Tài liệu Cơ sở vật lý hạt nhân

G S.TS. NGÔ QUANG HUY N gười nhận x é t : G S.TS TRẦN ĐỨC THIỆP PGS.TS PHẠM QUỐC HÙNG Cơ Sở VẬT LÝ HẠT NHÂN NHÀ XUẤT BÀN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT LỜI NÓI ĐẦU Môn Vậi lý hai nhân được giảng dạy Irong c ác khôi kỹ thuật lại các trường đại học V iệt N am sucít nửa th ế kỷ qua. Đối tượng nghiên cứu về Gnh vực vật lý hạt nhản là sinh viên, học viên c ao học, nghiên cứu sinh, c ác cán hộ khoa học. Vì vậy nhu cầu có sách về vật lý hạt nhân đ ể học lập và tham k hảo là khá lớn. Q uyển sách “Cơ sở vật lý hal n h â n ” được soạn thảo trên cơ sở các bài giảng củ a lác già cho bậc đại học và sau đại học ưong các n ă m qua. Vật lý hạt nhân hao hàm mộl phạm vi rấi rộng về lý chuyếl và ihực nghiệm đối với hạt nhân và hạt cơ bản từ năng lượng rất thấp đ ế n năng lượng rất cao. M ột quyển sách v ẻ cờ sở vật lý hạt nhân chỉ hạn c h ế m ộl p hần n ào đó ưong p h ạ m vi k iến thức này. Hiện nay Việt Nam đang sử dụng lò phản ứng hạc nhân, m áy gia tốc nảng lượng ihâ'p và c ác thiếl bị ứng dụng ch ất phóng xạ, và hơn nừa, c húng ta dang chuẩn bị các đ iểu kiện đ ể xây dưng nhà m áy điện hạt nhân. Nói khác đi, phần lớn công tác nghiên cứu và ứng dụng tập irung v ào lĩnh vực vật lý hạt nhân nảng lượng ihâ'p, mà chủ yếu là vật lý thực nghiệm . X uất phát từ lý do đó, quyển sách này tập irung vào vật lý hạl nhân thực nghiệm năng lượng thấp và năng lương trung hình- Tuy nhiên, đ ể phản ả n h tương dối đẩy dủ cơ sỏ vật lý, trong quyển sách cũng irình bày các lý thuyếl về vậc lý hại nhân ỏ một mức độ vừa phải nhằm giúp cho sinh viên có Ihể tiếp thu được. Q uyển sách gồm có 7 chương. Chương 1 nêu tóm tắl về vật lý nguyên tử và c ác dặc trưng, tính chất cơ bản của hạt nhân. Chương 2 dành cho c ác m l u hại nhân, gồm m ẵu giọt châì lỏng, m ẫu vỏ và m ẫu suy rộng. Phàn ứng hạl nhân được lỉinh hày trong chương 3, trong đó có các cơ c h ế phản ứng hợp phần và phản ứng (rực tiếp, vằ hai loại phản ứng d ảc thù là phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng lổng hợp nhiệt hạch. Chương 4 mỏ tả các quá trình phân rả alpha, beca và dịch ch uyển gam m a. Trong chương 5 trình bày các quá trình truyền các bức xạ alpha, beta, gam m a và 3 n e utro n qu a vật chãi. Chương 6 dành cho các nguồn bức xạ. gồm các nguổn p h ó n g xạ iư nhiên và nhân lao, c ác Ihiêì hi bức xa như lõ phản ứng hạt nhân và m á y gia tốc hal lích điện. Cuối cùng Irong chương 7 trình b ày c ác phương p h á p ghi đo hức xạ. gổm các detector hức xa, các hệ đo d ạ c hức xạ và c ác phưiíng p háp xử lý s ố liệu thức nghiệm. Trong phần cuôi mồi chương cùa quyến sách đều nêu một s ố hài láp ví du c ó lời giãi m ẫu và khoáng 10 15 bài tập iư giải V iệc giải các bài lâp này s ẽ g iú p cho hạn đ ọc nám kỹ hcin phần lý thuyết. Hiện nay c ó khá nhiều sách về