Tài liệu Vấn đề năng lượng hạt nhân

Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh PHAÀN MÔÛ ÑAÀU 1. LYÙ DO CHOÏN ÑEÀ TAØI: Ngaøy nay con ngöôøi ñaõ ñöa nhöõng thaønh töïu cuûa khoa hoïc kyõ thuaät, nhöõng phaùt minh, phaùt kieán môùi, öùng duïng vaøo saûn xuaát, coâng ngheä, thoâng tin lieân laïc, dòch vuï nhaèm phuïc vuï cho cuoäc soáng con ngöôøi ngaøy moät tieán boä hôn. Trong ñoù vaät lyù hoïc ñaõ goùp phaàn khoâng nhoû cho söï phaùt trieån chung cuûa neàn khoa hoïc hieän nay. Noù mang tính thieát thöïc gaén lieàn vôùi coâng vieäc phaùt trieån khoa hoïc kyõ thuaät cuûa ñaát nöôùc. Trong quaù trình phaùt trieån cuûa vaät lyù, naêng löôïng laø moät töø ngöõ raát quen thuoäc ñoái vôùi chuùng ta, chöa moät ai coù theå cho raèng mình hieåu heát veà coäi reã cuûa noù. Coù raát nhieàu saùch vieát veà ñeà taøi naøy, nhöng vaãn chöa coù moät quyeån saùch naøo vieát moät caùch ñaày ñuû chi tieát ñeå chuùng ta tham khaûo. Veà vaán ñeà naêng löôïng vaãn coøn laø vaán ñeà laøm cho chuùng ta phaûi quan taâm ñeán noù. Cuoái theá kyû 20 ñaàu theá kyû 21, naêng löôïng laø moät trong nhöõng nhu caàu böùc thieát cuûa ñôøi soáng. Naêng löôïng khoâng nhöõng ñöôïc söû duïng trong saûn xuaát maø coøn ñöôïc söû duïng nhieàu trong cuoäc soáng haøng ngaøy cuûa moãi ngöôøi vaø cuûa moãi gia ñình. Khi xaõ hoäi caøng phaùt trieån thì nhu caàu veà naêng löôïng caøng taêng. Nguoàn cung caáp naêng löôïng ôû nöôùc ta phaùt trieån chuû yeáu hieän nay laø than ñaù, daàu moû, khí ñoát vaø thuyû naêng. ÔÛ moät soá nöôùc keùm phaùt trieån nguoàn naêng löôïng chuû yeáu laø sinh khoái; rieâng ñoái vôùi nöôùc ta veà chaát ñoát thöïc vaät chieám ña soá. Vôùi möùc ñoä khai thaùc ngaøy caøng cao thì caùc nguoàn naêng löôïng vaø nhieân lieäu hoaù thaïch khoâng phaûi laø voâ taän coù nguy cô caïn kieät trong töông lai. Vì vaäy vaán ñeà nghieân cöùu söû duïng nhöõng nguoàn naêng löôïng môùi ñaõ thu huùt maïnh meõ söï chuù yù cuûa caùc nhaø khoa hoïc treân theá giôùi. Moät trong nhöõng nguoàn naêng löôïng coù nhieàu trieån voïng laø naêng löôïng haït nhaân. Naêng löôïng haït nhaân laø vaán ñeà quan troïng haøng ñaàu vaø caáp baùch ñoái vôùi söï phaùt trieån cuûa xaõ hoäi hieän ñaïi. Caùc cuoäc xung ñoät toân giaùo, daân toäc ngaøy nay coù theå daãn ñeán chieán tranh saùt haïi haøng loaït nhö chieán tranh haït nhaân. Tìm hieåu veà vaán ñeà naøy khoâng chæ ñeå môû roäng söï hieåu bieát, tieáp caän vôùi vaán ñeà thöïc teá cuûa thôøi ñaïi. Maø noù coøn giuùp toâi coù ñöôïc kieán thöùc cô baûn ñeå sau naøy truyeàn thuï cho hoïc sinh toát hôn vì haït nhaân ñaõ ñöôïc ñöa vaøo chöông trình phoå thoâng. Xuaát phaùt töø nhöõng ñieàu noùi treân cho neân toâi quyeát ñònh choïn ñeà taøi “vaán ñeà naêng löôïng haït nhaân”. Svth: Taï Thò Thanh Truùc 1 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh 2. GIÔÙI HAÏN CUÛA ÑEÀ TAØI: Vaán ñeà naêng löôïng khoâng nhöõng ñöôïc theå hieän trong theá giôùi vó moâ maø coøn theå hieän trong theá giôùi vi moâ. ÔÛ ñaây toâi söu taäp caùc taøi lieäu vaø ruùt ra nhöõng ñieåm maáu choát toång hôïp moät caùch heä thoáng caùc kieán thöùc veà vaán ñeà naêng löôïng nhöng luaän vaên naøy toâi chæ ñeà caäp ñeán “naêng löôïng cuûa haït nhaân trong vaät lyù hoïc vi moâ” maø thoâi. 