VẬT LÝ LƯỢNG TỬ VÀ
THUYẾT TƯƠNG ĐỐI
1
CHƯƠNG 26
VẬT LÝ HẠT NHÂN
1. Cấu tạo và các tính chất cơ bản
2. Hiện tượng phóng xạ
3. Tương tác hạt nhân
2
 Lõi vật chất tập trung trong một vùng nhỏ (kích
thước ~ 10
-15
m) tại tâm nguyên tử (kích thước ~
10
-10
m), mang điện tích (+) và khối lượng của hầu
như toàn bộ nguyên tử, chứa 2 loại hạt (nucleon):
 Nơ-tron không mang điện, khối lượng m
n
= 1,675.10
-27
kg.
 Proton mang điện tích (+), e = 1,6.10
-19
C,
khối lượng m
p
= 1,672.10
-27
kg.
1. Cấu tạo và các tính chất cơ bản

18
Ar
36
;
51
Sb
123
,
52
Te
123
 Hạt nhân đồng Nơ-tron: có cùng số N:
3
Li
6
,
4
Be
7
;
 Hạt nhân gương: Z = N hạt nhân khác:
1
H
3
,
2
H
3
.
1. Cấu tạo và các tính chất cơ bản

20
Ca 40,08
6 C 12,0111 26 Fe 55,847
7 N 14,0067 28 Ni 58,71
8
O 15,9994 29 Cu 63,54
4
1. Cấu tạo và các tính chất cơ bản
Năng lượng liên kết
 Tương tác trong hạt nhân: lực hút có đặc điểm:
 Không phải lực hút tĩnh điện (do chỉ có p
+
);
 Không phải lực hấp dẫn;
 Có tính bão hòa, tức là không có tương tác đồng thời với tất cả nucleon;
 Có tác dụng trong phạm vi ngắn;
 Phụ thuộc spin của hạt nhân;
 Không phải lực xuyên tâm;
 Có bản chất trao đổi;
 Độ hụt khối M (do tương tác giữa các nucleon): khối lượng hạt nhân M
luôn nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon trong hạt nhân :
M = [Zm
p
+ (A – Z)m
n
] - M
Nguyên nhân: proton và nơ-tron không phải hạt cơ bản mà được cấu tạo
từ các hạt nhỏ bé hơn gọi là hạt quark.
5
1. Cấu tạo và các tính chất cơ bản

lực đẩy Coulomb sẽ
cạnh tranh với lực hạt
nhân).
A
E
lk
hạt nhân nhẹ
hạt nhân TB
hạt nhân nặng
6
 Số lượng tử j có giá trị bán nguyên (1/2, 3/2, 5/2, …) nếu tổng số nucleon A
lẻ, giá trị nguyên (1, 2, 3, ) với A chẵn và j = 0 nếu hạt nhân có cả số proton Z
và nơ-tron N là chẵn (ví dụ: C
12
, O
16
, S
32
,…) .
Spin hạt nhân và mô men từ
 Mỗi nucleon cũng tự quay quanh trục riêng tạo ra mô men spin  vừa có mô
men động lượng quỹ đạo và spin giống như electron.
1. Cấu tạo và các tính chất cơ bản
slj




 mô men động lượng toàn phần của 1 nucleon:
 mô men động lượng toàn phần của hạt nhân:


 CĐ tự quay quanh trục riêng của các nucleon  tạo ra dòng điện
 có mô men từ riêng với đơn vị mô men từ magnetron hạt nhân.
7
2. Hiện tượng phóng xạ
 Phóng xạ: là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi
và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ)
Tốc độ và thời gian phân rã phóng xạ
 Hạt nhân phân rã: chất phóng xạ mẹ.
 Hạt nhân hình thành: chất phóng xạ con.
t
eNtN



0
)(
 từ (*) có:
 Thời điểm t: số hạt nhân chưa bị phân rã N(t)
 Xét quá trình phân rã của một chất phóng xạ:
 Thời điểm t + dt: số hạt nhân của chất phóng
giảm đi -dN(t) =