vật lý hạt nhân xuất hãn trong nưđc và n g o à i nước. Việc xuấl bản quyển sách n ày nhằm bổ sung cho h ệ Ihống sách v ề vật lý hạt nhân ở Việl Nam. T ác giả chân thành cảm (fn V iện N ăng lương N guyên tử Việt Nam tạo đ iều kiện soạn thảo và Nhà Xuấi Bàn Khoa học và Kỹ thuật xuất bản quyển sách này. T ác giả bày tỏ lòng cảm ơn đến G S .T S T rần Đ ức T hiệp, PGS.TS Phạm Q uốc Hùng. P G S T S Ngô Phú An. PG S.T S Trần Thanh Minh. PGS.TS Vương Hữu T ấ n và T S Hà Văn T hôn g đã đóng g ỏ p nhiều ý kiến nhận xét có giá irị về nội dung quyển sách. T á c giả m ong m uốn nhận đươc các ý kiến từ han đọc đ ể quyển sách này ngày càng hoàn th iệ n hơn. T ác yiả MỤC LỤC T rang Lời n ó i đ ẩ u 3 M ụ c lụ c Chương Ị . C Á C Đ Ặ C TRƯNG VÀ TÍNH C H A T c ơ BÂN 5 C Ủ A H Ạ T NHÂN 1.1. T ó m tắt về vật lý nguyên tử 1.1.1 Nguyên lử hydrogen ỉ 1.2. C á c nguyên tử kim lọai kiềm 1. ỉ .3 M om en lừ của electron và hiệu ứng Z eem an 1.1.4. Spin electron và cấu tao bội của vạch quang phổ 1.1.5. Quy luât phân bỏ'các electron quỹ d ạ o và hê thông tuần hoàn M e n d ele ev 11 11 II 14 18 20 22 1.2. C á c hal nhân dồng vị, đồng khối và đồng khối gương 1.2.1. C á c thành phần CƯ bản của hạt nhân 1.2.2. C á c hal nhân dồng vị 1.2.3. C á c hạ! nhán dồng khối 1.2.4. C á c hại nhân đồng khối gương 1.3. Kích thước và hình dạng của hạl nhân 1.3.1. Kích thước hạl nhán 1.3.2. Hình dạn g hạl nhán 1.4. N ăng lượng liên kết của hạt nhân 1.4.1. Đơn vị đo khối lượng và năn g lương 1.4.2. Độ hụt khôi và năng lượng liên kết 1.4.3. Năng lương lién kếl riêng 24 24 24 26 27 27 27 30 32 32 32 33 1.4.4. Nãng lượng tách c ác hai ra khỏi hạt nhân 1.4.5. C ôn g ihức bán thực nghiệm về nảng lương liên kết 1.5. Spin và m om en từ của hạt nhản 1.5.1. Spin hạt nhãn 1.5.2. M om en từ của hạt nhân 1.5.3. C á c quy luât thực nghiệm rút ra từ nghiên cứu momen từ hạt nh ân 34 34 36 36 37 1 6 M om en tứ cực d iệ n của hạt nhân 1.6.1. M om en tứ cực nội Q„ và m om en tứ cực ngoại Q 1.6.2. X ác định Ihực nghiệm các m om en tứ cực 41 41 43 1.7. Độ c h ỉ n lẻ 45 41 5 1.8. Spin dồng vị 1.9. C á c loai cương lác và lực hạt nhân 1.9.1. T ổn g quan vẻ c ác loại tương lác 1.9.2. C á c tính chất của lực hạt nhân 1.10 Bài tập 1.10.1. C ác bài lập ví du 1.10.2. C á c hài lập lự giải Chương 2. C Ấ C M Ẫ U IIẠT NHẢN 2 . 1. Sư cần ihiết c ủ a các m ẩu hạl nhãn 2.1.1. Lý do xuâl hiộn c ác m ẩu hal nhân 2.1.2. Phân loại c ác m ẫu hạl nhân 2.2. Mầu gioi chãi lòng 51 57 ĨV 59 60 61 2.2.1. C ơ MÌ xãy dựng m àu giọt chất long 2.2.2. Năng lương liên kết của hal nhân 2.2.3. Khối lư <» (hình 1.1). ỉ. 1.1.2. Quang p h ổ c ù a hydrogen tfm h / . / . C á c mức năng lượng của các H ình 1.2. Sơ đồ quang phổ electron quỹ hydrogen. hydrogen. đạo irong nguyên tử T ừ Sít d ồ các mức nảng lưđng electron theo hình 1.1 có Ihể giải thích cáu