3. MUÏC ÑÍCH CUÛA ÑEÀ TAØI: Trong luaän vaên naøy vaán ñeà naêng löôïng ôû ñaây seõ ñöôïc theå hieän qua vieäc tìm hieåu cô cheá saûn sinh ra nguoàn naêng löôïng phong phuù thoâng qua “thuyeát töông ñoái heïp” cuûa Anhxtanh. Ngöôøi ta ñaõ öùng duïng noù vaøo trong ñôøi soáng thöïc tieãn. Noù taïo ra nhöõng ñieàu môùi laï ngoaøi söùc töôûng töôïng cuûa con ngöôøi. Ñaây laø ñieàu vui möøng cuõng laø noãi lo sôï cuûa nhaân loaïi, taïi sao nhö vaäy? Thì trong phaàn “öùng duïng” seõ giaûi ñaùp thaéc maéc cuûa caùc baïn. Töø ñoù so saùnh ñeå tìm ra phöông aùn toái öu trong vieäc choïn phaûn öùng taïo nguoàn naêng löôïng, ñieàu khieån vaø söû duïng noù. Ñoàng thôøi döï kieán töông lai cuûa ngaønh kyõ thuaät hieän ñaïi naøy. Svth: Taï Thò Thanh Truùc 2 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh PHAÀN NOÄI DUNG Chöông 1: CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT CUÛA NGUOÀN NAÊNG LÖÔÏNG HAÏT NHAÂN 1.1. Söï ra ñôøi cuûa thuyeát töông ñoái heïp Anhxtanh: Thuyeát töông ñoái heïp cuûa Anhxtanh ra ñôøi, buoäc chuùng ta phaûi xem xeùt laïi nhieàu khaùi nieäm cô baûn nhaát cuûa vaät lyù hoïc. Noù ñoøi hoûi xeùt laïi quan nieäm cuõ veà khoâng gian vaø thôøi gian maø cô hoïc Niutôn ñaõ khaúng ñònh vaø ñöôïc thöû thaùch noù loaïi tröø söï toàn taïi cuûa “eâte” baáy laâu, ñöôïc xem laø “giaù ñôõ” trong söï truyeàn soùng ñieän töø. Böôùc ñaàu, noù ñaõ giaûi thích ñöôïc nhöõng ñieàu maø thuyeát Lorenxô ñaõ giaûi thích; ngöôøi ta hoaøi nghi noù, phaûn ñoái noù. Nhöng roài, thôøi gian vôùi caùc heä quaû cuûa noù, voâ cuøng quan troïng, thuyeát töông ñoái heïp Anhxtanh ñaõ trôû neân moät thaønh töïu vó ñaïi veà trí thöùc vaät lyù hoïc. Ta seõ laàn löôït noùi veà quaù trình hình thaønh thuyeát töông ñoái heïp Anhxtanh, moät phaàn cuûa neàn vaät lyù hieän ñaïi. Vaø sau ñaây laø moät vaøi söï kieän daãn ñeán thuyeát töông ñoái heïp. 1.1.1. Khoái löôïng ñieän töø cuûa electron: Naêm 1901, Caufman, khi tìm hieåu veà tia phoùng xaï β − , vôùi vaän toác lôùn, e cuûa electron giaûm, khi vaän toác taêng. Vì xem e laø khoâng thaáy raèng giaù trò me ñoåi, neân phaûi xem me taêng theo vaän toác v. Tröôùc ñoù, naêm 1881, J.J Toâmxôn, xeùt chuyeån ñoäng cuûa moät quaû caàu tích ñieän, baùn kính r, vaän toác v ≈ c, thaáy raèng, khoái löôïng quaû caàu taêng theâm moät löôïng: 2e 2 m' = 3rc 2 Moät soá nhaø vaät lyù khaùc cuõng ñaõ phaùt hieän söï kieän naøy. Khi vaät tích ñieän e chuyeån ñoäng thì tæ soá bieán ñoåi theo vaän toác. Theá thì, ôû e -, ngoaøi khoái löôïng me quaùn tính coøn coù “khoái löôïng ñieän töø”. Naêm 1902, Abraham cho raèng neáu xem e- laø moät hoøn bi khoâng bieán daïng, ñieän tích phaân boá ñeàu ôû maët ngoaøi, thì khoái löôïng ñieän töø cuûa noù seõ laø: Svth: Taï Thò Thanh Truùc 3 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh 2e 2 m = . (Gioáng nhö yù kieán cuûa Toâmxôn). 