.N(t)dt (*)
với

phụ thuộc chất phóng xạ: hằng số phân rã
 Tốc độ phân rã:
)(tN
dt

 Thời gian sống trung bình:
693,0
1
2/1
T
T
TB



 Cân bằng phóng xạ:
 Số hạt nhân dN’ của chất phóng xạ con tương ứng số các hạt nhân bị phân rã
từ chất phóng xạ mẹ, dN’ =

.N.dt
 Trong cùng thời gian chât phóng xạ con cũng bị phân rã, -dN” =

’.N’.dt
 Cân bằng phóng xạ xảy ra, dN’= -dN’’ hay

.N=

’.N’
9
2. Hiện tượng phóng xạ
Phân rã anpha (

)
 Quá trình xảy ra với các hạt nhân nặng,
có khối lượng nguyên tử A > 200 và số

-
+ phản hạt (antineutrino): phân rã

-
 biến đổi thành hạt nhân (bền)
của nguyên tố phía trước trong bảng tuần hoàn,
Z
A
N 
Z+1
A
N’ + e
-
+

v
e
 Positron (e
+
) + antineutrino: phân rã

+
 biến đổi thành hạt nhân (bền) của
nguyên tố phía sau trong bảng tuần hoàn,
Z
A
N 
Z-1
A
N’ + e

 Có khả năng i-ôn hóa các khí;
 Có khả năng làm cho các vật rắn
và lỏng phát huỳnh quang;
 Có khả năng xuyên thấu qua các
vật liệu thông thường như giấy, vải,
gỗ và những tấm kim loại mỏng, theo
đó mức độ mạnh xuyên thấu lần lượt
là tia

, rồi

và cuối cùng là

;
13
Phản ứng hạt nhân
3. Tương tác hạt nhân
 Quá trình tác động (bắn phá) các hạt nhân bằng một hạt nào đó một cách
chủ động để tạo ra các hạt nhân mới, tương tự phản ứng hóa học,
a (hạt) + X (hạt nhân)  Y (hạt nhân mới) + b (hạt)
 Đặc điểm:
 Không phải va chạm đàn hồi;
 Khối lượng tổng cộng ban đầu  khối lượng tổng cộng thành phẩm.
 Bản chất của các phản ứng hạt nhân là các quá trình va chạm  tuân theo
các định luật:
 Bảo toàn động lượng: ;



k

AA
 Bảo toàn năng lượng: ;



k
k
i
i
EE
14
Năng lượng phản ứng hạt nhân
3. Tương tác hạt nhân
 Chênh lệch khối lượng trước và sau phản ứng hạt nhân  năng lượng phản
ứng (dưới dạng nhiệt) theo biểu thức năng lượng Einstein.
 M: tổng khối lượng trước phản ứng;
 M’: tổng khối lượng sau phản ứng;
 c: tốc độ ánh sáng.
 
22
' cMMcmmQ
k
k
i
i






(chính là các quá trình phân rã);
3. Tương tác hạt nhân
Phản ứng phân hạch (nuclear fission)
Xác suất phân bố các mảnh
theo số nucleon A
E ~ 200 MeV
 Phân bố khối lượng theo sô nucleon A cho thấy xác suất để sự phân hạch tạo
ra 2 mảnh có khối lượng bằng nhau là khó xảy ra (có giá trị min tại A = 118).
 Phân hạch xảy ra nếu năng lượng kích
hoạt hạt nhân > thế năng liên kết hoặc trị số
thông số phân hạch:
17
2

A
Z
Hàng rào thế
Thế năng điện tĩnh
~ 1/r
17
 Quá trình xảy ra liên tiếp các phản ứng
phân hạch thứ cấp nhờ các nơ-tron sản
phẩm từ phản ứng phân hạch sơ cấp.
 Điều kiện: hệ số nhân nơ-tron hiệu dụng k:
 k < 1: phản ứng dây chuyền ko xảy ra
 k = 1: phản ứng dây chuyền xảy ra với
mật độ nơ-tron không đổi  phản ứng điều
khiển được.
 k > 1: phản ứng dây chuyền xảy ra với số nơ-tron tăng không ngừng 
phản ứng không điều khiển được.

3

 Phân loại:
 phản ứng không điều khiển:
 phản ứng có điều khiển:
Phản ứng nhiệt hạch (nuclear fusion)
19