ta o vạch quang phổ hydrogen. Quang phổ vạch là các vạch m àu nhỏ nét quan sát ihấy trong dung cụ quang phố khi phân tích hệ phá! sáng cùa khí hydrogen hằng cách phóng điện qua một ống dưng khí hydrogen ờ á p suâ*t 13 thấp. Hiện tượng này được mô lả như sau. Khi không có kích thích bên ngoài, electron hao giờ cũng ờ trạng thái cơ hàn ứng với m ức nảng lượng thấp nhâì W |. Dưới tác dụng cùa kích thích hên ngoài, ví dụ dòng điện, electron dược tăng năng lượng. Nó chuyển dời sang trạng thái kích Ihích với năng lượng w n cao hơn. Electron chỉ ỏ Irạng thái kích thích trong một khoảng thời gian ngắn, khoảng 10* s, sau đỏ trờ vể trạng (hái ứng với mức nảng lương w n Ihấp hơn. Trong quá trình chuyển mức nảng lương, electron sẽ giải phóng năng lượng dưới dạn g hức xạ điện lừ, nghĩa là phát ra một pholon m ang năng lượng hv. T h eo định luậỉ bảo toàn nảng lương (a có: w n- w n = h v (1.7) T hay w n và w n theo công thức (1.6) vào (1.7) ta được lần số ứng vđi các vạch quang phổ: ( 1 .8 ) Tính tần số V theo công thức (1.8) vđi các giá trị n ’ =1. n' = 2 , n' = 3, n’ = 4 và n ' = 5 la dược các d ãy quang phổ Lym an (ánh sáng tử ngoai), Balm er (ánh sáng nhìn thây) và các dãy ánh sáng hổng ngoại như Paschen, Bracketỉ và Pfund, hoàn toàn phù hợp vđi ihực nghiệm (hình 1.2). 1.1.2. C á c n g u y ê n t ử kim loạỉ kỉềm 1.1.2.1. N ă n g lượng của electron hóa trị trong n guyên tử k im loại kiềm C á c nguyên lử kim loại kiềm (Li, Na, K, Rb, Cs, . ) cấu tạo gần giống như nguyên tử hydrogen. Trong m ẫu lớp nguyên tử, lớp ngoài cùrg của các n guyên lử này chỉ có m ột elecưon hóa irị (hình 1.3). Hydrogen (H) Lithium (Li) Sodium (Na) Hình 1.3. M ẫu lớp của c ác nguyên tử kim loại kiềm Li và Na. 14 Electron hóa trị liên kêì yếu với phần còn lại của nguyên tử, được gọi là lõi của nguyên lử, gồm hạl nhân và c ác electron còn lại. Có thể xem chuyển động cùa cleclron hóa Irị như chuyển động trong irường Coulomb g á y bởi lỗi nguyên tử, giống như chuyến động củ a eleclron trong nguyên tử hydrogen. C h o nên. tính chất quang học của các nguyên tử kim loại kiềm về c ăn bản giông tính chất quang học của nguyên tử hydrogen. Trong nguyẽn tử kim loại kiềm, ngoài năng lượng tương tác giữa electron hóa trị với hại nhân còn có năng lượng phụ gây ra do sự tương tác giữa electron hỏa trị với các elecư on khác n ên năng lượng của electron hóa trị trong n g u y ê n tử kim loai kiềm khác chút ít với nảng lượng của elecưon Irong nguyên tử hydrogen Khi đó nảng lương electron hóa ưị irong kim loại kiềm , ngoài sự phụ thuộc vào S Ổ I lượng tử chính n, còn phụ thuộc vào sô' lượng lử quỹ đ ạ o ( theo công thức sau đây: Bánx / . /. C á c giá trị A, đối vđi môt s ố nguyên tử kim loại kicm ở các ư ạ n g (hái khác nhau. z 3 11 19 37 55 A, Ap Ao Af Li Na 0,412 1,373 0,041 0,883 0,002 0,010 0,000 0,001 K 2,230 1,776 0,146 0,007 Rb 3,195 4,131 2,711 1,233 2,448 0,012 0,022 Nguyên lố Cs . 