3rc 2 Naêm 1895, nhaân giaûi thích keát quaû thí nghieäm Maikensôn, Lorenxô noùi raèng: “moïi vaät chuyeån ñoäng trong “eâte”, bò “co kích thöôùc” theo tæ leä 1 ”. AÙp duïng cho e- khi e- hình caàu, seõ bò neùn laïi thaønh moät elipxoâit troøn v2 1− 2 c m0 xoay, vaø khoái löôïng e- taêng leân thaønh m= , m0=9,1.10-31 kg; töø ñoù naûy v2 1− 2 c ra hai vaán ñeà: coù leõ e- chæ coù “khoái löôïng ñieän töø”, maø khoâng coù khoái löôïng thoâng thöôøng (mt); moïi khoái löôïng laø “khoái löôïng ñieän töø”, vì nguyeân töû laø do e- vaø ion (+) taïo thaønh. Thuyeát töông ñoái heïp Anhxtanh seõ khaúng ñònh raèng ñaây laø “khoái löôïng töông ñoái tính” cuûa vaät chuyeån ñoäng; coøn m 0: khoái löôïng nghæ môùi laø moät haèng soá. ' 1.1.2. Söï toàn taïi vaø tính chaát cuûa “eâte”: Ñeå cho soùng aùnh saùng coù “giaù ñôõ” luùc lan truyeàn, “eâte” ñöôïc ñöa ra vaø coi laø hieån nhieân toàn taïi, coù maët ôû moïi moâi tröôøng vaät chaát, keå caû trong chaân khoâng. “EÂte” cuõng laø moät loaïi chaát loûng khoâng troïng löôïng. • Khi nghieân cöùu caùc vì sao baát ñoäng; sau moãi naêm, chuùng coù moät quyõ ñaïo nhö kheùp kín. Nguyeân nhaân laø do caùc oáng kính thieân vaên ñaët treân traùi ñaát chuyeån ñoäng so vôùi caùc vì sao baát ñoäng: ñaây laø hieän töôïng “tinh sai”. Moät phaàn quang hoïc môùi xuaát hieän: quang hoïc veà caùc vaät chuyeån ñoäng: nguoàn phaùt saùng vaø maùy thu aùnh saùng chuyeån ñoäng. Thí nghieäm Aragoâ chöùng toû raèng chuyeån ñoäng cuûa quaû ñaát khoâng laøm thay ñoåi chieát suaát n cuûa moâi tröôøng. Naêm 1804, Yaâng noùi raèng: coù theå giaûi thích ñöôïc hieän töôïng “tinh sai”, neáu xem “eâte” laø baát ñoäng trong moïi moâi tröôøng. Yù kieán naøy khoâng giaûi thích ñöôïc thí nghieäm Aragoâ. • Ñeå giaûi thích ñöôïc thí nghieäm Aragoâ, Fresnen cho raèng “eâte” bò caùc vaät chuyeån ñoäng keùo theo moät phaàn, Fresnen noùi: tính ñaøn hoài cuûa Svth: Taï Thò Thanh Truùc 4 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh “eâte” ôû moïi choã laø nhö nhau nhöng maät ñoä “eâte” laïi khaùc nhau: trong vaät laø ρ' ; trong chaân khoâng laø ρ , ta coù coâng thöùc sau: c 2 ρ' 2 n = 2= ρ c' c’: vaän toác aùnh saùng trong vaät. c : vaän toác aùnh saùng trong chaân khoâng. Khi vaät chuyeån ñoäng chæ coù phaàn “eâte” doäi ra laø: ρ - ρ' bò keùo theo, phaàn coøn laïi ñöùng yeân. Goïi u: laø vaän toác “eâte” trong vaät v: vaän toác cuûa vaät. Giöõa u vaø v coù heä thöùc laø: 1 u = (1 − 2 ).v n Nhôø giaû thuyeát naøy, Fresnen giaûi thích ñöôïc thí nghieäm Aragoâ. Caùc nhaø vaät lyù khaùc neâu leân caùc quan nieäm khaùc nhau, hoaëc laø: Ø EÂte ñöùng yeân hoaøn toaøn. Ø EÂte bò vaät chuyeån ñoäng keùo theo hoaøn toaøn. Ø EÂte bò vaät chuyeån ñoäng keùo theo moät phaàn. Nhöng caùc yù kieán naøy ñeàu khoâng thích öùng ñaày ñuû vôùi caùc hieän töôïng quang hoïc ôû vaät chuyeån ñoäng. • Naêm 1868, Maêcxoen ñeà nghò