Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 8: Vật hạt nhân - Đỗ Ngọc Uấn

Bμi giảng Vật lý đại c−ơng
Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn
Viện Vật lý kỹ thuật
Tr−ờng ĐH Bách khoa Hμ nội
Ch−ơng 8
Vật lý hạt nhân

 Tự đọc về Cấu tạo vμ Các tính chất cơ bản
của hạt nhân nguyên tử: Khối l−ợng, các nuclon
 Kích th−ớc hạt nhân: R=r0.A1/3m.
r0=(1,2-1,5) 10
-15m gọi lμ bán kính điện
 Spin hạt nhân: h
r
.)1j(j|J| i +=
 Lực hạt nhân, năng l−ợng liên kết
 Phóng xạ: Hiện t−ợng, định luật, đo l−ờng, an 
toμn phóng xạ, phóng xạ nhân tạo.
 T−ơng tác hạt nhân.
• Các tính chất cơ bản của hạt 
nhân nguyên tử
Proton (p) mp=1,007825u, ep=1,6.10-19C 
Nơtron (n) mn=1,008665u, Không có điện tích
Số khối A=N+Z Z -Số p, N- Số n -> Số
nuclon
Ký hiệu zX
A
2He
4
Hạt nhân đồng vị: Cùng Z khác N
Đồng vị của hydro
p
1H
1
p
n
1H
2
p
n
n
1H
3
u=1,66.10-17kg
Đồng khối: Cùng A khác Z 60 cặp
16S
36
18Ar
36
51Sb
123
52Te
123
Hạt nhân g−ơng: Số p của hạt nμy bằng số
n của hạt kia p
n
n
1H
3
p
n
2He
3
p
• Kích th−ớc hạt nhân
Khảo sát bằng tán xạ nơtron 20-50eV: R~10-14m
đối với Pb, U; R~6.10-15m đối với Fe
Bằng phản ứng hạt nhân với hạt tích điện:(lực
đẩy culông) R=1,4.10-15.A1/3m.
So sánh liên kết các hạt nhân g−ơng: năng l−ợng
do proton cao hơn nơtron vμ lực đẩy culông
0
2
4
1
R
Ze
5
6
πε R=1,3.10
-15.A1/3m.
Kết quả tổng hợp: R=r0.A1/3m.
r0=(1,2-1,5) 10
-15m gọi lμ bán kính điện
Khối l−ợng riêng của
hạt nhân: 
317
3
p m/kg10
3/R4
A.m =π=ρ
Spin hạt nhân: Các nuclon có momen spin vμ orbital
iii SLJ
rrr +=Của nuclon thứ i Của cả hạt nhân: ∑=
i
iJJ
rr
h
r
.)1j(j|J| i +=
A chẵn j=0,1, 2, 3 ...
A lẻ j=1/2, 3/2, 5/2...số LT 
spin HN
• Mômen từ hạt nhân do mômen
từ của các nuclon tạo thμnh
∑∑∑ μ+μ+μ=μ N
i
n
S
z
i
P
S
z
i
P
L iii
rrrr nơtron không có
điện tích nên không
có mômen từ orbital
T/J10.05,5
m2
e 27
P
−==μ h
Magneton hạt nhân-đơn vị
mômen từ hạt nhân
Mômen từ hạt nhân = 1000-1 mômen từ điện tử.
Cộng h−ởng từ hạt nhân ứng dụng trong khám
bệnh.
•T/C bão hoμ: chỉ với nuclon cạnh
•Lực trao đổi mezon π có khối l−ợng 200-300 
me, Có 3 loại: π+ π0 π-
•Phụ thuộc vμo định h−ớng của spin hạt nhân
•Tác dụng gần 10-15m.
•Không phụ thuộc vμo điện tích
Lực hạt nhân:
nuclonnuclon
π
π
• Khối l−ợng, năng l−ợng liên kết
hạt nhân
Đơn vị khối l−ợng u=mC12 /12 = 1,66.10
-27kg
uc2=931,44MeV
Độ hụt khối: ΔM=Zmp+(A-Z)mn-M
Năng l−ợng liên kết WLK= ΔM.C2
8
Năng l−ợng liên kết riêng ε= WLK/A
A
εMeV
40 120 140
1
He •1H2 -> 1H3 -> 2He4:
1,1 ->2,8->7MeV
•120->240: 8MeV->7MeV
•40 -> 140: 8MeV-8,6MeV
•Phóng xạ: α β+ β- γ
Không bền vững -> Bền vững
0M)MM(M 22
2A
2Z
A
Z >Δ=+− −−
W= ΔM.C2 thμnh động năngcủa các sản phẩm
phân rã Định luật phân rã
Thời điểm t số hạt nhân N
Thời điểm t+dt số hạt nhân N-dN
-dN=λNdt
-dN/N= λdt
N=N0e
- λt =>N0/2= N0e- λT1/2
T1/2=ln2/ λ
t
N
N0/2
T1/2
H=λN độ phóng xạ = 
số phân rã trong 1s
ZX
A -> Z-2Y
A-4 + 2He
4
ZX
A -> Z+1Y
A + e-
Pb209
Bi209
Ra225 (15 ngμy)
Np237(2,3.106năm)
Am241
α
β
Pb206α βU238
(4,5.109năm)
(1,6.103năm)
Ra226
U(92)
Ra(88)
Pb(82)
Pb208
β α Th232(1,4.1010năm)
Ra224
Pb207
β
α
U235(7,1.108năm)
Ra223 (11 ngμy)
Sơ đồ phân rã của
4 họ phóng xạ tự
nhiên
• Quy tắc dịch chuyển, họ phóng
xạ tự nhiên
A=4n+1
A=4nA=4n+2
Ac A=4n+3
•Cân bằng phóng xạ: Sau t thời gian T1>> 
t>>T2 tốc độ phân rã của hạt nhân con bằng
tốc độ phân rã của hạt nhân mẹ
Độ phóng xạ của nguồn gồm chuỗi 3 hạt nhân
X1-> X2-> X3=> H=λ1N1+ λ2N2 + λ3N3
Cân bằng phóng xạ bền cho 1 chuỗi nối tiếp nhau
λ1N1= λ2N2 = λ3N3=...= λnNn
• Phóng xạ nhân tạo:
Bắn phá bằng n: 11Na
23 --> 11Na
24 = 12Mg
24 + β-
Bắn phá bằng α : 5B10 --> 7N13 = 6C13+ e+
Bắn phá bằng n : 27Co
59 -> 27Co
60 Kích thích
27Co
60 Kích thích -> 27Co
60 cơ bản+ γ
•Phân rã β vμ hạt nơtrino
p --> n + e+ + νe
spin 1/2 1/2 ± 1/2 ± 1/2
n --> p + e+ + ν-e
spin 1/2 1/2 ± 1/2 ± 1/2
• Đơn vị đo phóng xạ
•C/kg: Tạo 1C điện tích trong 1kg không khí
•Rơnghen (R): 1R=2,57976.10-4C/kg
•C/kgs: Bức xạ có liều l−ợng 1C/kg trong 1s
•R/s
•Gray Gy=J/kg: 1J hấp thụ bởi 1kg vật bị rọi
•Rad: rd = 10-2J/kg
•Mức cho phép < 0.017R/ngμy lμm việc trực
tiếp, < 0.0017R/ngμy lμm việc trong khu vực
phóng xạ vμ < 0.00017R/ngμy cho c− dân
• Mức phóng xạ cho phép
H(Sv-Sievert) =D(Gy- Gray)*Q Gy=1J/kg
Q - Hệ số phẩm chất
Tia X, hạt β 1
Nơtron <10KeV 3
Nơtron >10KeV 10
Proton 10
Hạt α 20

 Hệ số phẩm chất cμng cao
cμng nguy hiểm !
•Mức phóng xạ cho phép mSv/năm
Lμm việc trực tiếp:
Toμn thân, Bộ phận SD,mắt 50
Da toμn thân 300
Tay, chân 750
Dân c−:
Toμn thân 5
Bộ phận sinh dục 1,7 

 Tuyệt đối không để tia phóng xạ (tia X, α, β+, 
β-, γ...) chiếu trực tiếp lên cơ thể.
 Tuân thủ đúng, đầy đủ các h−ớng dẫn khi vận
hμnh máy có phóng xạ.