3.649 BđễếR I 2. C á c ư ạ n g thái và năng lượng của electron hóa trị trong nguyên (ử kim Hoại kiềm n l Trang ihái Mức nảng lương Lớp 1 2 0 0 is 1S K 2s 2S 2P L 1 3 0 2p 3s 1 2 3p 3d 3S 3P 3D M 15 Trong công Ihức (1.9) A, là s ố hiệu chính phụ thuộc vào số lượng lử quỹ đ ạ o f. Hẩng I I irình bày các giá trị A, đối vđi môt s ố nguyên lử kim lo ạ i k iề m ỏ c á c ir ạ n g th á i v ớ i ( k h á c n h a u . T a k ý h iệ u ir ạ n g ih á i s VỚ I í = 0 % Irạng thái p với l = 1, trạng Ihái d với ( = 2, trang ihái f vđi t = 3 T h eo công ihức (1.9), năng lượng w n, phụ thuộc vào 2 số lương tử II và ( nên người ta ký hiệu c ác mức nảng lương hằn g nS khi ( = 0, nP khi f = 1, nD khi ( = 2 và nF khi ỉ = 3. Khi đó la có c ác trạng thái và năng lương tương ứng nêu irên hảng 1.2. /./.2 .2 . Q uang p h ổ của nguyên tứ kim loại kiềm Cũng giống như nguyên lử hydrogen, khi có kích thích từ hên ngoài, electron hóa trị chuyển từ trạng thái ứng với mức năng lượng thấp n»v ti) sang trạng ihái ứng với mức nảng lương n, ( cao hơn. Sau đó nó trở vé trạng ihái với mức năng lượng n \ V ihấp hơn và giải phổng năng lượng dưới dạng hức xạ đ iệ n lừ* nghĩa là phái ra phoion năng lương hv. V iệc chuyển mức năng lượng này tuân theo quy tắc lựa chọn như sau: ( 1. 10 ) n*< n và A t = í ' - t = ± 1 T h eo quy lắc lựa chọn (1.10), quang phổ của lithium được thế hiện irên hình 1.4. oo 3D 3P -Ai-------- Dãy 3S • np 2P Các dăy 2P nS 2P nD 2S — 7 Dãy 2s - np Hình 1.4. Sơ dồ quang phổ của lithium. Chú thích: Ký hiệu 2S - nP d ể chỉ dịch ch uyển nP 16 * 2S ¡.¡.2 .3 . Kích thích và ion hóa nguyên tử C ác electron cúa nguyên lử chiếm đầy các Irạng ihái ihấp nhấl ở các quỹ d ạ o ihâp nhấl. Ví du nguyên cử sodium (Na), hình 1.3, có I I electron, trong d ỏ 2 electron nằm ờ híp K. 8 electron nằm Cl lớp L và I electron còn lại n ằ m ờ lớp M Đó là Irạng ihái cơ bản của nguyên lử. C á c electron nằm ở lớp càn g ih â p thì càng bi lực tác dung húi manh vào hal nhán. Đ ể chuyển nó lèn Kíp cao hơn phải có nãng lương cung cấp từ hên ngoài. Khi m ột electron nào đ ó d ư ợ c cung cấp năng lương chuyển lừ lớp dưới lên lớp trẽn thi d e lai một lồ irố ng ở lớp mà nó vừa bó di. Khi dó nguyên tử ở trạng thái kích thích. Nếu dươc cưng c ấ p m ộl nảng lương râì lớn. electron c ó thể thoái ra ngoài nguyên lử. nghĩa là không chịu lực hút của nguyÍMi tử, và để lai mộl lổ irống lại lớp nỏ vừa bỏ đi. Khi đó ta nói nguyên lử hi ion hóa. tức là nguyên lử với diện lích dưưng có giá irị bằng đ iện lích các eleclron hay ra ngoài. N ăng lượng ion hóa nguyên tử là năng lưựng c ần ihiếl để mộl e le c tro n chuy ển từ mức cơ bán ư ở thành electron tự do. Chẳng han nảng lương ion hỏa nguyên tử hydrogen Ejh, iheo hình 1.1, là nãng lương c ần