moät thí nghieäm nhaèm xaùc ñònh aûnh höôûng cuûa chuyeån ñoäng quaû ñaát trong “eâte”, ñoái vôùi vaän toác truyeàn aùnh saùng. Trong ñoù, vaän toác aùnh saùng ñöôïc ño trong khoaûng thôøi gian truyeàn ñi vaø veà, treân cuøng moät quaûng ñöôøng song song vôùi phöông chuyeån ñoäng cuûa quaû ñaát trong “eâte”, vaø khi ñoù vuoâng goùc vôùi phöông ñoù. v2 Ñoä lôùn vaø khoaûng thôøi gian ñoù vaøo côõ 2 ≈ 10 −8 (m) laø quaù nhoû, neân thôøi c baây giôø thöïc teá khoâng theå thöïc hieän noåi thí nghieäm naøy. • Naêm 1881, Maikensôn theo nguyeân taéc naøy thöïc hieän thí nghieäm vôùi möùc ñoä chính xaùc cao coù khaû naêng phaùt hieän vaän toác keùo theo cuûa “eâte” laø 3 m/s töùc baèng vaän toác quaû ñaát; keát quaû thí nghieäm laø “aâm”, töùc laø khoâng coù chuyeån ñoäng töông ñoái giöõa quaû ñaát vaø “eâte”, töùc laø “eâte” ñaõ bò keùo theo hoaøn toaøn. Svth: Taï Thò Thanh Truùc 5 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh Thí nghieäm Maikensôn ñaõ baùc boû yù kieán cuûa Fresnen nhöng laïi khoâng theå giaûi thích ñöôïc hieän töôïng tinh sai. • Naêm 1892, Lorenxô ñöa ra yù kieán raèng, khi vaät chuyeån ñoäng kích 1 thöôùc vaät co laïi theo phöông chuyeån ñoäng, theo tæ leä: : “co v2 1− 2 c Lorenxô”. Vôùi yù kieán naøy, coù theå giaûi thích keát quaû aâm cuûa thí nghieäm Maikensôn. • Ñoâple coi aùnh saùng truyeàn trong “eâte”, oâng chöùng minh raèng taàn soá γ cuûa aùnh saùng laø nguoàn tieáp nhaän ñöôïc, phuï thuoäc vaän toác chuyeån ñoäng cuûa nguoàn saùng vaø vaän toác maùy thu, so vôùi “eâte” ñöùng yeân. Coâng thöùc Ñoâple ñöôïc kieåm nghieäm laø ñuùng caû vôùi aâm hoïc vaø quang hoïc. • Naêm 1887, Phogtô xem hieäu öùng Ñoâple laø moät pheùp bieán ñoåi toaï ñoä, töø moät heä toaï ñoä gaén vôùi “eâte” baát ñoäng, sang moät heä toaï ñoä gaén vôùi nguoàn hoaëc maùy thu chuyeån ñoäng, pheùp bieán ñoåi naøy phaûi ñaûm baûo sao cho “nguoàn soùng” khoâng ñoåi daïng. Coâng thöùc Lorenxô coù chöùa v2 “co Lorenxô”. c2 • Naêm 1890, Hecxô vieát phöông trình ñieän ñoäng löïc hoïc caùc vaät chuyeån ñoäng, vôùi giaû thuyeát laø “eâte” bò keùo theo hoaøn toaøn, neáu cho heä toaï ñoä gaén vôùi vaät chuyeån ñoäng thì heä caùc phöông trình Maêcxoen ñuùng trong heä ñoù. Neáu choïn heä toaï ñoä gaén vôùi “eâte” ñöùng yeân thì ta coù moät heä phöông trình khaùc. ρ ρ ρ ∂d ρ ρ ρ ρ rotH = j + + udivD + rot D, u γt ρ ρ ρρ ∂B rotE = − − rot B, u γt ρ Vôùi u laø vaän toác chuyeån ñoäng. Caùc phöông trình naøy ñaõ ñöôïc moät soá thí nghieäm xaùc nhaän ñònh tính. • Lorenxô cho “eâte” baát ñoäng vaø coù maët khaép nôi, vaø trong noù, coù ñieän tích döông vaø aâm chuyeån ñoäng gaây “nhieãu loaïn”. OÂng xaây döïng caùc phöông trình Lorenxô cho moïi ñieän tích ñöùng yeân vaø chuyeån ñoäng, trong theá giôùi vi moâ. Khi moâi tröôøng ñöùng yeân, caùc phöông trình aáy ñöïng heä soá ω : 1 − [ ] [ ] Svth: Taï Thò Thanh Truùc 6 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh truøng vôùi caùc phöông trình Maêcxoen. Nhöng vôùi moâi tröôøng chuyeån