Bài giảng Vật lí đại cương 2

c.  12. Tính độ lớn cӫa momen động lưӧng quỹ đҥo L và hình chiếu Lz cӫa nó lên trөc z cӫa e trong nguyên tử ӣ trҥng thái f. 86 ĐS: 32 ;  3,2,1,0  . 13. Xác định các giá trị khҧ dĩ cӫa momen quỹ đҥo L cӫa electron trong nguyên tử hydro bị kích thích, cho biết nĕng lưӧng kích thích .09,12 eV ĐS: 0, 2 , 6 14. Nguyên tử hiđrô ӣ trҥng thái cơ bҧn hấp thө phôtôn mang nĕng lưӧng 10,2 eV và nhҧy lên trҥng thái kích thích n. Tìm độ biến thiên momen động lưӧng quỹ đҥo cӫa electron, biết trҥng thái kích thích cӫa electron ӣ trҥng thái p. ĐS:ă 2L 15. Các chuyển dӡi nào dưới đây bị cấm bӣi quy tắc lựa chọn (1) 2/322/12 PS  (2) 2/322/12 DS  (3) 2/122/12 SP  (4) 2/122/52 PD  (5) 2/322/72 DF  (6) 2/522/32 FD  (7) 2/522/52 PF  ĐS:ă(2), (4), (5), (7) 16. Tìm bước sóng cӫa các vҥch quang phổ xuất hiӋn khi các nguyên tử liti bị kích thích chuyển từ trҥng thái nĕng lưӧng 3S sang trҥng thái cơ bҧn 2S. Các số bổ chính cho hằng số Rydberg đối với các số hҥng S và P bằng ậ 0,412 và -0,041. ĐS:ă PS 23  phát ra bӭc xҥ m82,0 và SP 23  phát ra bӭc xҥ m68,0 . 17. Nguyên tử Na chuyển từ trҥng thái nĕng lưӧng SS 34  . Tìm bước sóng cӫa các bӭc xҥ phát ra. Cho số bổ chính Rydberg đối với na bằng 9,0,37,1  ps . ĐS: 05890,34 APS   , 011400,33 ASP   18. Trong nguyên tử xác định số trҥng thái electron thuộc lớp n (n = 3 và n = 4) có cùng số lưӧng tử sau: a. cùng ms b. cùng 1lm c. cùng 1lm và 2 1 s m ĐS:ăa. 9 và 16; b. 4 và 6; c. 2 và 3 87 19. Trong nguyên tử các lớp K, L, M đều đầy. Xác định: a. Tổng số electron trong nguyên tử. b. Tổng số electron s, electron p và số electron d. c. Số electron p có m = 0. ĐS:ăa. 28; b. 6 electron s, 12 electron p, 10 electron d. 88 Chѭѫngă4. VҰTăLụăHҤTăNHÂN Trong chương này ta sẽ nghiên cӭu những tính chất cơ bҧn cӫa hҥt nhân nguyên tử, những quá trình biến đổi hҥt nhân, nĕng lưӧng trong các phҧn ӭng hҥt nhân và các phương pháp thực nghiӋm nghiên cӭu hҥt nhân. 4.1.ăNhữngătínhăchҩtăcѫăbҧnăcӫaăhҥtănhơnănguyênătӱ 4.1.1.ăCҩuătҥo hҥtănhơn Theo giҧ thuyết cӫa Ivanenkô ậ Haidenbec đưa ra nĕm 1932 thì hҥt nhân nguyên tử cấu tҥo bӣi hai loҥi hҥt sau: - Prôtôn (kí hiӋu là p): mang điӋn tích +1,6.10-19C, khối lưӧng bằng hҥt nhân nguyên tử hiđrô, mp = 1,67252.10-27kg. - Nơtrôn (kí hiӋu là n): là hҥt trung hòa điӋn, khối lưӧng lớn hơn một ít so với khối lưӧng prôtôn, mn = 1,67882.10-27kg. Hai hҥt prôtôn và nơtrôn có tên chung là nuclôn. Thực nghiӋm xác nhұn rằng số prôtôn trong hҥt nhân bằng số thӭ tự Z cӫa nguyên tử trong bҧng tuần hoàn Menđêlêev. Z gọi là điӋn tích hҥt nhân. Tổng số các hҥt nuclôn trong hҥt nhân kí hiӋu là A, đưӧc gọi là số khối. Do đó, số nơtrôn trong hҥt nhân là N = A ậ Z. Ngưӡi ta thưӡng kí hiӋu hҥt nhân nguyên tử là: ZXA hay XAZ , trong đó X là tên nguyên tử tương ӭng. Ví dө: - Hҥt nhân hêli đưӧc kí hiӋu là 42 He có Z = 2, A = 4. - Hҥt nhân liti đưӧc kí hiӋu 73 Li có Z = 3, A = 7, (hình 4.1). Những hҥt nhân có cùng số Z nhưng khác số N đưӧc gọi là những hҥt nhân đồng vị (hình 4.2). Ví dө: hiđrô có ba đồng vị: + + Hình 4.1. Hҥt nhân hêli và liti + + + 89 Hiđrô: 11 H Đơteri: 21 H (còn kí hiӋu là D hay d) Triti: 31 H (còn kí hiӋu là T hay t) Những hҥt nhân có cùng số A, nhưng số Z khác nhau thì gọi là những hҥt nhân đồng khối. Ví dө: 3616 S và 3618 Ar 123 51Sb và 123 52Te v.v lần lưӧt là những cặp hҥt nhân đồng khối. Trong số những hҥt nhân đồng khối ta còn gặp những hҥt nhân mà có số prôtôn cӫa hҥt nhân này bằng số nơtrôn cӫa hҥt nhân kia. Ta gọi chúng là những hҥt nhân gương (hình 4.3). 4.1.2.ăKíchăthѭӟcăhҥtănhơn Bằng các kỹ thuұt thực nghiӋm khác nhau như tán xҥ nơtrôn, tương tác cӫa hҥt nhân với các hҥt mang điӋn, ngưӡi ta xác định đưӧc kích thước hҥt nhân tỉ lӋ với cĕn bұc ba cӫa số khối: 31 0 ArR  (4.1) với mr 150 10)5,12,1(  (4.2) ro đưӧc gọi là bán kính điện. Ta có thể tính gần đúng khối lưӧng riêng cӫa hҥt nhân như sau: Giҧ sử rằng hҥt nhân có dҥng hình cầu có bán kính R, có A nuclôn và khối lưӧng cӫa các nuclôn là như nhau và bằng mp, chọn bán kính điӋn là 1,4.10-15m 317 315 27 3 0331 0 3 .10.5,1)10.4,1(4 10.67,1.3 )(4 3 )( 3 4 3 4     mkg r m Ar Am R Am V M ppp hn hn hn   Từ (4.1) ta có kết luұn quan trọng sau: - Thể tích hҥt nhân tỉ lӋ với số hҥt nuclôn trong hҥt nhân. - Mұt độ khối lưӧng hҥt nhân là không đổi đối với mọi hҥt nhân. + 1 1 H + 2 1 H + 3 1 H Hình 4.2. Hҥt nhân hiđrô, đơteri và tri ti + 3 1 H + 3 2 He + Hình 4.3. Hҥt nhân gương 90 Tuy nhiên, thực nghiӋm đã chӭng minh đưӧc rằng khối lượng hạt nhân không phân bố đều mà tập trung ở giữa tạo thành lõi, còn ở lớp ngoài mật độ khối lượng hạt nhân giảm nhanh nhưng không đột ngột. 4.1.3.ăSpinăhҥtănhơn Do chuyển động cӫa các nuclôn bên trong hҥt nhân nên chúng có momen động lưӧng quỹ đҥo l . Cũng giống như electron, các nuclôn trong hҥt nhân cũng có momen động lưӧng riêng s (momen spin, hay spin) đặc trưng cho chuyển động nội tҥi cӫa nuclôn. Số lưӧng tử spin cӫa nuclôn cũng bằng 1/2. Do vұy, mỗi nuclôn chuyển động bên trong hҥt nhân có momen động lưӧng toàn phần: iii slj   (4.3) Momen động lưӧng toàn phần cӫa hҥt nhân là:  i ijJ  (4.4) Với  )1(  JJJ (4.5) J đưӧc gọi là số lượng tử momen toàn phần. Nó đặc trưng cho chuyển động nội tҥi cӫa hҥt nhân. Nó có giá trị nguyên 0, 1, 2, nếu A chẵn, và có giá trị bán nguyên 1/2, 3/2, 5/2, nếu A lẻ (xem bҧng 4.1). 4.1.4. Mômenătӯăăhҥtănhơn Mômen từ hҥt nhân là do momen từ cӫa các nuclôn tҥo thành. Trong hҥt nhân, prôtôn chuyển động có momen động lưӧng, do quỹ đҥo prôtôn mang điӋn nên nó sinh ra momen từ )( pl , ngoài ra prôtôn có momen từ spin )( p s  . Nơtrôn không mang điӋn nên nó không có mômen từ quỹ đҥo, nhưng đặc biӋt là nó lҥi có mômen từ spin )(n s  . Do vұy, mômen từ toàn phần cӫa hҥt nhân bằng:   i n si i p si i p lihn )()()(   (4.6) trong đó, )( pli , )( psi , )(nsi lần lưӧt là mômen từ quỹ đҥo, mômen từ spin cӫa prôtôn 91 và mômen từ spin cӫa nơtrôn thӭ i. Đơn vị mômen từ hҥt nhân có tên là manhêtôn hạt nhân và có trị số bằng TJ m e p /10.050,5 2 27 (4.7) Bҧng 4.1 cho ta giá trị spin và momen từ cӫa một số hҥt nhân. Bҧngă4.1.