ihiết đ ể e le c tro n chuy ển (ừ mức nảng lương cớ b ản K (nj = 1) lê n mức năng lượng cao n h ấ l khi n 2 —> tức là: E,|, = w „2 - W B| = 0 - (-Rh) = Rh (1.11) Thay*R = 3.27.10” s ' v à h = 6,625.10 M J.S v à o c ông thức (1.11) ta dược E = 13,6 eV. Khi nguyên lử hị kích ihích hay bị ion hóa, vị trí cũ của electron trỏ ihành lỗ trống. N ếu một elecư o n n ào đó ò lớp cao n? rơi v à o lỏ trống ở lớp thap 111 thi nguyên lử giải phỏng một nàng lương bằng hiệu sô' giữa hai mức nàng lương (Ương ứng với hai lđp này : E = WIl2- W IlI= R h ' 1 I 2 2 ni n2 / vđin2> n i (1.12) N ảng lượng H được giải phỏng ra khỏi nguyên lử dưới dạn g một hức xạ diên từ, ch ần g hạn là ánh sáng đối với nguyên lử hydrogen. Đối với các nguyên tử n ặn g , lức là có s ố nguyẽn tử z lrtn, năng lưdng bức xạ có giá trị lởn. T ro n g trường hcíp này, khi electron chuyển giữa các mức thấp, hức xa phái ra c ó năng lương khá lđn. gọi là tia X (hình 1.5), còn đối với c ác lớp c ao hơn. n ă n g lương hức xa b é , khi dó nguyên tử phát ra c ác lia ánh sáng tử ngoai, á n h sáng nhìn ihây hoặc ánh sáng hồng ngoại. Tia X và các bức xạ ánh sán g đ ều là sóng điện từ, chúng chỉ khác nhau vé tần s ố sóng. Chúng có linh c h ấ l hal n ê n còn goi là phoion hay lượng tử ă nh sáng._____________ I ĐAI H O C Q U O C GIA HẢ NỘI TRUNG TÁM THÔNG TIN THƯ VIỂN 7 CSVLHN V t ì O / 17 Tia X Hlectron lớp L Lổ trống lớp K Hình 1.5. Nguyên tử bức xạ tia X. Trong quá trình tương tác của hức xạ vđi vật chất, n ả n g lượng cùa tia bức xạ như alpha. beta, gamm a được Iruyển cho các electron quỹ đạo. C ác hiệu ứng chung khi tưđng tác của bức xạ với vật ch ất là kích thích và ion hóa nguyên tử môi trường. 1.1.3. M o m e n t ừ cù a e le c tr o n và h iệ u ứng Z e e n ia n Electron chuyển động ư ê n quỹ đ ạo của nguyên tử n ên nó có momen động lượng f với c ác giá ưị gián đoạn: (1.13) và hình chiếu lên phương z bấi kỳ: (1.14) ( ?), = mf) Trong đó m là s ố lượng lử từ Electron chuyển động quanh hal nhãn lao nên dòng điện. D òng đ iện này có m om en lừ ngược chiều và lĩ lộ với (: (1.15) Hình chiếu cùa m om en từ lên phương z bảì kỳ hầng: Uy = - mun (1.16) Trong đó Mb là magnelon Bohr: |!b = 2m e = 10 23 A .m 2 (1.17) Độ lớn của momen từ (1.15) được viết qua m agneton Bohr như sau: 18 H iện tượng Z eem an là hiện tương lách vạch quang phổ nguyên tử thành nhiều vạch sít nhau khi nguyên cử phác sáng đặl trong từ irường. Ví dụ, la dặt m ộ t nguồn khí hydrogen phát sáng vào giữa hai cực mộl nam ch âm điện. Khi quan sái các hức xạ phát ra theo phương vuông góc với vector từ trường thì ihấy mồi vạch quang phổ của nguyên tử hydrogen hi tách thành 3 vạch sít nhau. G iải thích hiên tượng Z eem an như sau Vi electron có momen từ ịl ncn khi đ ặ l nguyên lử hydrogen vào từ trường B thì electron có thêm nảng lượng phu: AW = - ( £ B ) (1.19a) Giá sử phương z là phương của từ trường B thì: A W = - n, B = - m fiH B (1.19b) N hư v ậy khi nguyên lứ hydrogen dãt trong từ trường, năng lương W ’ của electron còn phụ thuộc vào số lượng tử m như sau: W’ = w + m|iB B (1.20) Trong đó w là năng lượng của electron khi nguyên tử hydrogen không đ ã l trong từ trường. N ếu electron dịch chuyển từ trang ihái ứng vđi năn g lương w *2 sang trạng ihái ứng với nàng lượng W ’| ihấp hớn thì nó sè phát ra hức xạ điện từ. Tần số v ạch quang phổ hàng: v. = w 2- w , = w 2- w , h Ị (m 2- m , ) n BB h h w - w Trong đó — ------- — = V là lần s ố của vạch quang phổ hydrogen khi h nguyên (ử hydrogen không đặt irong từ trường. Do đó: v . = v + (mi - m j H ỉ B lì Quy tấc lưa chon dối với số lương ỉử lừ m như sau: Am = m 2 - IĨ1| = 0, ± 1 Như vậy v' có thể nhận 3 giá trị: V- — ( 1 .2 2 ) (1.23) B h v' = i v (1.24) v+ i ^ B h 19 nghĩa là một vạch quang phỏ khi không có từ nường được lách thành 3 Viicih khi cổ từ Irường, Irong đó vạch giữa irùng vđi v ạch củ. 1.1.4. Spin e le c tr o n và c â u tạ o bộỉ c ủ a v ạ c h íịỉKầnv, phỏ L I . 4.1. Spin electron và cấu trúc tin h t ế của m ứ c n ã n g lượng Electron có m om en spin s vđi độ Iđn: \ ĩ ì = y[s(s+\)h (1.25) T ro n g dó s = 1/2 là s ố lượng tử spin, hay spin của electron. Mình ch iếu củ a m o m e n spin lẽn phương 7. bấl kỳ bằng: (ĩ), =± - t i (1.26) Do electron có m om en quỹ đ ạơ ( và momen spin S nên nó có m o m e n lo àn p h ẩn J : j = í + s (1.27) Độ lđn c ủ a m om cn toàn phần j là: I ]l = VjO+ 1 )t> í 1.28) Trong đó J là số lượng tử momcn loàn phần, đưực xác đinh như sau: j= |f ± l/2 l (1.29) Do có momen spin nên đ ể xác định trang thái của electron, ngoài 3 s ố lương tử n, f %m còn phài đưa vào số lượng tử m s đặc trtfng cho SƯ dinh hưđng củ a spin. Như vậy ưan g ihái lượng tử của mộl e le cư o n Irong nguyẽn tử được xác định hỏi 4 sô" lưựng lử n, m, m*. Electron có m om en spin nên cùng có m om en từ riêng, do đó có sự tương tác giữa m om en từ riêng và momen từ quỹ đ ạ o cũng như giừa momen từ riên g của các electron trong nguyên tử vđi nhau. Như vậy có ihẽm năng lượng bổ sung vào biểu thức năng lượng của electron khi tính lới spin. Náng lượng phu này phụ ihuộc vào sự định hướng của m om en spin, do đó phu thuộc vào j. Nói khác đi, năng lượng toàn phần của electron trong n guyên tử phu thuộc vào 3 số lượng lử n, ế, j. Khi đưa v ào momen toàn phần j ihl mỏi mức năng lương đươc lách thành 2 mức ứng với j = t - 1/2 và j = / + 1/2, trong đó m ức ứng VỚI ị = i ‘ 1/2 cao hơn mức ứng với j = ( + 1/2. Khoảng cách giữa hai mức này không lớn lấm n ê n cấu trúc như vậy gọi là cấu trúc tinh tế của mức nảng lượng. Người ta ký hiệu trạng ihái cùa electron hóa trị h ằng nx, còn mức năng iượng c ủ a nó hằng n 2X j , trong đó: n = 1, 2, 3, 4,... (số lượng lử chính) 20