ñoäng khaùc thì caùc phöông trình do Lorenxô xaây döïng laïi khaùc phöông trình Maêcxoen. Chuùng coù theå giaûi thích ñöôïc nhieàu söï kieän, tröø thí nghieäm Maikensôn. Toùm laïi, theo Lorenxô thì “eâte” toàn taïi khaép nôi vaø baát ñoäng hoaøn toaøn. Thieát laäp caùc coâng thöùc bieân ñoä toaï ñoä noùi treân, thöïc chaát Lorenxô ñaõ môû roäng nguyeân lyù töông ñoái Galileâ cuûa cô hoïc sang ñieän ñoäng löïc hoïc. • Poin Careâ, ngay töø ñaàu cho raèng nguyeân lyù töông ñoái laø ñuùng cho moïi hieän töôïng vaät lyù, vaø laø moät trong nhöõng nguyeân lyù cô baûn cuûa vaät lyù hoïc. OÂng söûa chöõa caùc coâng thöùc Lorenxô cho thaät chính xaùc vaø chöùng minh raèng vôùi pheùp bieán ñoåi toaï ñoä Lorenxô, caùc phöông trình ñieän ñoäng löïc hoïc laø baát bieán. Ñaëc bieät coù hai ñaïi löôïng laø: “khoaûng: S2=x2+ y2+ z2- c2t2 vaø E2-H2 laø baát bieán. OÂng cuõng ñöa ra yù nieäm veà khoâng gian boán chieàu. Pheùp bieán ñoåi toaï ñoä Lorenxô öùng vôùi moät pheùp quay heä toaï ñoä boán chieàu aáy. OÂng chöùng minh raèng soùng ñieän töø cuõng truyeàn ñi vôùi moät vaän toác höõu haïn, ñuùng baèng vaän toác aùnh saùng. Nhö vaäy, Poin Careâ ñaõ tieán gaàn ñeán thuyeát töông ñoái heïp Anhxtanh sau naøy. Tuy nhieân, caû Lorenxô vaø Poin Careâ ñeàu vaãn döïa vaøo söï toàn taïi cuûa “eâte” chöa töø boû noù. • Vaû laïi, trong moät thôøi gain daøi, quan nieäm cuûa Niutôn veà khoâng gian vaø thôøi gian vaãn ñöôïc coâng nhaän vaø duy trì. Ñoù laø khoâng gian tuyeät ñoái, khoâng gian Ôclide vaø thôøi gian tuyeät ñoái, taùch rôøi khoâng gian. Khoâng heà bò aùm aûnh bôûi “eâte”, Anhxtanh ñöa ra hai tieân ñeà vôùi caùc quan nieäm hoaøn toaøn môùi, ñöa ñeán thuyeát töông ñoái heïp Anhxtanh. 1.1.3.Thuyeát töông ñoái heïp Anhxtanh: Lyù thuyeát vaät lyù hieän ñaïi naøy ñöôïc xaây döïng treân cô sôû hai tieân ñeà. Tieân ñeà 1: noùi raèng “moïi heä quy chieáu quaùn tính ñeàu töông ñöông nhau trong vieäc moâ taû caùc hieän töôïng töï nhieân: cô hoïc cuõng nhö ñieän töø”. Ñieàu naøy coù nghóa raèng: khi chuyeån töø heä quy chieáu quaùn tính naøy sang heä quy chieáu quaùn tính khaùc thì moïi phöông trình vaät lyù phaûi giöõ nguyeân daïng (baát bieán). Pheùp bieán ñoåi toaï ñoä Galileâ: x’=x-vt; y’=y; z’=z; t’=t, thoaû maõn yeâu caàu treân ñoái vôùi cô hoïc nhöng vôùi caùc coâng thöùc, caùc phöông trình ñieän töø thì khoâng thoaû ñaùng yeâu ρcaàu ñoù. Töø ρ ρ caùc coâng thöùc Galileâ ta coù coâng thöùc “coäng vaän toác” Galileâ: v = v'−V Svth: Taï Thò Thanh Truùc 7 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh v 'x = v x − V; v 'y = v y ; v 'z = v z . Khoâng phuø hôïp vôùi tieân ñeà 2 phaùt bieåu nhö sau: “vaän toác aùnh saùng trong chaân khoâng luoân luoân laø moät haèng soá c=3.108 m/s”. Ñeå ñaûm baûo caùc phöông trình ñieän töø khoâng ñoåi daïng khi chuyeån töø heä quy chieáu quaùn tính naøy sang heä quy chieáu quaùn tính khaùc, Anhxtanh söû duïng coâng thöùc bieán ñoåi Lorenxô. Khoâng phaûi Anhxtanh möôïn moät coâng thöùc coù saün maø xaây