ăGiáătrӏăspinăvƠămômen tӯămộtăsӕăhҥtănhơn. Hҥt nhân spin Momen từ đo bằng đơn vị Manhêtôn hҥt nhân p n H2 He3 Al27 Si29 K40 Zr91 Ag108 1/2 1/2 1 1/2 5/2 1/2 4 5/2 1/2 +2,79 -1,91 +0,86 -2,13 +3,65 -0,55 -1,30 -1,29 -0,13 4.1.5.ăLựcăhҥtănhơn Hҥt nhân nguyên tử có cấu trúc khá bền vững. Điều đó chӭng tỏ các nuclôn trong hҥt nhân phҧi hút nhau bằng những lực rất mҥnh. Lực đó gọi là lực hạt nhân. Nhӡ những sự kiӋn thực nghiӋm ngưӡi ta tìm ra một số đặc tính cӫa lực hҥt nhân: 1. Lực hạt nhân là lực tác dụng ngắn: trong phҥm vi 10-15m lực rất mҥnh. Ngoài khoҧng đó, lực hҥt nhân giҧm nhanh xuống đến giá trị không. 2. Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích: tương tác giữa các cặp prôtôn ậ prôtôn, prôtôn ậ nơtrôn, nơtrôn ậ nơtrôn đều giống nhau nếu các nuclôn ӣ trong cùng những trҥng thái như nhau. 3. Lực hạt nhân có tính chất bão hòa: mỗi nuclôn chỉ tương tác với một số nuclôn ӣ lân cұn quanh nó chӭ không tương tác với mọi nuclôn cӫa hҥt nhân. 4. Lực hạt nhân là lực trao đổi: 92 Theo Yucawa, tương tác giữa hai nuclôn đưӧc thực hiӋn bằng cách trao đổi một loҥi hҥt gọi là mêdôn  . Sự trao đổi liên tөc hҥt mêdôn  như vұy tҥo nên tương tác giữa các nuclôn Hҥt mêdôn  có khối lưӧng vào cỡ 300200  lần khối lưӧng cӫa electron. Có ba loҥi mêdôn  :  , 0 ,  . Ví dө: Tương tác n ậ p có thể thực hiӋn theo một trong các quá trình sau: nppppppn   )()(  hay và tương tác giữa hai hҥt đồng nhất p ậ p, n ậ n có thể xҧy ra theo: pppppppp  )()( 00  nnnnnnnn o  )()( 0 Trong các quá trình đó ta đều thấy một nuclôn biến đổi và tҥo thành mêdôn  . Mêdôn  này bị nuclôn thӭ hai hấp thө. 5. Lực hạt nhân phụ thuộc spin của các nuclon: Thí nghiӋm về tán xҥ nơtron nhiӋt trên octhôhiđrô (phân tử hiđrô trong đó có hai prôtôn có momen spin song song) và trên parahiđro (phân tử hiđrô trong đó có hai prôtôn có momen spin đối song) cho biết xác suất xҧy ra tán xҥ nơtrôn trên các hҥt nhân octhôhiđrô lớn hơn xác suất xҧy ra tán xҥ nơtrôn trên các hҥt nhân parahiđro khoҧng 30 lần. Kết quҧ đó chӭng tỏ lực hҥt nhân phө thuộc nhiều vào sự định hướng tương hỗ cӫa momen spin các hҥt tương tác. Những đặc tính trên cho phép ta kết luұn: tương tác hạt nhân là một loại tương tác rất mạnh, về bản chất khác hẳn với các tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ mà ta đã nghiên cứu. 4.1.6. KhӕiălѭӧngăvƠănĕngălѭӧngăliênăkӃtăhҥtănhơn 4.1.6.1. Khối lưӧng hҥt nhân Trong vұt lý hҥt nhân, để đo khối lưӧng hҥt nhân, ngưӡi ta dùng đơn vị khối lượng nguyên tử (đvklnt), kí hiӋu là u. Theo định nghĩa, một đơn vị khối lưӧng nguyên tử bằng 1/12 khối lưӧng nguyên tử đồng vị cacbon C12. 1u = 1,660.10-27kg (4.8) npnnnnpn   )()(  93 Tính theo hӋ thӭc Einstein giữa khối lưӧng và nĕng lưӧng E = mc2 thì một hҥt nhân có khối lưӧng m = 1u sẽ có nĕng lưӧng tương ӭng m = 1u E = (1u).c2 = 1,67.10-27.(3.108)2J = 931,4MeV hoặc có thể viết m = 1u = 931,4 MeV/c2 (chú ý: 1MeV = 106eV = 1,6.10-13J). 4.1.6.2. Độ hөt khối và nĕng lưӧng liên kết Các phép đo chӭng tỏ khối lưӧng cӫa hҥt nhân M bao giӡ cũng nhỏ hơn tổng khối lưӧng cӫa các nuclôn tҥo thành hҥt nhân đó một lưӧng bằng M : MmZAZmM np  )( (4.9) M là độ hөt khối cӫa hҥt nhân, trong đó M là khối lưӧng hҥt nhân AZ X , mp và mn là khối lưӧng cӫa prôtôn và nơtrôn. Nĕng lưӧng tương ӭng với độ hөt khối đó đưӧc gọi là nĕng lượng liên kết Wlk cӫa các nuclôn, là nĕng lượng có trị số bằng công cần thiết để tách hạt nhân thành các nuclôn riêng biệt. Theo hӋ thӭc Einstein thì nĕng lưӧng liên kết có trị số bằng:   22 )(. cMmZAZmcMW nplk  (4.10) 4.1.6.3. Nĕng lưӧng liên kết riêng Nĕng lưӧng liên kết Wlk chưa nói lên đưӧc độ bền vững cӫa hҥt nhân. Để so sánh độ bền vững cӫa hҥt nhân, ngưӡi ta đưa vào khái niӋm nĕng lượng liên kết riêng. Đó là nĕng lượng liên kết tính cho một nuclôn, kí hiӋu bằng  A W lk (4.11) Nếu  càng lớn thì hҥt nhân càng bền vững. thực nghiӋm cho ta đồ thị cӫa sự phө thuộc giữa  và A (hình 4.4). hình 4.4. cho thấy: 94 1. Nĕng lưӧng liên kết  riêng tĕng nhanh đối với các hҥt nhân nhẹ từ 1,1 MeV ( 11 H ) đến 2,8 MeV ( 31 H ) và đҥt giá trị 7 MeV ( 42 He ). 2. Đối với hҥt nhân nặng có A từ 140 ÷240 thì nĕng lưӧng liên kết riêng  giҧm chұm từ 8 MeV đến 7 MeV. 3. Đối với các hҥt nhân trung bình có A trong khoҧng 40 ÷ 140 thì nĕng lưӧng liên kết riêng  có giá trị lớn nhất nằm trong khoҧng 8 ÷ 8,6MeV. Điều đó giҧi thích tҥi sao hҥt nhân trung bình lҥi bền vững nhất. Vì hầu hết mọi hҥt nhân đều có nĕng lưӧng liên kết riêng trong khoҧng 7 ÷8,6 MeV nên có thể coi giá trị trong khoҧng đó là không đổi và gọi là giá trị bão hòa. Giá trị bҧo hòa cӫa nĕng lưӧng liên kết riêng đưӧc giҧi thích là do tính tác dөng ngắn và tính bão hòa cӫa lực hҥt nhân. Còn sự giҧm chұm cӫa nĕng lưӧng liên kết riêng trong các hҥt nhân nặng là do nĕng lưӧng tương tác đẩy Coulomb tĕng lên khi tĕng số prôtôn. 4.2.ăPhơnărưăphóngăxҥ 4.2.1.ăHiӋnătѭӧngăphơnărưăphóngăxҥă- đӏnhăluұtăphơnărưăphóngăxҥ 4.2.1.1. HiӋn tưӧng phân rã phóng xҥ Nĕm 1892, Becquerel đã quan sát thấy muối urani và những hӧp chất cӫa nó phát ra những tia gọi là tia phóng xҥ. Khi đặt trong từ trưӡng, chùm tia phóng xҥ tách thành 3 phần: - Tia α bị lӋch như dòng hҥt mang điӋn tích dương. Thí nghiӋm xác nhұn đó Hình 4.4. Sự phө thuộc cӫa nĕng lưӧng liên kết riêng theo số nuclôn A 95 là những hҥt nhân 42 He . - Tia β- bị lӋch như dòng hҥt mang điӋn tích âm. Thí nghiӋm chӭng tỏ đó là những hҥt electron e-. - Tia gamma đi thẳng, không mang điӋn tích. Nó là bӭc xҥ điӋn từ, có bước sóng ngắn hơn tia X. Nĕm 1898, Pierre và marie Curie tìm thấy hai chất phóng xҥ mҥnh hơn là Radi và Pôlôni. Các tia phóng xҥ có những tính chất sau: - Có khҧ nĕng tác dөng sinh lí và hóa học, kích thích một số phҧn ӭng hóa học, phá hӫy tế bào. - Có khҧ nĕng iôn hóa các chất khí. - Có khҧ nĕng làm cho vұt rắn và lỏng phát huỳnh quang. - Có khҧ nĕng xuyên thâu, dӉ dàng xuyên qua giấy, vҧi, gỗ và cҧ những tấm kim loҥi mỏng. Tia β- xuyên mҥnh hơn tia α, tia gamma còn xuyên mҥnh hơn tia β- rất nhiều. - Tỏa nhiӋt khi phóng xҥ. Khi phóng xҥ, khối lưӧng chất phóng xҥ giҧm dần và chất đó biến thành chất khác. Cho nên quá trình phóng xҥ thực chất là quá trình biến đổi hҥt nhân. Trong một số hiӋn tưӧng phóng xҥ, chất phóng xҥ không phát ra tia β- mà phát ra tia β+, cấu tҥo bӣi các hҥt e+ gọi là positron, hҥt này giống như hҥt e, nhưng mang điӋn dương. 4.2.1.2. Định luұt phân rã phóng xҥ Trong quá trình phóng xҥ, số hҥt nhân cӫa chất phóng xҥ sẽ giҧm theo thӡi gian. Bây giӡ ta tìm định luұt cho sự giҧm đó. Giҧ sử ӣ thӡi điểm t, số hҥt nhân phóng xҥ chưa phân rã là N. Sau thӡi gian dt, số các hҥt nhân cӫa chất phóng xҥ giҧm đi ậdN. Rõ ràng là độ giҧm ậdN tỉ lӋ với N và với thӡi gian dt: NdtdN  trong đó,  là hӋ số tỉ lӋ phө thuộc vào chất phóng xҥ và đưӧc gọi là hằng số phân rã. Như vұy 96 dt N dN  Thực hiӋn phép tích phân ta đưӧc: teNN  0 (4.12) N0 là số hҥt nhân phân rã ӣ thӡi điểm ban đầu (t = 0), N là số hҥt nhân chưa phân rã ӣ thӡi điểm t. Sau đây là một số định nghĩa liên quan đến quá trình phân rã hҥt nhân. a. Thӡiăgianăsӕngătrungăbình,ăkí hiӋu  , đưӧc tính như sau:            0 0 0 0 )( )( dte dtte dttN dtttN t t    Thực hiӋn phép tính phân, ta đưӧc:  1 (4.13) Thay t vào công thӭc (4.12), ta có e NN 0 Vì vұy  còn có ý nghĩa là khoҧng thӡi gian để N0 giҧm đi e lần. b. Chu kì bán rã Chu kì bán rã, kí hiӋu là T1/2, là khoҧng thӡi gian chất phóng xҥ ban đầu No giҧm đi một nửa. Thay t = T1/2 vào (4.12), ta đưӧc: 2/1 . 2 0 T o eNNN  do đó  693,02ln 2/1 T (4.14) c.ăĐộăphóngăxҥ Để đặc trưng cho tốc độ phân rã hҥt nhân, ngưӡi ta đưa ra định nghĩa độ phóng xҥ H 97 NH  (4.15) Đҥi lưӧng này xác định số phân rã trong một giây. Trong hӋ SI đơn vị đo độ phóng xҥ là phân rã trên giây hay becơren (Bq). Thực tế ngưӡi ta thưӡng dùng đơn vị ngoài hӋ là curi (Ci). 1Ci = 3,7.1010Bq Ngưӡi ta còn dùng các đơn vị nhỏ milicuri (1mCi = 10-3Ci), micrôcuri (1µCi = 10-6Ci), picôcuri (1pCi = 10-12Ci). 4.2.2.ăQuyătắcădӏchăchuyển,ăhӑăphóngăxҥătựănhiên 4.2.2.1. Quy tắc dịch chuyển Các chất phóng xҥ nói chung không phát ra đӫ ba loҥi tia α, β,  . Ngưӡi ta chia các chất phóng xҥ ra thành hai loҥi: loҥi phóng xҥ α và loҥi phóng xҥ β-. Cҧ hai đều kèm theo phóng xҥ  vì sau khi phân rã α hay β-, hҥt nhân phóng xҥ mẹ biến thành hҥt nhân con hoặc ӣ trҥng thái cơ bҧn hoặc ӣ trҥng thái kích thích. Khi từ trҥng thái kích thích chuyển sang trҥng thái cơ bҧn, hҥt nhân có thể phát ra một hay vài photon. Sơ đồ phân rã mô tҧ ӣ hình 4.5. Trong quá trình phân rã α, chất phóng xҥ sẽ biến thành một chất đӭng trước nó hai ô trong bҧng tuần hoàn Menđêlêep: (4.16) Trong quá trình phân rã β-, chất phóng xҥ sẽ biến thành một chất đӭng sau nó một ô trong bҧng tuần hoàn Menđêlêep: .1    eYX AZAZ (4.17) . 4 2 4 2 HeYX A Z A Z   206 82 Pb 210 84 Po  800,0 0 127 812Mg  015,1 834,0 0 22 10 Ne  22 11 Na Hình 4.5. Sơ đồ phân rã phóng xҥ cӫa 2211271221084 ,, NaMgPo . Các mӭc nĕng lưӧng tính ra MeV 98 Các quy tắc (4.16), (4.17) gọi là quy tắc di chuyển nhӡ quy tắc di chuyển ta có thể mô tҧ đưӧc mọi quá trình biến đổi cӫa hҥt nhân phóng xҥ. 4.2.2.2.Họ phóng xҥ tự nhiên Các hҥt nhân nằm trong một chuỗi quá trình phóng xҥ liên tiếp, hӧp thành một họ phóng xҥ. Có ba họ phóng xҥ tự nhiên: + Hӑ Urani bắt đầu từ hҥt nhân 23892U và kết thúc ӣ một đồng vị bền tương ӭng cӫa chì là 20682 Pb . + HӑăThori bắt đầu từ hҥt nhân 23290Th và kết thúc ӣ một đồng vị bền tương ӭng cӫa chì là 20882 Pb . + HӑăActini bắt đầu từ hҥt nhân 23589 Ac và kết thúc ӣ một đồng vị bền tương ӭng cӫa chì là 20782 Pb . Ngoài ra còn họ Neptuli bắt đầu từ nguyên tố siêu urani 23793 Np thu đưӧc bằng phương pháp nhân tҥo và tұn cùng bằng 20983 Bi . Sơ đồ cө thể cӫa một họ phóng xҥ đưӧc mô tҧ như sau: 216220224228228228232 PoRnRaThAcRaTh    208 218 212 212212 Pb Ti Po BiPb     . 4.2.3.ăPhóngăxҥănhơnătҥo Thực nghiӋm chӭng tỏ rằng có thể tҥo nên những chất phóng xҥ không có trong tự nhiên, đó là những chất đồng vị phóng xạ nhân tạo. Ví dө: Khi bắn nơtron vào 1311 Na , ta đưӧc 1411 Na có tính phóng xҥ β-.  eNaNa 24122411 Khi bắn hҥt α vào 1311 Na ta đưӧc 137 N có tính phóng xҥ β+.  eCN 136137 4.2.4.ăTácăđộngăcӫaătiaăphóngăxҥăđӕiăvӟiămôiătrѭӡngăvұtăchҩt.ăĐѫnăvӏăđoăphóngă xҥ 99 Tất cҧ các tia phóng xҥ α, β,  , (hoặc nơtrôn) đều nguy hiểm đối với các tổ chӭc sống, chúng có thể hӫy hoҥi tế bào bằng iôn hóa và có thể gây ra những biến đổi di truyền quan trọng. Một đặc điểm cӫa sự tác động cӫa tia phóng xҥ là tích tө. Theo nghĩa này, viӋc chịu tác dөng cӫa tia phóng xҥ cưӡng độ yếu trong một thӡi gian dài thì cũng tương đương như chịu tác dөng cӫa tia phóng xҥ cưӡng độ mҥnh trong thӡi gian ngắn. Để đo hiӋu quҧ tác động cӫa tia phóng xҥ lên môi trưӡng vұt chất nói chung, ngưӡi ta dùng nhiều đơn vị khác nhau. a. Culông trên kilôgam: Culông trên kilôgam (kí hiӋu C/kg) là liều lưӧng bӭc xҥ Rơnghen (hoặc bӭc xҥ gamma) trong không khí tҥo ra trong 1kg không khí một điӋn tích là 1 culông theo dấu âm hoặc dương. b. Rơnghen: rơnghen (kí hiӋu là R) là liều lưӧng bӭc xҥ Rơnghen (hay bӭc xҥ gamma) bằng 2,57976.10-4 culông trên kilôgam (1R = 2,57976.10-4C/kg). c. Culông trên kilôgam giây: (C/kg.s) Culông trên kilôgam giây là suất liều lưӧng bӭc xҥ Rơnghen (hoặc bӭc xҥ gamma) bằng 1 culông trên kilôgam trong thӡi gian một giây. d. Rơnghen trên giây (R/s): Rơnghen trên giây là suất liều lưӧng bӭc xҥ Rơnghen (hoặc bӭc xҥ gamma) bằng 2,57976.10-4 culông trên kilôgam giây (1R/s = 2,57976.10-4C/kg.s). e. Jun trên kilôgam (J/kg): Jun trên kilôgam là liều lưӧng hấp thө bӭc xҥ bằng một jun trên một kilôgam vұt bị rọi. g. rad (rd): rad là liều lưӧng hấp thө bӭc xҥ bằng 0,01J trên kilôgam. Mӭc cho phép < 0,017R/ngày làm viӋc trựcătiӃp, < 0,0017 R/ngày làm viӋc trongăkhuăvựcăphóngăxҥ và <ă0,00017ăR/ngƠyăchoăcѭădơn. 4.3.ăTѭѫngătácăhҥtănhơn 4.3.1.ăCácăloҥiătѭѫngătácăhҥtănhơn Tương tác hҥt nhân đưӧc chia làm ba loҥi: va chҥm đàn hồi, va chҥm không đàn hồi và phҧn ӭng hҥt nhân. 100 Trong va chạm đàn hồi, trҥng thái nội tҥi cӫa các hҥt tương tác không thay đổi nhưng động lưӧng và động nĕng cӫa các hҥt lҥi thay đổi: .AaaA  Trong va chạm không đàn hồi, có sự thay đổi trҥng thái nội tҥi cӫa các hҥt tương tác: ,' *AaaA  trong đó: A* chỉ hҥt nhân ӣ trҥng thái nĕng lưӧng bị kích thích, a’ chỉ hҥt a ӣ trҥng thái khác. Trong phản ứng hạt nhân, có sự thay đổi bҧn chất các hҥt tương tác: ,BbaA  phҧn ӭng trên có thể viết dưới dҥng thu gọn: A(a,b)B, có nghĩa là hҥt a bắn vào hҥt nhân A, sẽ làm phát sinh ra hҥt b và sinh ra hҥt nhân B. Ví dө: , 17 8 1 1 4 2 14 7 OHHeN  hay .),( 178147 OpN  , 3 1 1 1 2 1 2 1 HHHH  hay .),( 3121 HpdH 4.3.2.ăCácăđӏnhăluұtăbҧoătoƠnătrongătѭѫngătácăhҥtănhơn Các tương tác hҥt nhân đều tuân theo các định luұt bҧo toàn: + Bҧo toàn số nuclôn:   k k i i AA , + Bҧo toàn điӋn tích:   k k i i ZZ , + Bҧo toàn động lưӧng:   k k i i pp ,  + Bҧo toàn mômen động lưӧng:   k k i i JJ ,  + Bҧo toàn nĕng lưӧng:   k k i i WW , trong đó,  ki , là kí hiӋu cӫa tổng lấy theo mọi hҥt trước và sau phҧn ӭng. 101 trong những quá trình sinh hӫy hҥt, các tương tác hҥt nhân còn tuân theo nhiều định luұt bҧo toàn khác nữa tùy theo tính chất phӭc tҥp cӫa quá trình. 4.3.3.ăHӋăthӭcănĕngălѭӧngăcӫaăphҧnăӭngăhҥtănhơn Trong các phҧn ӭng hҥt nhân đều có hiӋn tưӧng tỏa nhiӋt hay thu nhiӋt kèm theo. NhiӋt lưӧng trao đổi đưӧc tính theo công thӭc: , 2cmmQ k k i i      (4.18) trong đó  i im và  k km là tổng khối lưӧng các hҥt trước và sau phҧn ӭng. Nếu Q > 0 thì phҧn ӭng tỏa nhiӋt. Nếu Q < 0 thì phҧn ӭng thu nhiӋt. 4.4.ăSựăphơnăhҥchăvƠăphҧnăӭngădơyăchuyền 4.4.1.ăSựăphơnăhҥch Các hҥt nhân có tính bền vững khác nhau. Các hҥt nhân nặng kém bền hơn các hҥt nhân khác, vì trong các hҥt nhân đó có nhiều prôtôn nên có hiӋn tưӧng tương tác Coulomb (lực đẩy) giữa các prô ôn. Do đó, các hҥt nhân nặng có khҧ nĕng dӉ dàng bị phân chia hơn các hҥt nhân khác. HiӋn tưӧng phân chia hҥt nhân đưӧc gọi là hiện tượng phân hạch. HiӋn tưӧng phân hҥch đã đưӧc phát hiӋn lần đầu tiên ӣ hҥt nhân urani. Sự phân hҥch có thể xҧy ra tự phát hoặc dưới dҥng tác dөng cӫa nơtrôn. HiӋn tưӧng phân hҥch tự phát rất hiếm xҧy ra, ví dө đối với hҥt nhân 23892U thì thӡi gian để hiӋn tưӧng phân hҥch tự phát xҧy ra vào khoҧng 1016 nĕm. Thông thưӡng, ngưӡi ta quan sát hiӋn tưӧng phân hҥch dưới tác dөng cӫa nơtrôn. Ví dө: dưới tác dөng cӫa nơtrôn chұm, 23592U tách thành hai mҧnh có số khối lưӧng khác nhau. Sự phân hҥch cho ta các cặp mҧnh khác nhau và có thể còn cho từ một đến ba nơtrôn tự do. Điều đó phө thuộc vào điều kiӋn cө thể cӫa thí nghiӋm (như phө thuộc vào vұn tốc cӫa nơtrôn bắn vào hҥt nhân). Ví dө: một trong các phҧn ӭng có thể xҧy ra đối với 23592U là 1 0 95 38 139 54 1 0 235 92 2 nSrXenU  (4.19) Thí nghiӋm chӭng tỏ, đối với mọi phҧn ӭng phân hҥch đều có hiӋn tưӧng hөt 102 khối lưӧng, nghĩa là tổng khối lưӧng cӫa các hҥt sau khi phân hҥch nhỏ hơn tổng khối lưӧng cӫa các hҥt nhân trước khi phân hҥch. Do có sự hөt khối nên có nĕng lưӧng tỏa ra dưới dҥng nhiӋt. Nĕng lưӧng đó gọi là nĕng lượng phân hạch. Như đối với phҧn ӭng phân hҥch cӫa một hҥt nhân 23592U nĕng lưӧng phân hҥch vào khoҧng 200 MeV. Các hҥt nhân nặng có khҧ nĕng phân hҥch nếu đối với chúng điều kiӋn sau đây đưӧc thực hiӋn (4.20) trong đó Z2/A đưӧc gọi là thông số phân hҥch. Điều kiӋn này đưӧc thực hiӋn đối với tất cҧ các hҥt nhân bắt đầu từ 10847 Ag )20( 2 AZ . hҥt nhân có 49)( 2 thAZ (thông số tới hạn) hoàn toàn không bền đối với sự phân hҥch và không thể tồn tҥi. Khi phân hҥch khối lưӧng cӫa các mҧnh vỡ rất ít khi bằng nhau. Ví dө: khi bắn nơtrôn chұm vào 23592U thì nó sẽ vỡ thành hai mҧnh M và N có khối lưӧng khác nhau và giҧi phóng từ hai đến ba nơtrôn. Cө thể từ (4.19), ta thấy hai mҧnh M( 13954 Xe ) và N( 9538Sr ) có khối lưӧng khác nhau. Đưӡng cong trên hình 4.6 cho ta hiӋu suất cӫa các mҧnh với số khối lưӧng khác nhau khi phân chia hҥt nhân 23592U . Đưӡng cong đối xӭng với cực tiểu nằm tҥi 2/118 AM  . Từ đó suy ra rằng, xác suất để nhân 23592U tách thành hai mҧnh bằng nhau là nhỏ hơn xác suất để tách thành hai mҧnh có khối lưӧng khác nhau. Xác suất để hҥt nhân tách thành hai mҧnh có khối lưӧng khác nhau nhiều (160 và 76) không xҧy ra. Xác suất cực đҥi khi M = 94 và N = 140 phù hӧp với phương trình (4.19). 4.4.2.ăPhҧnăӭngădơyăchuyền (phҧnăӭngăhҥtănhơnăkhôngăđiềuăkhiểnăđѭӧc) 17 2  A Z Hình 4.6 103 Muốn phҧn ӭng dây chuyền xҧy ra thì điều kiӋn cần thiết là mọi hạt nhân khi vỡ, trung bình phải phát ra nhiều nơtrôn. Những nơtrôn này lҥi có thể bắn phá các hҥt nhân urani khác ӣ gần đó và cӭ thế phҧn ӭng tiếp diӉn thành một dây chuyền (hình 4.7). Thực tế không phҧi mọi nơtrôn sinh ra đều gây ra phҧn ӭng vỡ hҥt nhân, trái lҥi, có rất nhiều nơtrôn bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau. Ví dө: các nơtrôn sinh ra có thể bị tҥp chất trong nhiên liӋu hấp thө, hoặc bay ra ngoài khối urani hay bị urani 238U hấp thө mà không gây ra phҧn ӭng phá vỡ hҥt nhân Như vұy muốn có phҧn ӭng dây chuyền ta phҧi xét tới hệ số nhân nơtrôn k cӫa hӋ. nó phө thuộc tỉ số giữa nơtrôn sinh ra và số nơtrôn mất mát đi do các nguyên nhân khác nhau. Nếu k < 1: phҧn ӭng dây chuyền không thể xҧy ra. Nếu k = 1: phҧn ӭng dây chuyền xҧy ra với mұt độ nơtrôn không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được trong lò phҧn ӭng. Nếu k > 1: dòng nơtrôn sẽ tĕng liên tөc theo thӡi gian và dүn tới vө nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được. Trong uran thiên nhiên chӭa 99,3% đồng vị 238U và 0,7% đồng vị 235U . Hҥt nhân 238U chỉ vỡ khi hấp thө nơtrôn nhanh có nĕng lưӧng lớn hơn 1MeV, còn khi hấp thө nơtrôn nĕng lưӧng đưới 1MeV thì 238U sẽ biến đổi thành 239Pu . Đối với 235U thì sẽ vỡ khi hấp thө cҧ nơtrôn chұm và nơtrôn nhanh. Tuy Hình 4.7 104 nhiên xác suất hấp thө nơtrôn chұm cӫa 235U lớn hơn nhiều so với khi hấp thө nơtrôn nhanh. Tóm lҥi, nếu nồng độ 238U trong môi trưӡng lớn thì phҧn ӭng dây chuyền không thể xҧy ra. Còn 235U với khối lưӧng đӫ lớn thì có thể xҧy ra phҧn ӭng dây chuyền và tỏa ra một nĕng lưӧng khổng lồ dүn đến vө nổ nguyên tử. ta gọi khối lưӧng tối thiểu cӫa uran để phҧn ӭng dây chuyền xҧy ra tự phát là khối lượng tới hạn (đối với 235U nguyên chất là 1kg, đối với 239Pu nguyên chất là 1,235kg). NhiӋt lưӧng tỏa ra ӭng với khối lưӧng tới hҥn này tương đương với nhiӋt lưӧng tỏa ra khi đốt 2000 tấn xĕng, hay tương đương với nĕng lưӧng khi làm nổ 25.000 tấn thuốc nổ trinitrotoluene. Từ đó, nguyên tắc bom hҥt nhân như sau: ngưӡi ta dùng hai mҧnh 235U khối lưӧng nhỏ hơn 1kg đặt tách xa nhau. Dùng thuốc nổ phө đẩy hai mҧnh đó dính liền nhau và vө nổ nguyên tử xҧy ra. Hình 4.8 cho ta sơ đồ nguyên tắc bom hҥt nhân. 4.4.3.ăLòăphҧnăӭng Phҧn ӭng phân hҥch điều khiển đưӧc trong các lò phҧn ӭng hҥt nhân là quá trình phân hҥch kiểm tra đưӧc. Đặc trưng quan trọng cӫa lò phҧn ӭng hҥt nhân là khối lưӧng tới hҥn cӫa nó, nghĩa là lưӧng chất tҥo điều kiӋn làm viӋc bình thưӡng cӫa lò. Nó phө thuộc vào dҥng nguyên liӋu, tҥp chất, thành phần đồng vị cӫa nhiên liӋu, chất làm chұm, dҥng hình học cӫa lò và nhiều nhân tố khác. Nếu khối lưӧng 235U trong lò nhỏ hơn khối lưӧng tới hҥn cần thiết thì sẽ không đӫ số hҥt nhân 235U để xҧy ra phҧn ӭng dây chuyền, vì các nơtrôn sẽ bay ra ngoài khối uran và không gây nên phҧn ӭng nào cҧ. Các nơtrôn sinh ra trong lò Hình 4.8. Sơ đồ cấu tҥo bom hҥt nhân 105 phҧn ӭng là các nơtrôn nhanh, do đó ngưӡi ta thưӡng dùng Graphit để làm chұm nơtrôn. ViӋc điều chỉnh sự hoҥt động cӫa lò đưӧc thực hiӋn bằng các thanh cadimi (Cd) có đặc tính hấp thө nơtron. Muốn giҧm công suất lò, ngưӡi ta cho dần các thanh Cd vào lò. Ngưӧc lҥi, muốn tĕng công suất lò, ngưӡi ta rút bớt những thanh Cd ra (hình 4.9). Trong lò có xҧy ra phҧn ӭng phân hҥch, nên nĕng lưӧng cӫa lò tỏa ra rất lớn. nếu cho một ống dүn nước đi qua lò thì nĕng lưӧng cӫa lò sẽ làm cho nước bốc hơi. Hơi nước này đưӧc dùng làm tác nhân trong máy nhiӋt. nhưng hơi nước này không dùng ngay đưӧc vì nó bị nhiӉm phóng xҥ. ngưӡi ta cho hơi nước nhiӉm xҥ trao đổi với một luồng nước khác để giҧm bớt độ phóng xҥ, sau đó mới dùng nước để chҥy máy. Nĕng lưӧng hҥt nhân đưӧc sử dөng làm nguồn nĕng lưӧng cho các nhà máy điӋn nguyên tử. Ngoài ra, nhӡ có lò phҧn ӭng hҥt nhân, ngưӡi ta có thể tҥo ra các đồng vị phóng xҥ dùng trong công nghiӋp. 4.5.ăPhҧnăӭngănhiӋtăhҥch Ngoài hiӋn tưӧng tỏa nĕng lưӧng khi hҥt nhân nặng bị phá vỡ, các hҥt nhân nhẹ khi kết hӧp với nhau để thành hҥt nhân nặng hơn cũng tỏa ra nĕng lưӧng lớn. Ví dө: ,5,17412131 MeVnHeHH  ,2,1942 1 1 3 1 MeVHeHH   ,2,222 42 2 1 6 3 MeVHeHLi  .1,152 422173 MeVnHeHLi  Những phҧn ӭng đó đưӧc gọi là phản ứng nhiệt hạch. Nĕng lưӧng tỏa ra đưӧc gọi là nĕng lượng nhiệt hạch. Nĕng lưӧng nhiӋt hҥch lớn hơn nĕng lưӧng phân hҥch nhiều lần. Ví dө: 1kg hỗn hӧp đồng vị hiđrô nặng tỏa ra nĕng lưӧng Cd ống nước ống nước Hình 4.9 106 9,2.107kWh gấp bốn lần nĕng lưӧng do 1kg 235U tỏa ra (2,3.107kWh). 4.5.1.ăĐiềuăkiӋnăthựcăhiӋnăphҧnăӭngănhiӋtăhҥch Vì các hҥt nhân đồng vị hiđrô đều là những hҥt tích điӋn dương, nên muốn tҥo ra phҧn ӭng nhiӋt hҥch phҧi cung cấp cho các hҥt nhân một động nĕng đӫ lớn để vưӧt hàng rào thế nĕng Coulomb đến tiếp cұn với nhau. Muốn thực hiӋn điều đó phҧi đốt nóng chất phҧn ӭng đến nhiӋt độ rất cao (cỡ 108K). Nếu trong quá trình tổng hӧp hҥt nhân mà đҥt đưӧc nhiӋt độ cần thiết thì phҧn ӭng tự duy trì. HiӋn nay nung nóng chất phҧn ӭng là phương pháp duy nhất để tҥo phҧn ӭng tổng hӧp. do đó có tên gọi là phҧn ӭng nhiӋt hҥch. 4.5.2.ăPhҧnăӭngănhiӋtăhҥchătrongăvũătrө Phҧn ӭng nhiӋt hҥch là một trong những nguồn nĕng lưӧng cӫa các vì sao và Mặt trӡi. Theo Bête thì phҧn ӭng nhiӋt hҥch trong lòng các thiên thể xҧy ra theo chu trình cacbon ậ nitơ sau: ;; 136 13 7 13 7 1 1 12 6 veCNNHC   ;147 1 1 13 6  NHC ;; 157 15 8 15 8 1 1 14 7 veNOOHN   4 2 12 6 1 1 15 7 HeCHN  Kết quҧ là bốn hҥt nhân hiđrô tҥo thành một hҥt nhân hêli, lưӧng cacbon không thay đổi. Phҧn ӭng này xҧy ra ӣ hàng chөc triӋu độ. Bên trong các ngôi sao lҥnh hơn và Mặt trӡi có thể xҧy ra một chu trình khác, chu trình prôtôn ậ proton: ;31 1 1 1 1 veDHH   ;32 1 1 2 1  HeHD . 4 2 1 1 3 2  eHeHHe Quá trình này cũng dүn đến sự tҥo thành hҥt nhân hêli từ bốn hҥt nhân hiđrô. Khi đó ӭng với mỗi hҥt nhân hêli hình thành sẽ tỏa ra nĕng lưӧng khoҧng 26MeV và mỗi khi hình thành 4g hêli thì tỏa ra nĕng lưӧng 700.000kWh. 4.5.3.ăPhҧnăӭngănhiӋtăhҥchăkhôngăđiềuăkhiển Muốn cho phҧn ӭng nhiӋt hҥch xҧy ra, cần có nhiӋt độ cao hàng chөc triӋu độ. Có thể dùng bom hҥt nhân để tҥo ra nhiӋt độ đó, nhưng phҧn ӭng nhiӋt hҥch xҧy 107 ra sẽ chỉ tồn tҥi trong một thӡi gian rất ngắn (cỡ 10-6s) rồi tắt hẳn. vì vұy phҧn ӭng nhiӋt hҥch xҧy ra trong điều kiӋn đó gọi là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển. Phҧn ӭng nhiӋt hҥch không điều khiển đưӧc thực hiӋn làm bom khinh khí (bom H). cấu tҥo một quҧ bom H có thể mô tҧ trong hình 4.10 dưới đây. Trong quҧ bom khinh khí có ba loҥi nhiên liӋu: thuốc nổ thông thưӡng TNT, nhiên liӋu phân hҥch U-235 và nhiên liӋu tổng hӧp nhiӋt hҥch deuterium, tritium. Quá trình nổ cӫa quҧ bom H xҧy ra như sau: Thuốc nổ TNT phát hoҧ đẩy hai khối uranium chұp lҥi đҥt khối lưӧng tới hҥn, tӭc làm phát nổ quҧ bom A và đưa nhiӋt độ lên hàng chөc triӋu độ, đӫ gây phҧn ӭng nhiӋt hҥch tӭc thӡi cho toàn khối deuterium và tritium. Đây chính là phҧn ӭng nổ tổng hӧp nhiӋt hҥch không điều khiển trong quҧ bom khinh khí.. Nếu mỗi quҧ bom hҥt nhân tương đương 20 ngàn tấn thuốc nổ trinitrotoluene thì quҧ bom khinh khí có thể tương đương với 10÷20 triӋu tấn thuốc nổ đó. 4.5.4.ăPhҧnăӭngănhiӋtăhҥchăcóăđiềuăkhiển Vì nĕng lưӧng tỏa ra trong phҧn ӭng nhiӋt hҥch lớn hơn nĕng lưӧng tỏa ra trong phҧn ӭng phân hҥch rất nhiều, và vì nhiên liӋu nhiӋt hҥch có thể coi là vô tұn trong thiên nhiên, nên một vấn đề quan trong đặt ra là làm thế nào thực hiӋn đưӧc phҧn ӭng nhiӋt hҥch điều khiển để đҧm bҧo cung cấp nĕng lưӧng mãi mãi cho nhân loҥi. Hình 4.10 108 Để thực hiӋn đưӧc phҧn ӭng nhiӋt hҥch phҧi tҥo ra nhiӋt độ cao hàng chөc triӋu độ trong một thể tích giới hҥn chӭa đầy đơteri hay hỗn hӧp đơteri liti. Ӣ nhiӋt độ cao , khí sẽ hoàn toàn bị iôn hóa, trҥng thái đó gọi là trạng thái plasma. Để thu lấy và duy trì plasma ӣ nhiӋt độ này cần phҧi cô lұp nó với thành bình mà trong đó nó đưӧc tҥo ra. Có nhiều phương pháp để thu lấy plasma ӣ nhiӋt độ cao. Ta xét phương pháp nén điӋn động lực học (hiӋu ӭng bóp). HiӋu ӭng này là do tương tác cӫa dòng điӋn với từ trưӡng do chính nó tҥo ra (giống như tương tác giữa hai dòng điӋn thẳng). Giҧ sử có một chùm hҥt tích điӋn chҥy theo một chiều nào đó (hình 4.11). Hình 4.11. Tác dөng nén plasma cӫa từ trưӡng. Chùm hҥt tích điӋn đang chuyển động đó sẽ gây ra chung quanh nó một từ trưӡng tương tự từ trưӡng cӫa một dòng điӋn thẳng. theo định luұt về tương tác từ thì từ trưӡng này sẽ tác dөng lên chính chùm hҥt một lực vuông góc với phương chuyển động cӫa chùm hҥt và hướng từ ngoài vào trong. Kết quҧ là chùm hҥt tích điӋn chuyển động bị nén lҥi và không tiếp xúc với thành bình. Như vұy, từ trưӡng bao quanh cột plasma có tác dөng làm cách nhiӋt plasma. Những hҥt chҥy theo bán kính tới thành bình sẽ bị từ trưӡng tác dөng kéo trӣ lҥi. Muốn nung nóng plasma lên nhiӋt độ rất cao ngưӡi ta cho phóng qua plasma một dòng điӋn cực mҥnh i, cưӡng độ có thể tới một triӋu ampe. Dòng điӋn đốt nóng plasma là do tỏa nhiӋt Jun ậ Lenx. Mặt khác, tác dөng cӫa từ lực F còn gây ra nén nhanh đoҥn nhiӋt plasma và do đó đốt nóng plasma rất mҥnh hơn nữa. NhiӋt độ và áp suất tĕng theo định luұt: 109 , 3/2 constTV  , 3/5 constPV  trong đó V là thể tích cột plasma. 4.5.5.ăPhѭѫngăphápăsӱădөngăthựcătӃănĕngălѭӧngăphҧnăӭngănhiӋtăhҥch Mặc dù chưa thực hiӋn đưӧc hoàn toàn phҧn ӭng nhiӋt hҥch điều khiển đưӧc, nhưng ngưӡi ta vүn dự kiến những cách sử dөng nĕng lưӧng các phҧn ӭng đó. Có thể biến trực tiếp nĕng lưӧng nhiӋt hҥch thành nĕng lưӧng điӋn: trong quá trình nén, nĕng lưӧng từ trưӡng biến thành động nĕng cӫa plasma, phҧn ӭng nhiӋt hҥch xuất hiӋn do kết quҧ trên dүn đến sự tỏa nĕng lưӧng, sự tĕng cӫa nhiӋt độ và áp suất, dүn đến sự dãn cӫa plasma, nhưng sự dãn cӫa plasma sẽ xҧy ra ngưӧc với các lực từ trưӡng duy trì plasma, do đó trong quá trình dãn, plasma sẽ biến thành nĕng lưӧng cӫa từ trưӡng. Nhưng nĕng lưӧng từ trưӡng có thể biến trực tiếp thành nĕng lưӧng cӫa dòng điӋn. Một phương pháp khác để nhұn đưӧc nĕng lưӧng nhiӋt hҥch là dùng nhiên liӋu đơteri và triti. Mỗi lần có phҧn ӭng D + T thì lҥi đưӧc một nơtrôn có nĕng lưӧng 14,1MeV; nơtrôn đұp vào vỏ một ống dүn nước và bằng va chҥm đàn hồi truyền nĕng lưӧng cho hiđrô. Nước hấp thө nĕng lưӧng cӫa nơtrôn sẽ nóng lên, bốc hơi và tҧi nhiӋt vào máy hơi nước. Vì triti là vұt liӋu quý nên phҧi phөc hồi lҥi. Muốn vұy, ngưӡi ta để nơtrôn sinh ra do phҧn ӭng nhiӋt hҥch đұp vào các lớp bêrili, chì, bitmuyt có tính chất gây phҧn ӭng (n,2n). Nhӡ đó số nơtrôn sẽ tĕng nhanh, 6 3 Li hấp thө nơtrôn lҥi sҧn xuất ra triti (theo phҧn ӭng 423163 HeTnLi  ). Kết quҧ là lò phҧn ӭng nhiӋt hҥch có thể tái sҧn xuất nhiên liӋu nhiӋt hҥch (triti) tương tự như lò phҧn ӭng hҥt nhân có thể tái sҧn suất nhiên liӋu phân hҥch 239Pu và 233U . 110 BÀIăTҰP BƠiătұpăvíădөă1.ă Một hҥt nhân có A = 235 bị vỡ thành hai hҥt nhân có tỷ số các số khối là 2/1. Tìm bán kính cӫa hai mҧnh vỡ đó. Giҧi 3 470235 3 2 ; 3 235235 3 1 21  AA fmfmArR 99,5235 3 1)4,1( 3/1 3/1 101    fmfmArR 55,7 3 470)4,1( 3/1 3/1 202    BƠiătұpăvíădөă2. Tính nĕng lưӧng liên kết cӫa hҥt nhân 31 H và 32 He . Hҥt nhân nào bền hơn? Giҧi Nĕng lưӧng liên kết đưӧc tính theo công thӭc:   2)( cMmZAZmE hnnplk  Đối với hҥt nhân 31 H :   MeVuMeVuuuElk 5,8/4,931.016050,3008665,1.2007825,1.11  Đối với hҥt nhân 32 He :   MeVuMeVuuuElk 7,7/4,931.016030,3008665,1.1007825,1.22  Nĕng lưӧng liên kết riêng: A Elk lkr  Đối với hҥt nhân 31 H : MeVMeVlkr 5,81 5,8 1  Đối với hҥt nhân 32 He : MeVMeVlkr 85,32 7,7 1  Vì nĕng lưӧng liên kết riêng cӫa hҥt nhân 31 H lớn hơn nĕng lưӧng liên kết riêng cӫa hҥt nhân 32 He nên hҥt nhân 31 H bền hơn hҥt nhân 32 He . 111 BƠiătұpăvíădөă3. Tìm chu kì bán rã cӫa Au20079 , biết độ phóng xҥ cӫa 3.10-9 kg chất đó là 58,9Ci. Giҧi Số nguyên tử trong 3.10-9 kg Au20079 là ngtkmolngt kmolkg kgN A mN A 1526 9 10.03,9/10.02,6. /200 10.3 .   Độ phóng xҥ H = 58,9Ci = 58,9.3,7.1010 = 2,18.1012 Bq Ta có 14 15 12 10.41,2 10.03,9 10.18,2  s N HNH  4810.88,2 10.41,2 693,02ln 3 4   sT  phút BƠiătұpătựăgiҧi 1.Xác định bán kính cӫa hҥt nhân C126 , biết bán kính điӋn cӫa nó ro = 1,4.10-15m. ĐS: 3,2 fm 2. Bán kính cӫa hҥt nhân Ge gấp đôi bán kính cӫa Be94 . Tính số nuclon cӫa Ge. . ĐS: 72 3. Tìm hҥt nhân bền, biết bán kính cӫa nó bằng 1/3 bán kính hҥt nhân Os189 . 4. Tính nĕng lưӧng liên kết ӭng với một nuclôn trong hҥt nhân Be94 , đồng Cu6429 và bҥc Ag10847 ĐS: 6,38MeV; 8,75MeV; 8,36MeV 5. Xác định nĕng lưӧng cần thiết để tách một nơtrôn liên kết yếu trong hҥt nhân Ca4020 . ĐS: 1,066GeV 6. Tính nĕng lưӧng liên kết cӫa hҥt nhân U23492 và U23892 . Hҥt nhân nào bền hơn? ĐS:ă1784MeV và 1804MeV. Hҥt nhân U23492 bền hơn. 112 7. Một mүu cӫa chất phóng xҥ radon chӭa 1010 nguyên tử phóng xҥ. a. Có bao nhiêu nguyên tử còn lҥi sau một ngày? b. Có bao nhiêu nguyên tử đã phân rã sau một ngày? Cho biết T = 3,82 ngày ĐS: a. 8,34.109 b. 1,66.109 8. Sau thӡi gian bao lâu thì chất đồng vị phóng xҥ giҧm 1/3 lưӧng ban đầu cӫa các hҥt nhân, nếu chu kì bán rã là 25 giӡ ĐS: 10,3 giӡ 9. Hằng số phóng xҥ cӫa rubiddi 89Rb bằng 0,00077s-1. Tính chu kì bán rã cӫa rubidi. 8. ĐS: T = 15 phút 10. Một mүu chất phóng xҥ có tốc độ phân rã 548 phân rã/s lúc t = 0. Lúc t = 48 phút, tốc độ phân rã giҧm xuống còn 213 phân rã/s. Hãy xác định: a. Chu kì phân rã. b. Hằng số phân rã  cӫa mүu. c.Tốc độ phân rã lúc t = 125 phút. ĐS: a. T = 35,2 phút b. 1510.8,32  s ; c. 46s-1 11. Tìm thӡi gian cần thiết để 5mg Na22 lúc đầu còn lҥi 1mg. Cho T = 2,60 nĕm. ĐS: 6,04 nĕm 12. Tính thӡi gian cần thiết để một lưӧng cho trước chất Sr9038 (strônti) giҧm đi 75%. Cho T = 28 nĕm. ĐS: 56 nĕm 13. Xác định chu kì bán rã cӫa poloni phóng xҥ 210Po nếu một gam chất đồng vị đó trong một nĕm tҥo ra 89,5cm3 heli ӣ điều kiӋn chuẩn. ĐS: 138 ngày. 113 14. Tҥi sao trong quặng urani lҥi có lүn chì. Xác định tuổi cӫa chất quặng, trong đó cӭ 10 nguyên tử urani có: a. 10 nguyên tử chì. b. 2 nguyên tử chì ĐS: a. 4,5.109 nĕm ; b. 1,2.109 nĕm. 15. Tìm nĕng lưӧng tỏa ra trong các phҧn ӭng nhiӋt hҥch sau đây: a. HeHHeH 42 1 1 3 2 2 1  b. HeHeHLi 42 4 2 2 1 6 3  c. HeHeHLi 42 3 2 1 1 6 3  16. Có thể đun sôi một lưӧng nước bằng bao nhiêu nếu nước ӣ 0oC và dùng toàn bộ nhiӋt tỏa ra trong phҧn ӭng ),(73 PLi khi phân giҧi hoàn toàn 1 gam liti? ĐS: 0,57.106 kg 17. Ngày nay chúng ta có thể thực hiӋn đưӧc những giấc mơ cӫa các nhà giҧ kim thuұt thӡi trung cổ là biến thӫy ngân thành vàng. Hỏi phҧi làm như thế nào? 18a. Có bao nhiêu nĕng lưӧng tỏa ra trong quá trình phân chia hҥt nhân cӫa 1kg urani U23592 trong lò phҧn ӭng urani (hoặc trong bom nguyên tử)? 18b. Cần phҧi đốt một lưӧng than bằng bao nhiêu để có đưӧc một lưӧng nhiӋt như thế, biết nĕng suất tỏa nhiӋt cӫa than bằng 2,93.107 J/Kg ? 18c. Xác định tҧi trọng có thể nâng lên độ cao 5km bằng nĕng lưӧng giҧi phóng ra trong phҧn ӭng hҥt nhân đó. Cho rằng nĕng lưӧng trung bình tỏa ra khi phân chia một nguyên tử urani U23592 là 200MeV. ĐS: a.5,1.1026 MeV; b. 2,8.106 Kg; c. 1,67.106 kg. 114 TÀIăLIӊUăTHAMăKHҦO [1] Lương Duyên Bình (2009), Vật lý đại cương tập 3 phần 1, NXB Giáo dөc ViӋt Nam. [2] Lương duyên Bình (2012), Bài tập vật lý đại cương tập 3, NXB Giáo dөc ViӋt Nam. [3] Trần Ngọc Hӧi, Phҥm Vĕn Thiều (2006), Vật lý đại cương (các nguyên lý và ứng dụng), NXB Giáo dөc. [4] Đặng Quang Khang ậ NguyӉn Xuân Chi (2001), Vật lý đại cương tập 3,NXB Đҥi học Bách khoa, Hà Nội. [5] Đặng Thị Mai - NguyӉn phúc Thuần ậ Lê trọng Tưӡng (2001), Bài tập vật lý đại cương, NXB Giáo dөc. 115 LӠIăMӢăĐҪU .......................................................................................................... 2 CHѬѪNGă1.ăTHUYӂTăTѬѪNGăĐӔIă ................................................................. 4 1.1.Một số điểm cần thiết trong cơ học cổ điển .................................................... 4 1.1.1. HӋ quy chiếu quán tính và tính tương đối cӫa chuyển động ................ 4 1.1.2. Nguyên lý tương đối và phép biến đổi Galileo .................................... 4 1.2. Các tiên đề Einstein ....................................................................................... 5 1.2.1. Tiên đề 1 ............................................................................................... 5 1.2.2. Tiên đề 2 ............................................................................................... 5 1.3. Động học tương đối ậ Phép biến đổi Lorentz ................................................ 5 1.3.1. Sự mâu thuẩn cӫa phép biến đổi Galile với thuyết tương đối Einstein . ............................................................................................................. 5 1.3.2. Phép biến đổi Lorentz .......................................................................... 6 1.4. Các hӋ quҧ cӫa phép biến đổi Lorentz ........................................................... 9 1.4.1. Khái niӋm về tính đồng thӡi và quan hӋ nhân quҧ ............................... 9 1.4.2. Sự co cӫa độ dài ( Sự co ngắn Lorentz) ............................................. 10 1.4.3. Sự giãn cӫa thӡi gian .......................................................................... 11 1.4.4. Định lý tổng hӧp vұn tốc .................................................................... 13 1.5. Động lực học tương đối tính ........................................................................ 13 1.5.1. Phương trình cơ bҧn cӫa chuyển động chất điểm .............................. 13 1.5.2. Động lưӧng và nĕng lưӧng................................................................. 14 1.5.3. ụ nghĩa triết học cӫa hӋ thӭc Einstein ............................................... 15 1.6. Sơ lưӧc về thuyết tương đối rộng Einstein ậ Nguyên lý tương đương ...... 16 BÀIăTҰP ........................................................................................................... 18 CHѬѪNGă2.ăLụăTHUYӂTăLѬӦNGăTӰă .......................................................... 21 2.1. Bӭc xҥ nhiӋt ................................................................................................. 21 2.1.1. Bӭc xҥ nhiӋt cân bằng ........................................................................ 21 2.1.2. Định luұt Kirchhoff ............................................................................ 24 2.1.3. Các định luұt bӭc xҥ cӫa vұt đên tuyӋt đối ........................................ 26 2.1.4. Thuyết lưӧng tử Planck ...................................................................... 29 2.2. HiӋu ӭng quang điӋn .................................................................................... 31 2.2.1. HiӋu ӭng quang điӋn và các định luұt cӫa nó .................................... 31 2.2.2. Thuyết phôtôn Einstein và sự giҧi thích các định luұt quang điӋn ... 32 2.3. Lưỡng tính sóng hҥt cӫa ánh sáng ............................................................... 35 2.3.1. Tính sóng hҥt cӫa ánh sáng ................................................................ 35 2.3.2. Giҧ thuyết De Broglie ........................................................................ 37 2.3.3. Thực nghiӋm xác nhұn giҧ thuyết Đơbrơi .......................................... 37 116 2.4. HӋ thӭc bất định Heisenberg ....................................................................... 38 2.4.1. HӋ thӭc ............................................................................................... 38 2.4.2. Ý nghĩa vұt lý cӫa hӋ thӭc bất định Heisenberg ................................ 40 2.4.3. ụ nghĩa triết học cӫa hӋ thӭc bất định Heisenberg ............................ 40 2.4.4. HӋ thӭc bất định giữa nĕng lưӧng và thӡi gian .................................. 41 2.5. Hàm sóng và ý nghĩa thống kê cӫa nó ......................................................... 41 2.5.1. Hàm sóng ........................................................................................... 41 2.5.2. ụ nghĩa thống kê cӫa hàm sóng ......................................................... 42 2.6. Phương trình Shrodinger ............................................................................ 43 2.7. Ӭng dөng cӫa phương trình Schrodinger .................................................... 44 2.7.1. Hҥt trong thế giếng thế nĕng .............................................................. 44 2.7.2. Hàng rào thế (HiӋu ӭng đưӡng hầm) ................................................. 48 BÀI TҰP ........................................................................................................... 52 CHѬѪNGă3.ăVҰTăLụăNGUYÊNăTӰă ................................................................ 61 3.1. Nguyên tử Hiđrô ......................................................................................... 61 3.1.1. Chuyển động cӫa electron trong nguyên tử Hiđrô ............................. 61 3.1.2. Các kết luұn ........................................................................................ 65 3.2. Nguyên tử kim loҥi kiềm ........................................................................... 70 3.2.1. Nĕng lưӧng cӫa nguyên tử electron trong nguyên tử kim loҥi kiềm ........................................................................................................... 70 3.2.2. Quang Phổ cӫa nguyên tử kim loҥi kiềm ........................................... 72 3.3. Mômen động lưӧng và mômen từ cӫa electron chuyển động quanh hҥt nhân ........................................................................................................... 73 3.3.1. Mômen động lưӧng ............................................................................ 73 3.3.2. Mômen từ ........................................................................................... 74 3.3.3. HiӋn tương Zeeman ............................................................................ 74 3.4. Spin cӫa electron ........................................................................................ 75 3.4.1. Các sự kiӋn thực nghiӋm xác nhân sự tồn tҥi spin cӫa electron ........ 75 3.4.2. Mômen động lưӧng toàn phần ........................................................... 76 3.4.3. Trҥng thái và nĕng lưӧng cӫa electron trong nguyên tử .................... 77 3.4.4. Cấu tҥo bội cӫa vҥch quang phổ ........................................................ 78 3.5. Khái niӋm về hӋ thống tuần hoàn Mendeleev ............................................ 79 BÀI TҰP ........................................................................................................... 83 CHѬѪNGă4.ăVҰTăLụăHҤTăNHÂN .................................................................... 89 4.1. Những tính chất cơ bҧn cӫa hҥt nhân nguyên tử ......................................... 89 4.4.1. Cấu trúc hҥt nhân ............................................................................... 89 117 4.1.2. Kích thước .......................................................................................... 90 4.1.3. Spin hҥt nhân ..................................................................................... 91 4.1.4. Mô men từ hҥt nhân ........................................................................... 91 4.1.5. Lực hҥt nhân ....................................................................................... 92 4.1.6. Khối lưӧng và nĕng lưӧng liên kết hҥt nhân ...................................... 93 4.2. Phân rã phóng xҥ ......................................................................................... 95 4.2.1. HiӋn tưӧng phân rã phóng xҥ - Định luұt phân rã phóng xҥ .............. 95 4.2.2. Quy tắc dịch chuyển, họ phóng hҥ tự nhiên ....................................... 98 4.2.3. Phóng xҥ nhân tҥo .............................................................................. 99 4.2.4. Tác động cӫa tia phóng xҥ đối với môi trưӡng vұt chất. Đơn vị đo phóng xҥ ........................................................................................................... 99 4.3. Tương tác hҥt nhân .................................................................................... 100 4.3.1. Các loҥi tương tác hҥt nhân .............................................................. 100 4.3.2. Các định luұt bҧo toàn trong tương tác hҥt nhân ............................. 101 4.3.3. HӋ thӭc nĕng lưӧng cӫa phҧn ӭng hҥt nhân ..................................... 102 4.4. Sự phân hҥch và phҧn ӭng dây chuyền...................................................... 102 4.4.1. Sự phân hҥch .................................................................................... 102 4.4.2. Phҧn ӭng dây chuyền ....................................................................... 103 4.4.3. Lò phҧn ӭng hҥt nhân ....................................................................... 105 4.5. Phҧn ӭng nhiӋt hҥch ................................................................................... 106 4.5.1. Điều kiӋn thực hiӋn phҧn ӭng nhiӋt hҥch ......................................... 107 4.5.2. Phҧn ӭng nhiӋt hҥch trong vũ trө ..................................................... 107 4.5.3. Phҧn ӭng nhiӋt hҥch không điều khiển ............................................ 107 4.5.4. Phҧn ӭng nhiӋt hҥch có điều khiển .................................................. 108 4.5.5. Phương pháp sử dөng thực tế nĕng lưӧng phҧn ӭng nhiӋt hҥch ...... 110 BÀI TҰP ......................................................................................................... 111 TÀI LIӊU THAM KHҦO .................................................................................... 115 MӨC LӨC.116