Bài giảng môn Vật lý: Các đặc điểm năng lượng của hạt nhân nguyên tử

SAU ĐÂY LÀ BÀI BÁO CÁO CỦA NHÓM 1 MONG CÁC BẠN CHÚ Ý THEO DÕI+CÁC ĐẶC ĐIỂMNĂNG LƯỢNG CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ+1. Cấu tạo hạt nhânTheo giả thiết của Ivanenko – Haidenbec đưa ra 1932 thì hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi 2 loại hạt sau:Protôn: (kí hiệu là p): Là hạt mang điện dương có trị số tuyệt đối bằng điện tích của electron: có khối lượng bằng khối lượng của hạt nhân Hiđrô. Tính theo u = 1,00728, tính theo kg =1,6724.10 tính theo MeV = 938,23Nơtrôn: (kí hiệu là n): Là hạt trung hòa điện có khối lượng lớn hơn một ít so với khối lượng protôn.Tính theo u = 1,00862, tính theo kg =1,6748.10 , tính theo MeV = 939,53-27-27Hai loại hạt protôn và nơtrôn có tên chung là nuclôn. Thực nghiệm đã xác nhận giả thiết của Ivanenko – Haidenbec là đúng. Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong bảng tuần hoàn Menđêlêep; Z gọi là điện tích hạt nhân (tính ra đơn vị điện tích nguyên tố). Tổng số các nuclôn trong hạt nhân gọi là số khối (lí hiệu là A). Do đó số nơtrơn trong hạt nhân là N = A – Z. Người ta kí hiệu hạt nhân của một nguyên tử là với X là tên nguyên tố tương ứng.Ví dụ: Hạt nhân Heli được kí hiệu là có số Z = 2, A = 4.Hạt nhân Liti được kí hiệu là có số Z = 3, A= 7. 2He4+++++3Li7+Là prôtônLà nơtrônHình 8.1 Hạt nhân Heli và LitiNhững hạt nhân có cùng số Z nhưng khác số N nghĩa là cùng điện tích nhưng khác khối lượng thì được gọi là hạt nhân đồng vị. +1H11+1H33+1H22Hiđrô có ba đồng vị: Đơtêri ( còn kí hiệu là D hay d) (còn kí hiệu là T hay t)HiđroTritiHình 8.2 : Hạt nhân Hiđro, Đơteri và TritiHiện nay đã tìm được 300 đồng vị bền, 60 đồng vị phóng xạ thiên nhiên và 3000 đồng vị nhân tạo.Những hạt nhân có cùng số A nhưng số Z khác nhau thì gọi là những hạt nhân đồng khối lượng.Lần lượt là những cặp hạt nhân đồng khối lượng.Ví dụ:Đã tìm được 60 hạt nhân đồng khối lượng bền có số A chẵn và số Z khác nhau hai đơn vị bắt đầu từ A= 36 và hai cặp đồng khối lượng có số A lẽ và số Z khác nhau một đơn vị. Ngoài ra còn tìm được vài nhóm 3 hạt nhân đồng khối lượng như: Trong số những hạt nhân đồng khối lượng ta còn gặp những cặp hạt nhân mà số proton của hạt nhân này bằng số notron của hạt nhân kia. Ta gọi chúng là những hạt nhân gương.Ví dụ: Về những cặp hạt nhân gương---+1H3++2H3Hình.8.3 Hạt nhân gương2. Kích thước hạt nhân:Ta có thể coi hạt nhân là một quả cầu bán kính R và xác định bán kính đó bằng nhiều phương pháp thực nghiệm khác nhau. Sau đây ta nói qua một và phương pháp:a ). Khảo xác tán xạ notron: Ta bắn phá hạt nhân bằng đạn notron năng lượng từ 20 – 50 MeV. Vì notron không mang điện nên dễ xuyên thâu vào hạt nhân và vì notron mang năng lượng lớn nên nó tương tác mạnh mẽ với hạt nhân. Thực nghiêm cho biết xác suất xảy ra phản ứng tỉ lệ với tiết diện hình học của hạt nhân Do đo được xác suất phản ứng, ta có thể suy ra được các bán kính R của hạt nhân:R  m đối với hạt nhân năng như Pb,U,m đối với hạt nhân trung bình như Fe,R  b). Khảo sát phản ứng hạt nhân với các hạt tích điện:Khi bắn phá hạt nhân bằng hạt tích điện thì giữa hạt nhân và hạt tích điện xuất hiên lực đẩy Culông. Do đó có thể coi như có một hàng rào thế năng tương tác làm cho hạt tích điện khó xuyên vào hạt nhân. Nhưng do hiệu ứng đường ngầm, nên hạt tích điện tuy có năng lượng nhỏ hơn hàng rào thế năng, vẫn có thể xuyên qua hàng rào thế năng và gây ra phản ứng hạt nhân được. Thực nghiệm cho biết xác suất gây phản ứng đó tỉ lệ với độ xuyên qua hàng rào thế năng. Từ đó người ta tính được kích thước hạt nhân: c) So sánh năng lượng liên kết với các hạt nhân gươngSo sánh năng lượng liên kết của các hạt nhân gương, ta thấy hạt nhân nhiều proton sẽ có năng lượng lớn hơn hạt nhân nhiều notron Ví dụ: Năng lượng liên kết của bằng – 8,485 MeV, còn năng lượng liên kết của bằng – 7,723 MeV. Nguyên nhân là vì mỗi khi thay một notron bằng một proton thì lực đẩy Culông tăng lên và gây ra một năng lượng phụ bằng: . Biết hiệu năng lượng liên kết các hạt nhân gương, ta sẽ tính được bán kính hạt nhân:R = d) Khảo sát lực hạt nhân:Các nuclon tương tác nhau bằng cách trao đổi mêdon Nơtron có thể nhả mêdon âm hoặc nuốt mêdon dương dương âm để biến thành nơtron. hoăc nuốt medonđể biến thành proton và proton có thể nhả medon Như vậy nuclon trong hạt nhân có thể ở trạng thái phân li như sau: p  n + n  p + p  p + n  n + Quá trình phân li đó xảy ra kèm theo độ biến thiên năng lượng Đó là một quá trình tự phát không cần phải cung cấp năng lượng từ bên ngoài vào. Theo cơ lượng tử thì độ biến thiên đó là do tính bất định về năng lượng của hệ vi mô. Tính bất định đó chỉ tồn tại trong một thời gian:Thành thử quá trình phân li của nuclon chỉ xảy ra trong khoảng thời gian:Trong khoảng thời gian này, medon chuyển động vớivận tốc bằng tốc độ ánh sáng và rời khỏi nuclon một khoảng cáchKhoảng cách đó tượng trưng cho kích thước của đám mây mêdôn bao quanh nuclon. Thành ra lực hạt nhân chỉ tồn tại trong phạm vi kích thước đám mây mêdôn. Nói cách khác, khoảng cách coi như bán kính tác dụng của lực hạt nhân. Từ đó xác định được bán kính hạt nhân:Kết quả là bằng những phương pháp đo khác nhau, người ta thấy kích thước hạt nhân phù hợp theo công thức thực nghiệm:VớiNgười ta gọi là bán kính điệnTa đi tới một kết luận quan trọng là: thể tích hạt nhân tỉ lệ với số hạt trong hạt nhân. Nói cách khác, mật độ khối lượng hạt nhân là không đổi với mọi hạt nhân. Nếu kí hiệu mật độ khối lượng hạt là Ta thấy mật độ khối lượng hạt nhân cực kì lớn 3. Spin hạt nhân: Một đặc trưng quan trọng của nuclon là nó có mômen động lượng riêng hay spin. Cũng giống như êlectron, nuclon có spin do chuyển động của nuclon bên trong hạt nhân. Thành thử mỗi nuclon chuyển động bên trong hạt nhân sẽ có mômen động lượng toàn phần: . Ngoài ra nuclon còn có mômen orbital Trong đó là mômen orbital và mômen spin của nuclon thứ i. Do đó mômen động lượng toàn phần của hạt nhân sẽ là:Người ta gọi J là mômen spin của hạt nhân; nó đặc trưng cho chuyển động nội tại của hạt nhân. Theo cơ học lượng tử, giá trị tuyệt đối của mômen spin hạt nhân là:Với J là lượng nguyên tử spin của hạt nhân gọi tắt là spin hạt nhân. Nó có giá trị nguyên 0, 1, 2,3, nếu A chẵn, và có giá trị bán nguyên nếu A lẻ.4. Mômen từ hạt  nhân: Tương tự như electron, hạt nhân cũng có momen từ riêng ứng với mômen spin của nó. 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 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. 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. Khoảng 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: 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. Số hạng thứ nhất ở vế phải của biểu thức là tổng mômen từ quỹ đạo của các prôtôn thứ i.  Số hạng thứ hai ở vế phải của biểu thức là tổng mômen từ Spin của các prôtôn thứ i. Số hạng thứ ba ở vế phải 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: Từ đó ta có bảng các giá trị của Spin và mômen từ một số hạt nhân:Hạt nhân SpinMômen từ đo bằng đơn vị manheton hạt nhân p n1/21/211/25/21/245/21/22,79-1,910,86-2,133,65-0,55-1,30-1,29-0,135. Lực hạt nhân Hạt nhân nguyên tử có cấu trúc khá bền vững. Điều đó chứng tỏ các nuclon trong hạt nhân phải hút nhau bằng những lực rất mạnh. Nhờ những sự kiện thực nghiệm ta tìm ra một số đặc tính của lực hạt nhân: a. Lực hạt nhân là lực tác dụng ngắn: trong phạm vi lực rất mạnh. Ngoài khoảng đó, lực hạt nhân giảm nhanh xuống đến giá trị không.Lực đó gọi là lực hạt nhân. b. Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích: tương tác giữa các cặp proton – proton, proton – notron, notron – notron đều giống nhau nếu các nuclon ở trong cùng những trạng thái như nhau. c. Lực hạt nhân có tính chất bão hòa: nghĩa là mỗi nuclon chỉ tương tác với một số nuclon ở lân cận quanh đó chứ không tương tác với mọi nuclon của hạt nhân. d. Lực hạt nhân là lực trao đổi: theo Iucaoa, tương tác giữa hai nuclon được thực hiện bằng cách trao đổi một loại hạt gọi là mêdon Hạt mêdon có khối lượng vào cỡ lần khốilượng của electron. Có 3 loại mêdon: nuclônnuclônππ Ví dụ: Trong tương tác n – p có thể thực hiện theo một trong các quá trình sau:) + p  p + ( + p )  p + nn + p  ( p +n + p  n + (+ n)  (n + ) + n  p + n Hay và tương tác giữa hai hạt đồng nhất p – p, n – n có thể xảy ra theo:p + p  ( p + ) + p  p + (+ p )  p + p ) + n  n + (+ n )  n + nn + n  ( n + Trong các quá trình đó ta đều thấy 1 nuclon biến đổi và tạo thành mêdon Medon này sẽ bị nuclon thứ hai nuốt.e. Lực hạt nhân phụ thuộc spin của các nuclon:Thí nghiệm về tán xạ notron nhiệt ( trên octhohidro( phân tử hidro trong đó hai proton có momen spin song song) và trên parahdro( phân tử hidro trong đó hai proton có momen spin đối song) cho biết xác suất xảy ra tán xạ notron trên các hạt nhân parahidro khoảng 30 lần. ) eV Kết quả đó chứng tỏ lực hạt nhân phụ thuộc nhiều vào sự định hướng tương hỗ của momen spin các hạt tương tác. Những đặc tính trên cho phép ta đi tới kết luận: 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 trong các chương trước. 6. Khối lượng và năng lượng liên kết hạt nhânĐể đo khối lượng các hạt trong vật lý hạt nhân, người ta dùng đơn vị khối lượng nguyên tử (kí hiệu u). Theo định nghĩa một đơn vị khối lượng nguyên tử bằng khối lượng.nguyên tử đồng vị1u=1,660.10kgTính theo hệ thức Anhstanh giữa khối lượng và năng lượng W= mc thì một hạt nhân có khối lượng m= 1usẽ có năng lượng tương ứngm= 1u W= 931,4 MeV, .hoặc có thể viếtm= 1u= 931,4 Bảng (8-2) cho biết khối lượng và năng lượng tương ứng của vài hạt nhânHạtKhối lượngukgMeVProtonNotronDotonHạt alpha1,007281,008672,013554,00047938,23939,531875,53726,21,6724.101,6748. 103,3325. 106,6444. 10 Các phép đo chính xác chứng tỏ rằng khối lượng M của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclon tạo thành hạt nhân đó một lượng= Zm+( A - Z ) m- M Gọi là độ hút khối của hạt nhân, trong đó M là khối lượng hạt nhân , còn mvà mLà khối lượng của proton và notron. Sự hút khối đó là do tương tác giữa các nuclon gây ra. Vì vậy độ hụt khối tương ứng với năng lượng liên kết giữa các nuclong trong hạt nhân.Theo định nghĩa năng lượng liên kết là năng lượng có trị số bằng công cần thiết để tách hạt nhân thành các hạt nuclon riêng biệt. Theo hệ thức Anhstanh thì năng lượng liên kết có trị số bằng:W= c.M = c[Zm+ (A- Z)m- M]. liên kết Nếu khối lượng tính ra kg thì năng lượng liên kết tính ra jun. Thường người ta tính khối lượng ra đơn vị khối lượng nguyên tử (đvklnt) và năng lượng tính ra MeV. Vì trong các bảng thường ghi khối lượng của nguyên tử trung hòa M nên cũng có thể biểu thị nănglượng liên kết qua khối lượng của nguyên tử trung hòa: W= c[Zm+ (A- Z)m- M ]. liên kếtTrong đó mlà khối lượng của nguyên tử trung hòa hidro.Sau đây ta có thể nêu giá trị gần đúng về năng lượng liên kết của một vài hạt nhân:( 272 MeV; W(C) = 92 MeV;Wliên kếtliên kếtS( 128 MeV; W() = 28 MeV;Wliên kếtliên kếtOĐể so sánh độ bền vững của hạt nhân, người ta thường dung khái niệm năng lượng liên kết ứng với một nuclon, hay còn gọi là năng lượng liên kết riêng (kí hiệu là ).Năng lượng liên kết ứng với một nuclon càng lớn thì hạt nhân càng bền vững.Hình 8-5 cho ta đồ thị của Hình 8-5, cho thấy: theo A. 8 – 7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 –MeVI I I I I I I 0 40 120 140 240AH2H3Li6B10He4Be8C12O16Kr82Cd160Pt196U238 Đối với các hạt nhân nhẹ nhất, năng lượng liên kêt riêng tăng nhanh từ 1,1 MeV ( ) đến 2,8 MeV ( ) và đạt giá trị 7 MeV ( ) b) Đối với các hạt nhân nặng có A từ 140 đến 240 thì năng lượng liên kết riêng giảm dần nhưng rất chậm từ 8 MeV đến khoảng 7 MeV. Đối với hạt nhân trung bình với A từ 40140 thì năng8 8,6 MeV. Điều đó giải thích tại sao các hạt nhân trung bình lại bền vững nhất. lượng liên kết riêng có giá trị lớn nhất nằm trong khoảng Vì hầu hết mọi hạt nhân đều có năng lượng liên kết riêng trong khoảng 7 – 8.6 MeV nên có thể coi trong khoảng đó là không đổi gọi là giá trị bão hòa. Giá trị bão hòa của năng lượng liên kết riêng được giải thích là do tác dụng ngắn và tác dụng bão hòa của lực hạt nhân (mỗi nuclon chỉ tương tác với một số giới hạn của nucleon lân cận). Cần sự giảm chậm của năng lượng liên kết riêng trong các hạt nhân nặng là do năng lượng tương tác đẩy Culong tăng lên khi tăng số proton. GOOD BYECÁM ƠN THẦY,CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý THEO DÕI