döïng baèng moät lyù luaän ñoäc ñaùo cuûa chính mình. Ñoù laø moái lieân heä chaët cheõ giöõa khoâng gian vaø thôøi gian ñoái xöùng nhau. Trong coâng thöùc bieán ñoåi thôøi gian coù toaï ñoä khoâng gian tham gia vaø ngöôïc laïi. Cuï theå laø: x − vt x' = u2 1− 2 c y’=y z’=z v t− 2x c t' = u2 1− 2 c Ñoù laø yù nieäm môùi veà “khoâng thôøi gian” boán chieàu, vôùi boán toaï ñoä x1=x, y2=y, z3=z, x4=ict vaø ñöôïc goïi laø khoâng thôøi gian Mincoâpki. Khoâng gian thöïc laø khoâng gian ba chieàu, voán ñöôïc xem laø moät ñieàu hieån nhieân, cho ñeán nay vaãn chöa ñöôïc chöùng minh thoaû ñaùng. • Coâng thöùc chuyeån ñoåi vaän toác Anhxtanh: u 'x + v ux = v 1 + 2 u 'x c u 'y 1 − β 2 uy = v 1 + 2 u 'x c u 'z 1 − β 2 uz = v 1 + 2 u 'x c Svth: Taï Thò Thanh Truùc 8 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh Bao haøm caû coâng thöùc coäng vaän toác coå ñieån Galileâ (neáu v< mhn.c2 laø naêng löôïng nghæ cuûa haït nhaân ñöôïc taïo thaønh bôûi chuùng. Nhö vaäy khi taïo thaønh haït nhaân naêng löôïng nghæ cuûa A nuclon phaûi dö ra moät löôïng laø ∆m c2=( m A − m hn )c2. Naêng löôïng naøy toàn taïi döôùi daïng ñoäng naêng cuûa haït nhaân vaø naêng löôïng böùc xaï γ cuûa haït nhaân (sau khi ñöôïc taïo thaønh haït nhaân ôû traïng thaùi kích thích). Baây giôø ta laïi xeùt quaù trình ngöôïc laïi: muoán phaù vôõ haït nhaân ñoù ñeå traû laïi traïng thaùi ban ñaàu cho caùc nuclon thì ta phaûi toán moät naêng löôïng ñuùng baèng ∆m c2, ta goïi ñoù laø naêng löôïng lieân keát haït nhaân. Kí hieäu laø ∆ W. W: chính laø naêng löôïng caàn cung caáp töø ngoaøi ñeå taùch taát caû A nuclon ra rieâng leû nhau, noùi caùch khaùc, ∆ W coù giaù trò baèng vaø ngöôïc daáu vôùi naêng löôïng lieân keát caùc nuclon trong haït nhaân: ∆ E = ∆m c2 = c2[mhn-Zmp-(A-Z).mn]. Naêng löôïng lieân keát naøy ñaëc tröng cho möùc ñoä beàn vöõng cuûa haït nhaân. Giaù trò cuûa noù caøng lôùn thì haït nhaân caøng khoù phaân chia thaønh maûnh. Trong thöïc nghieäm ngöôøi ta thöôøng ño ñöôïc khoái löôïng toaøn boä nguyeân töû (haït nhaân + electron) do ñoù ñeå tieän lôïi hôn neân tính ∆m vaø ∆ E theo khoái löôïng nguyeân töû. Deã daøng thaáy raèng giaù trò ∆ m vaø ∆ E seõ khoâng thay ñoåi neáu trong hai coâng thöùc treân ngöôøi ta thay khoái löôïng haït nhaân mhn baèng khoái löôïng nguyeân töû mnt vaø thay khoái löôïng nguyeân töû proton baèng khoái löôïng nguyeân töû H (mH=1,00812 ñvklnt) ta coù: ∆ E = c2[mnt - ZmH – ( A-Z)mn]. Ví duï: ta haõy tính ñoái vôùi haït nhaân ñoàng vò Be 94 ∆ m = (4.1,00812) + (5.1,00898) - 9,015 Svth: Taï Thò Thanh Truùc 16 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh ∆ m = - 0,0624 (ñvklnt). Muoán tính ∆ E phaûi chuù yù ñeán ñôn vò. Neáu ∆ E tính ra jun thì ∆ m phaûi ñoåi ra kg (1 ñvklnt=1,66.10-27 kg). ∆ E = -c2 ∆ m= (3.108)2.1,66.10-27. ∆ m Neáu ∆ E tính ra eV thì phaûi chia keát quaû treân cho 1,6.10-19 (vì 1e =1,6.1019 jun). 9.1016.1,66.10 −27 ∆ E (eV) = ∆m = 931.106. ∆ m −19 1,6.10 Hay ∆ E = 931. ∆ m (MeV) 2.1.2. Naêng löôïng lieân keát rieâng cuûa haït nhaân: Giaû söû moät haït nhaân coù naêng löôïng lieân keát ∆ W, coù A nuclon thì naêng ∆W goïi laø naêng löôïng lieân löôïng lieân keát trung bình cho moãi nuclon laø W0 = A keát rieâng cuûa haït nhaân. Thöïc nghieäm cho thaáy raèng vôùi haït nhaân coù soá khoái A< 60 thì naêng löôïng lieân keát rieâng taêng töø 0 – 8,7 MeV. Vôùi caùc haït nhaân A> 60 thì naêng löôïng lieân keát rieâng giaûm daàn töø 8,7 – 7,5 MeV. Neáu tính trung bình cho toaøn boä caùc nguyeân toá trong baûng tuaàn hoaøn Menñeâleep thì naêng löôïng rieâng trung bình W0=8 MeV. Ñaây laø moät naêng löôïng khoâng nhoû, ñaïi ña soá haït nhaân coù naêng löôïng lieân keát rieâng khoâng sai keùm giaù trò naøy bao nhieâu (tröø caùc nguyeân toá nheï). Phoå naêng löôïng lieân keát rieâng cuûa caùc nguyeân toá coù theå bieåu thò baèng sô ñoà sau: W0 8,7 7,5 0 60 Svth: Taï Thò Thanh Truùc 120 17 A Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh 2.2. Phaân loaïi haït nhaân: khoâng beàn vaø beàn: Ta bieát raèng haït nhaân naøo coù naêng löôïng lieân keát rieâng caøng lôùn thì haït nhaân ñoù caøng khoù phaù vôõ, töùc laø caøng beàn vöõng. Khi nghieân cöùu naêng löôïng ∆W lieân keát rieâng cuûa caùc nuclon trong haït nhaân, ta thaáy raèng W0 = laø nhoû ñoái A vôùi caùc haït nhaân nheï vaø gaàn baõo hoaø (8 MeV) ñoái vôùi caùc haït nhaân naëng. Theo sô ñoà phoå naêng löôïng lieân keát theo soá khoái cuûa caùc haït nhaân nguyeân töû ta thaáy caùc haït nhaân nheï laø keùm beàn vöõng, coøn caùc haït nhaân coù soá khoái A lôùn thì beàn vöõng. Caên cöù söï phuï thuoäc cuûa naêng löôïng vaøo ñoä huït khoái cuûa caùc haït nhaân, ngöôøi ta ñaõ xaây döïng moät coâng thöùc cho khoái löôïng haït nhaân phuø hôïp vôùi thöïc nghieäm nhö sau: A ( − Z) 2 2 Z (AEM). mhn = Zmp + (A-Z).mn – a1.A + a2.A2/3 + ε 1 + a 3 2 A A2 Trong ñoù caùc a1, a2, a3 laø caùc haèng soá vaø ε =0,00627. Töø ñoù ta suy ra ñoä huït khoái ∆ m laø: A ( − Z) 2 2 a Z ∆ m = A[a1 – 21 − ε 2 − a 3 2 ](u). A A2 A3 Nhìn vaøo coâng thöùc treân ta thaáy A caøng lôùn thì ∆ m caøng lôùn. Do ñoù haït nhaân caøng beàn vöõng. Thöïc teá, lyù thuyeát thoáng keâ coøn cho ta thaáy caùc haït nhaân beàn vöõng nhaát laø nhöõng haït nhaân coù soá proton (Z) vaø soá nôtron (A – Z)=N ñeàu laø soá chaün, haït nhaân coù Z vaø N ñeàu leû thì keùm beàn. Coøn laïi caùc haït nhaân khaùc thì ôû möùc ñoä trung bình. Ta coù theå thoáng keâ toång quaùt nhö sau: N Chaün Chaün (leû) Leû Svth: Taï Thò Thanh Truùc Z Chaün Leû (chaün) Leû 18 Möùc ñoä beàn Beàn Keùm beàn Keùm beàn nhaát Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh Nhö vaäy, caùc haït nhaân keùm beàn hôn caû laø caùc haït Ñôtron ( H12 ); Li ( Li 36 ); 14 Bo ( B10 5 ); Nitô ( N 7 )… caùc döõ lieäu nhö treân ñöôïc ñöa ra laø do ta ñaõ keát hôïp hai yeáu toá: caùc haït nheï vaø Z, N ñeàu leû. Baây giôø ta haõy giaûi thích tính khoâng beàn cuûa haït nhaân Ñôtron theo quan ñieåm cô hoïc löôïng töû. 2.3. Quaù trình bieán ñoåi haït nhaân beàn keøm theo hieäu öùng naêng löôïng: Xeùt phaûn öùng: a+X → b+Y. Goïi Di vaø Wi laø ñoäng naêng vaø noäi naêng cuûa haït i (noäi naêng töùc laø naêng löôïng öùng vôùi khoái löôïng nghæ mi cuûa haït theo coâng thöùc Anhxtanh Wi=mic2). Ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng vieát laø: Wa + WX + Da + DX = Wb + WY + Db + DY ⇔ Wt + Dt = Ws + Ds Thöôøng thì toång noäi naêng tröôùc phaûn öùng Wt khaùc toång noäi naêng sau phaûn öùng Ws vaø do ñoù toång ñoäng naêng tröôùc phaûn öùng Dt cuõng khaùc toång ñoäng naêng sau phaûn öùng Ds. Hieäu soá: ∆W =Wt - Ws = Ds - Dt goïi laø hieäu öùng naêng löôïng cuûa phaûn öùng haït nhaân. Neáu ∆W >0 nghóa laø phaûn öùng coù keøm theo söï taêng ñoäng naêng thì ta noùi laø phaûn öùng toaû naêng löôïng. Neáu ∆W <0 nghóa laø ñoäng naêng giaûm, noäi naêng taêng thì ta noùi laø phaûn öùng thu naêng löôïng. Neáu ∆W =0 caû noäi naêng vaø ñoäng naêng ñeàu khoâng ñoåi, ta coù söï va chaïm ñaøn hoài. 2.4. Thí nghieäm baén phaù haït nhaân beàn vaø phaûn öùng haït nhaân thu goïn: Phoùng xaï töï nhieân laø hieän töôïng phaân raõ cuûa haït nhaân xaûy ra moät caùch töï phaùt khoâng chòu aûnh höôûng cuûa caùc ñieàu kieän beân ngoaøi. Nhöng hieän nay, caùc chaát phoùng xaï töï nhieân chæ coøn tìm thaáy raát ít trong thieân nhieân. Vì leõ ñoù, ñeå taïo ra ñoàng vò haït nhaân môùi, ta phaûi baén phaù haït nhaân khaùc, nghóa laø phaûi bieán ñoåi nhaân taïo haït nhaân. Haït nhaân cuûa caùc nguyeân toá khoâng phoùng xaï raát beàn vöõng, neân chæ coù theå laøm cho chuùng vôõ, hoaëc thay ñoåi traïng thaùi baèng taùc duïng raát maïnh cuûa nhöõng Svth: Taï Thò Thanh Truùc 19 Luaän vaên toát nghieäp Gvhd: Hoaøng Xuaân Dinh haït baén töø ngoaøi vaøo. Coù hai hieän töôïng xaûy ra khi duøng ñaïn baén vaøo haït nhaân laøm bia taïo ra phaûn öùng haït nhaân: • Haït ñaïn ñi saùt gaàn haït nhaân laøm bia, bò taùn xaï ñaøn hoài (taùn xaï α bôûi haït nhaân vaøng trong thí nghieäm Rutherford). • Haït ñaïn xuyeân vaøo beân trong haït nhaân laøm bia, bò haït nhaân laøm bia baét giöõ ñeå trôû thaønh haït nhaân môùi: khoâng beàn, töï phaân raõ ñeå cho moät haït nhaân môùi vaø moät haït nhaân nheï bay ra. Ngöôøi ta thöôøng bieåu dieãn moät phaûn öùng haït nhaân nhö sau: a+X → b+Y Trong ñoù a: laø haït ñaïn. X: haït nhaân bia. Y: haït nhaân saûn phaåm. b: haït nheï bay ra sau phaûn öùng. Hoaëc kí hieäu vaén taét laø: X(a,b)Y. 2.4.1. Thí nghieäm cuûa Rutherford: Vaøo naêm 1919 laàn ñaàu tieân phaûn öùng haït nhaân ñöôïc Rutherford khaùm phaù. OÂng baén phaù haït nhaân baèng caùc haït α do caùc nguyeân toá phoùng xaï töï nhieân phoùng ra. Sô ñoà duïng cuï thí nghieäm cuûa Rutherford nhö hình: Sô ñoà thí nghieäm phaûn öùng haït nhaân cuûa Rutherford Trong hoäp C chaát phoùng xaï töï nhieân A ñöôïc gaén vaøo giaù ñôõ coù theå di chuyeån ñöôïc. Hoäp C chöùa chaát khí nghieân cöùu. Maøn F laøm baèng nhoâm ñuû daày ñeå haáp thuï ñöôïc caùc haït do chaát phoùng xaï phaùt ra. Sau maøn F coù maøn huyønh Svth: Taï Thò Thanh Truùc 20