì chất làm lạnh đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtrôn.

Một dòng nước thường sẽ nhận nhiệt nóng trong buồng trao đổi nhiệt và biến thanh hơi. Hơi nước sẽ kéo motor của máy phát điện rồi về buồng ngưng hơi và trở về buồng trao đổi nhiệt. Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lò đến buồng trao đổi nhiệt về lò, nhờ hệ thống bơm đặc biệt. Ngoài ra lò phản ứng còn có hệ thống điều khiển và bảo vệ. Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc thay đổi công suất lò phản ứng. Hệ bảo vệ bảo đảm sự an toàn phóng xạ.

Hiện nay, người ta làm nhiều loại lò phản ứng khác nhau với nhiên liệu, chất thải nhiệt, chất làm chậm khác nhau tùy theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung cấp năng lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân.

Người ta nhận thấy có hiện tượng tỏa năng lượng khi kết hợp với các hạt nhân nhẹ tạo hạt nhân nặng. Thực vậy, nếu kết hợp các đồng vị của Hydrogen để tạo thành hạt nhân Helium thì các phản ứng đó sẽ tỏa năng lượng. Thí dụ:

Phản ứng nhiệt hạch là một trong những nguồn năng lượng của các vì sao, Mặt Trời. Phản ứng nhiệt hạch thường xảy ra trong lòng các thiên thể  theo chu trình sau:

Kết quả là bốn hạt nhân Hydrogen tạo thành một hạt nhân Helium, lượng Carbon không thay đổi. Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ hàng chục triệu độ. Mỗi hạt nhân Helium hình thành sẽ tỏa ra năng lượng 26MeV và mỗi khi hình thành 4g Helium thì tỏa ra năng lượng 700.000 kWh.

Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ. Có thể dùng bom hạt nhân để tạo ra nhiệt độ đó, nhưng phản ứng nhiệt hạch xảy ra sẽ chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn (cỡ 10-6s)rồi tắt hẳn. Vì vậy phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong điều kiện đó gọi là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển.

Mặc dù chưa thực hiện được hoàn toàn phản ứng nhiệt hạch điều khiển được, nhưng người ta vẫn dự kiến những cách sử dụng năng lượng các phản ứng đó. Có thể biến trực tiếp năng lượng nhiệt hạch thành năng lượng điện: khi nén, năng lượng từ trường biến thành động năng của platma, do đó phản ứng nhiệt hạch xảy ra và tỏa nhiệt. Nhiệt độ và áp suất sẽ tăng, platma lại dãn ngược với tác dụng nén của từ trường. Thành thử khi dãn, năng lượng platma lại biến đổi thành năng lượng từ trường. Năng lượng từ trường có thể biến đổi trực tiếp thành năng lượng điện.

4. Spin hạt nhân tạo ra là do:

a)      Chuyển động tự quay quanh nhân của các nuclôn do sự chuyển động của điện tử ở lớp võ.

b)      Các nuclôn trong hạt nhân luôn hút nhau bằng những lực rất mạnh.

c)      Bán kính của hạt nhân qúa nhỏ.

d)      tương tác hạt nhân là một loại tương tác mạnh phụ thuộc nhiều vào sự định hướng tương hổ của mômem Spin của các hạt tương tác.

e)      Câu a, câu b, câu d đều đúng. 

5. khối lượng của Deteri tương ứng với năng lượng vào khoảng:

a)      938,23 MeV.                            b) 3726,2MeV.

c)   1875,5 MeV                             d)  2000 MeV 

6. Có một câu phát biểu sai:

a)      năng lượng liên kết riêng càng lớn, thì năng lượng cung cấp làm phân rã hạt nhân càng cao.

b)      năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân đó càng bền vững.

c)      những hạt nhân nhẹ. là những hạt nhân bền vững.

d)      một hạt nhân muốn phân nó ra thành các nuclôn thành phần, ta phải cung cấp một năng lượng (E đúng bằng năng lượng liên kết. 

7. Sự phóng xạ tự nhiên:

a)      hạt nhân của nguyên tử không phải là bất biến mà có thể biến đổi thành các hạt nhân khác.

b)      những chất có khả năng phát ra các tia phóng xạ.

c)      biến đổi nguyên tố hóa học này thành nguyên tố hóa học khác.

d)      những chất phát ra bức xạ điện từ trường.

e)      Câu b và d là đúng. 

13. Năng lượng kích hoạt là:

a)      Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia.

b)      Năng lượng truyền cho các nuclôn riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại.

c)      Năng lượng dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân.

d)      Câu a và câu b.                       e)  Câu b và câu c. 

15. Khi hạt nhân vỡ thì:

a)      Khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng.

b)      Khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ ra bao giờ cũng lớn hơn khối lượng hạt nhân nặng.

c)      Xác suất xuất hiện các mảnh vỡ ra phụ thuộc vào số nuclôn A của chúng.

d)      Câu a và câu b.

e)      Câu a và câu c.                            

16. Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra:

a)      Nơtrôn sinh ra bị các tạp chất trong nhiên liệu hấp thụ nhanh.         

b)      Hệ số nhân nơtrôn k luôn là số dương.

c)      Hệ số nhân nơtrôn k luôn lớn hơn hay bằng 1.

d)      Mọi hạt nhân khi vỡ, phải phát ra một số nơtrôn. 

17. Phản ứng nhiệt hạch là:

a)      Hiện tượng tỏa năng lượng khi kết hợp với các hạt nhân nhẹ tạo hạt nhân nặng.              

b)      Phản ứng kết hợp các đồng vị của Hydrogen để tạo thành hạt nhân Helium.

c)      Những phản ứng thường xảy ra trong lòng các thiên thể.    

d)      Tất cả những ý trên.

e)      Không phải là những câu trên. 

18. Muốn phản ứng nhiệt hạch xảy ra:

a)      Cần có nhiên liệu nhiệt hạch là Litium Hiđrua LiD ở trạng thái rắn.

b)      Chỉ cần có ánh sáng platma tồn tại trong một thời gian rất ngắn.

c)      Cần nhiều nơtrôn có năng lượng nhỏ từ  0,1 --> 0,001eV.

d)      Cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ.