Bài giảng Vật lý 2 - Chương 8a: Vật lý hạt nhân - Lê Quang Nguyên

• Phóng xạ β+ hay β–: do sự biến đổi 
qua lại giữa proton và neutron. 
• Phóng xạ γ: do hạt nhân chuyển từ 
trạng thái năng lượng cao về trạng 
thái có năng lượng thấp hơn. 
1
1
1
0
0
1
ep n e ν→ + +
1
1
0
0
1
1
en p e ν−→ + +
neutrino: rất nhẹ, 
trung hòa, spin ½ 
phản neutrino 
Pauli đã tiên 
đoán sự tồn tại 
của neutrino từ 
năm 1931 nhờ 
định luật bảo 
toàn năng 
lượng. Đến 
năm 1957 thì 
các nhà khoa 
học quan sát 
được hạt này. 
Câu hỏi áp dụng 3.1 
Một hạt nhân Ra226 đang đứng yên thì phân rã α. 
Phát biểu nào sau đây là đúng? 
(a) Hạt α có động năng lớn hơn hạt nhân con. 
(b) Hạt nhân con có động năng lớn hơn hạt α. 
(c) Hạt nhân con có động năng bằng hạt α. 
Trả lời câu hỏi 3.1 
• Theo định luật bảo toàn động lượng, hạt nhân 
con và hạt α có động lượng bằng nhau và 
ngược chiều. 
• Động năng = ½ (động lượng)2/(khối lượng) 
• Hạt α nhẹ hơn nên có động năng lớn hơn. 
• Câu trả lời đúng là (a). 
Câu hỏi áp dụng 3.2 
Coi khối lượng của một hạt nhân có số khối A là A 
(u). 
Hạt nhân Ra226 đứng yên phóng xạ ra hạt α với 
động năng 4,78 (MeV). Năng lượng toàn phần tỏa 
ra từ phản ứng là: 
(a) 0,487 (MeV) (b) 4,87 (MeV) 
(c) 48,7 (MeV) (d) 478 (MeV) 
Trả lời câu hỏi 3.2 
• Năng lượng toàn phần tỏa ra gồm động năng 
của hạt α và của hạt nhân con: 
2 2 2
1
2 2 2X X
mp p p
Q
m m m m
α
α α
 
= + = + 
 
1
X
m
Q K
m
α
α
 
= + 
 
( )41 4,87
4
Q K MeV
Aα
 
= + = 
− 
4,78 MeV 226 Câu trả lời đúng là (b). 
3c. Định luật phóng xạ – 1 
• Gọi N(t) là tổng số hạt nhân ở thời điểm t. 
• Độ biến thiên số hạt nhân trong khoảng thời 
gian (t, t + dt) là dN, 
• Số hạt nhân phân rã trong khoảng thời gian (t, t 
+ dt) bằng – dN. 
• Số hạt nhân phân rã trong thời gian (t, t + dt) 
thì tỷ lệ với tổng số hạt nhân lúc t và với dt: 
• λ là hằng số phân rã của chất phóng xạ. 
( )dN N t dtλ= −
dN < 0 vì N giảm dần. 
3c. Định luật phóng xạ – 2 
• Tích phân hệ thức trên 
từ lúc đầu, khi tổng số 
hạt nhân là N0, cho đến 
lúc t, ta có: 
• với τ = 1/λ là thời gian 
sống trung bình của hạt 
nhân phóng xạ. 
( ) 0 tN t N e λ−=
( ) 0 tN t N e τ−=
3c. Định luật phóng xạ – 3 
• Chu kỳ bán rã T1/2 là thời gian để số hạt nhân 
phóng xạ giảm đi một nửa. 
• Độ phóng xạ H là số hạt nhân phân rã trong 
một đơn vị thời gian: 
• Đơn vị của H là Bq (Becquerel), hay Ci (Curie). 
1 Bq = 1 phân rã /s, 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq. 
1 2
ln2 0,693
T λ λ= =
( )dNH N t
dt
λ= − =
Minh họa 
Câu hỏi áp dụng 3.3 
Sau hai chu kỳ bán rã của một chất phóng xạ có 
mấy phần của chất đó đã phân rã ? 
(a) ½ (b) ¼ 
(c) ¾ (d) Không đủ dữ liệu để trả lời. 
Trả lời câu hỏi 3.3 
• Sau một chu kỳ bán rã thì ½ lượng chất đồng vị 
đã phân rã. 
• Sau một chu kỳ bán rã nữa thì ½ của một nửa 
còn lại tiếp tục phân rã. 
• Vậy phần vật chất đã phân rã là: 
• Câu trả lời đúng là (c). 
• Minh họa 
1 1 1 3
2 2 2 4
 
+ = 
 
Câu hỏi áp dụng 3.4 
Cho chu kỳ bán rã của 6C14 là 5600 năm. Xét một 
tượng cổ bằng gỗ, người ta thấy độ phóng xạ β– 
của nó chỉ bằng 0,77 lần độ phóng xạ của một 
khúc gỗ có cùng khối lượng vừa mới chặt. Tuổi 
của tượng gỗ là: 
(a) 2101 năm (b) 3101 năm 
(c) 4101 năm (d) 5101 năm 
14 14 0
6 7 1C N e eν−→ + +
Trả lời câu hỏi 3.4 – 1 
• Độ phóng xạ của mẫu ở thời điểm t , lúc chúng 
ta đo độ phóng xạ, là: 
• với H0 là độ phóng xạ của mẫu lúc t = 0, là gốc 
tính thời gian. 
• Suy ra: 
( ) ( ) 0 tH t N t N e λλ λ −= =
( ) 0 tH t H e λ−=
( )
0
1
ln
H t
t
Hλ= −
Trả lời câu hỏi 3.4 – 2 
• hay nếu viết qua chu kỳ bán rã: 
• Thay bằng số ta có: 
• Câu trả lời gần đúng nhất là (a): 2101 năm. 
• Trong đó ta đã giả định là lúc t = 0 tượng gỗ có 
độ phóng xạ bằng độ phóng xạ của một khúc gỗ 
vừa mới chặt. 
( )1/2
0
ln
ln2
T H t
t
H
= −
1/2 ln2T λ=
ln0,77
5600 2112
ln2
t n n= − =
Điều này có hợp lý không? 
Trả lời câu hỏi 3.4 – 3 
• Các nghiên cứu cho thấy lượng đồng vị 6C14 
trong động vật, thực vật sống là gần như không 
đổi. 
• Chỉ khi chúng chết đi, lượng này mới giảm đi 
theo quy luật phóng xạ. 
• Do đó độ phóng xạ của một khúc cây mới cắt từ 
thời cổ đại và ngày nay là gần bằng nhau! 
3d. Các họ phóng xạ 
• Một họ phóng xạ là một chuỗi các hạt nhân 
phóng xạ liên tiếp nhau cho đến khi đạt tới một 
đồng vị bền. 
232
90Th
Actinium 
Uranium 
Thorium 
Kết thúc Bắt đầu 
Họ phóng 
xạ 
238
92U
235
89Ac
208
82Pb
207
82Pb
206
82Pb
3d. Các họ phóng xạ – Họ Thorium 
Minh họa 
216 
Câu hỏi áp dụng 3.5 
Sau vài lần phân rã, một hạt nhân phóng xạ phát 
ra một hạt α và hai hạt β– để tạo nên hạt nhân 
84Po212. 
Hạt nhân ban đầu là hạt nhân nào sau đây? 
(a) 86Rn220 (b) 84Po216 
(c) 82Pb212 (d) 84Po218 
Trả lời câu hỏi 3.5 
• Quá trình phân rã: 
• Vậy A = 216, Z = 84. 
• Hạt nhân ban đầu là 84Po216. 
• Câu trả lời đúng là (b). 
2A A-4 A-4 212
Z Z-2 Z 84X Y Z Po
α β −
→ → =
3e. Phóng xạ nhân tạo 
• Năm 1933, F. Joliot và 
Irène Curie khám phá 
các đồng vị phóng xạ 
không có trong tự 
nhiên, 
• và theo dõi sự phân rã 
của chúng cho đến khi 
đạt tới các đồng vị bền. 
• Họ nhận giải Nobel Hóa 
Học năm 1935. 
Frederic & Irene 
4. Phản ứng hạt nhân 
a. Hiện tượng 
b. Các loại phản ứng 
4a. Hiện tượng 
• Các quá trình biến đổi của hạt nhân được gọi là 
phản ứng hạt nhân. 
• Thường xảy ra do bắn phá một hạt nhân đứng 
yên bằng các hạt năng lượng cao. 
• Ví dụ: 
4 7 1 10
2 3 0 5He Li n B+ → +
Hạt nhân bia 
( )7 103 5Li ,n Bα
Hạt α năng 
lượng cao 
4a. Hiện tượng (tt) 
• Trong một phản ứng hạt nhân các đại lượng 
sau đây phải bảo toàn: 
– Số khối, 
– Điện tích, 
– Năng lượng, 
– Động lượng, 
– Momen động lượng. 
Câu hỏi áp dụng 4.1 
 Quá trình nào sau đây có thể là phản ứng hạt 
nhân? 
Trả lời câu hỏi 4.1 
• (a) và (b) có thể là phản ứng hạt nhân vì số 
khối và điện tích bảo toàn. 
• (c) không thể là phản ứng hạt nhân vì số khối 
bằng 240 trước phản ứng, và 223 sau phản 
ứng. 
4b. Các loại phản ứng 
• Phản ứng tỏa nhiệt: khối lượng sau phản ứng 
giảm. 
• Phản ứng thu nhiệt: khối lượng sau phản ứng 
tăng. 
• Năng lượng trao đổi Q bằng năng lượng ứng 
với sự thay đổi khối lượng: 
• ∑mi: tổng khối lượng nghỉ các hạt. 
2
, ,i truoc j sau
i j
Q m m c
 
= − 
 
∑ ∑ Q > 0: tỏa nhiệt Q < 0: thu nhiệt 
4b. Các loại phản ứng (tt) 
• Trong phản ứng thu nhiệt, cần phải cung cấp 
năng lượng dưới dạng động năng của hạt đến 
bắn phá hạt nhân. 
• Năng lượng tối thiểu cần phải cung cấp (năng 
lượng ngưỡng của hạt bắn phá) là: 
• m là khối lượng của hạt đến bắn phá, 
• M là khối lượng hạt nhân bị bắn phá (hạt nhân 
bia). 
min 1
m
K Q
M
 
= + 
 
Câu hỏi áp dụng 4.2 
Cho phản ứng thu nhiệt: 
(a) Hãy xác định hạt nhân kết quả. 
(b) Tìm năng lượng ngưỡng của phản ứng, biết 
mAl = 26,974u, mα = 4,0015u. 
27 4 1
13 2 0Al He X n+ → +
Trả lời câu hỏi 4.2 
• Số khối được bảo toàn: 
• Điện tích được bảo toàn: 
• Hạt nhân kết quả là: 
• Nhiệt trao đổi: 
• Năng lượng tối thiểu cần cung cấp: 
27 4 1 30A A+ = + ⇒ =
13 2 0 15Z Z+ = + ⇒ =
30
15P
( )2 2,98Al He P nQ c m m m m MeV= + − − = −
min 1 3,4
He
Al
m
K Q MeV
m
 
= + = 
 
29,970u 
Câu hỏi áp dụng 4.3 
Tìm năng lượng tỏa ra từ phản ứng nhiệt hạch: 
biết rằng độ hụt khối khi tạo thành hạt nhân D, T 
và He lần lượt là 
ΔmD = 0,0024u, ΔmT = 0,0087u và ΔmHe = 
0,0305u. 
2 3 4 1
1 1 2 0D T He n+ → +
Trả lời câu hỏi 4.3 – 1 
• Năng lượng tỏa ra được xác định từ: 
( ) 2D T He nQ m m m m c = + − + 
[ ] ( ) ( )2 3 2 3D T Hp n n ep nm mm mm m mm= + + −+ −− −
2 3 2 2p n He n p n He Hem m m m m m m m+ − − = + − = ∆
( ) ( )2 3 2D T p n D p n T p nm m m m m m m m m m+ − − = − − + − −
( )D Tm m= − ∆ +∆
Trả lời câu hỏi 4.3 – 2 
• Vậy Q còn có thể viết qua độ hụt khối của các 
hạt nhân tham gia phản ứng như sau: 
( ) 2He D TQ m m m c = ∆ − ∆ +∆ 
( ) ( )0,0305 0,0024 0,0087 931,5Q MeV = − + × 
( )18,07Q MeV=
Trả lời câu hỏi 4.3 – 3 
• Năng lượng trao đổi trong một phản ứng còn 
có thể tính qua độ hụt khối như sau: 
• hay qua năng lượng liên kết: 
• Nếu các hạt nhân kết quả có độ hụt khối (hay 
năng lượng liên kết) lớn hơn các hạt nhân ban 
đầu thì phản ứng tỏa năng lượng. 
2
, ,i sau j truoc
i j
Q m m c
 
= ∆ − ∆ 
 
∑ ∑
, ,
lk lk
i sau j truoc
i j
Q E E= −∑ ∑
5. Năng lượng hạt nhân 
a. Mở đầu 
b. Phản ứng phân hạch 
c. Phản ứng nhiệt hạch 
d. Năng lượng hạt nhân và nhu cầu năng lượng 
hiện đại 
5a. Mở đầu 
• Để phản ứng tỏa năng lượng: 
• Phân chia các hạt nhân lớn – 
phản ứng phân hạch 
• Kết hợp các hạt nhân nhỏ – 
phản ứng nhiệt hạch 
Vùng cho năng 
lượng phân hạch 
Vùng cho 
năng lượng 
nhiệt hạch 
5b. Phản ứng phân hạch – 1 
• Là phản ứng tách hạt nhân nặng thành hai hạt 
nhân có có năng lượng liên kết riêng lớn hơn. 
• Ví dụ: 
– neutron đến là neutron chậm (neutron 
nhiệt). 
– 236U* là trạng thái trung gian, không bền. 
– X, Y là các hạt nhân kết quả. 
– có thể có nhiều tổ hợp X, Y thỏa định luật bảo 
toàn năng lượng, số khối và điện tích. 
1 235 236 *
0 92 92n U U X Y neutrons+ → → + +
5b. Phản ứng phân hạch – 2 
Minh họa 
235U 
236U* 
1n 
X 
Y 
5b. Phản ứng phân hạch – 3 
• Qua minh họa vừa rồi ta thấy có mấy trường 
hợp: 
• Phản ứng dây chuyền: số neutron tạo ra lớn 
hơn số neutron hấp thụ. 
• Phản ứng kiểm soát được: số neutron tạo ra 
bằng số neutron hấp thụ. 
• Phản ứng tắt: số neutron tạo ra nhỏ hơn số 
neutron hấp thụ. 
• Ngoài ra, để có phản ứng thì phải có đủ 235U. 
(Bom nguyên tử) 
(Lò phản ứng) 
(Khối lượng > khối lượng tới hạn) 
5c. Phản ứng nhiệt hạch 
• Là phản ứng kết hợp các hạt nhân nhẹ thành 
một hạt nhân có năng lượng liên kết riêng lớn 
hơn. 
• Ví dụ: 
• Để thực hiện phản ứng cần có nhiệt độ rất cao 
để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt 
nhân nhẹ. 
• Phản ứng chưa điều khiển được. 
• Là nguồn năng lượng của các vì sao. 
2 3 4 1
1 1 2 0D D He n+ → +
Bom nhiệt hạch