CHƯƠNG 5 : VẬT LÝ HẠT NHÂN

I. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
1. Những tính chất cơ bản của hạt nhân
2. Tương tác giữa các nơtrôn và prôtôn
3. Lực tuơng tác hạt nhân
II. SPIN HẠT NHÂN
III. MÔMEN TỪ HẠT NHÂN
IV. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
V. HIỆN TUỢNG PHÓNG XẠ
1. Sự phóng xạ tự nhiên
2. Ðịnh luật phóng xạ
VI. SỰ PHÂN RÃ HẠT BÊTA VÀ HẠT NƠTRINO
VII. SỰ VỠ HẠT NHÂN VÀ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
1. Năng lượng vỡ hạt nhân
2. Phản ứng dây chuyền của sự vỡ hạt nhân Uran
3. Sự làm chậm nơtrôn bằng va chạm
4. Nguyên tắc lò phản ứng
VIII. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH
1. Ðiều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch
2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ
3. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển
4. Phương pháp sử dụng thực tế năng lượng phản ứng nhiệt hạch

BÀI TẬP
TRẮC NGHIỆM
I. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
1. Những tính chất cơ bản của hạt nhân
TOP
Hạt nhân đồng vị
Ðó là những hạt nhân bằng nhau về số Z nhưng khác nhau về số N (tức là khác nhau vế

Giống như electron hạt nhân gồm những nuclôn mà mỗi hạt đều có Spin S (trị
riêng là s =1/2) bởi vì electron chuyển động tự quay quanh nuclôn.
Nuclôn cũng có mômem xung lượng quỹ đạo vì nó chuyển động xung quanh
nhân:
Gía trị j gọi là lượng tử Spin của hạt nhân hay gọi tắt là Spin hạt nhân.
Nếu số khối A của nguyên tử là số chẳn thì hàm sóng mô tả trạng thái của nguyên
tử là hàm đối xứng lúc đó Spin sẽ là các số nguyên 1, 2, 3
Nếu số khối A của nguyên tử là số lẻ thì hàm sóng mô tả trạng thái của nguyên tử
là phản đối xứng lúc đó Spin sẽ là bán nguyên 1/2, 3/2, 5/2
III. MÔMEN TỪ HẠT NHÂN
TOP
Tương tự như electron, hạt nhân cũng có momen từ riêng ứng với mômen spin
của nó. 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.
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 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. 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. Khỏang 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:
Số hạng thứ nhất ở vế phải của biểu thức 5.4 là tổng mômen từ quỹ đạo của các
prôtôn thứ i. Số hạng thứ hai ở vế phải của biểu thức 5.4 là tổng mômen từ Spin của các
prôtôn thứ i. Số hạng thứ ba ở vế phải 5.4 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:

nguyên tố hóa học này thành nguyên tố hóa học khác. Mục đích thật sự của họ là sản xuất
ra các kim loại qúi như vàng, bạc, bạch kim. Họ không thành công vì cơ sở khoa học vào
thời đó còn qúa yếu kém. Tuy nhiên, thực tế thì hạt nhân của nguyên tử không phải là bất
biến mà có thể biến đổi thành các hạt nhân khác, thậm chí ở những điều kiện bình
thường.
Năm 1892 nhà vật lý học người Pháp Becquerel (đạt giải thưởng Nobel năm
1903) quan sát thấy muối Uran (Z=92) và những hợp chất của nó phát ra các tia phóng
xạ. Phân tích các tia phóng xạ người ta thấy có 3 loại tia phóng xạ là:
Tính chất tia phóng xạ
Các tia phóng xạ đều có một số tính chất giống nhau như có thể kích thích để tạo
ra một số phản ứng hóa học, có thể ion hóa một số chất khí và có khả năng xuyên thấu
một số chất. Các tia phóng xạ đều có năng lượng ( gồm động năng các hạt và năng lượng
sóng điện từ).
Khả năng xuyên thấu một số chất tuân theo bảng phân loại
sau:

Tính chất của quá trình phóng xạ tự nhiên
Quá trình phóng xạ tự nhiên tuân theo điều kiện chuyển hạt nhân từ trạng thái
không bền vững (tức là có mức năng lượng lớn) sang trạng thái bền vững hơn ( trạng thái
có mức năng lượng thấp hơn).
Kết luận : hiện tượng phóng xạ tự nhiên là một qúa trình biến đổi hạt nhân mà
tổng khối lượng sau phản ứng bị giảm và sinh ra năng lượng, năng lượng đó trở thành
động năng của hạt chuyển động.
2. Ðịnh luật phóng xạ tự nhiên
TOP
Ví dụ
Chất phóng xạ Iot (Z=53, A= 131) dùng trong y tế có chu kỳ bán rã là 8 ngày
đêm. Nếu lúc đầu ta có 200 g chất này, thì sau hai tuần lễ ta còn lại là bao nhiêu gam?
Sự phóng xạ nhân tạo
VI. SỰ PHÂN RÃ VÀ HẠT NƠTRINÔ

xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động trong đó xảy ra
phản ứng dây chuyền.
Như vậy, nơtrôn nhanh sinh ra do phản ứng phân hạch, sẽ bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt
trong chất làm chậm. Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các
thanh Cadmi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtrôn nhiệt: muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn
những thanh Cadmi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân
nơtrôn luôn luôn bằng đơn vị (k = 1) (hình 5.4).
Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đường ống vào trong lò để bảo đảm
giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm. Nếu lò dùng để cung cấp năng lượng thì
chất làm lạnh đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtrôn.
Một dòng nước thường sẽ nhận nhiệt nóng trong buồng trao đổi nhiệt và biến
thanh hơi. Hơi nước sẽ kéo motor của máy phát điện rồi về buồng ngưng hơi và trở về
buồng trao đổi nhiệt. Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lò đến buồng trao đổi nhiệt về
lò, nhờ hệ thống bơm đặc biệt. Ngoài ra lò phản ứng còn có hệ thống điều khiển và bảo
vệ. Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc thay đổi công suất lò phản ứng. Hệ
bảo vệ bảo đảm sự an toàn phóng xạ.
Hiện nay, người ta làm nhiều loại lò phản ứng khác nhau với nhiên liệu, chất thải
nhiệt, chất làm chậm khác nhau tùy theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung
cấp năng lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân.
VIII. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH
TOP
Người ta nhận thấy có hiện tượng tỏa năng lượng khi kết hợp với các hạt nhân nhẹ
tạo hạt nhân nặng. Thực vậy, nếu kết hợp các đồng vị của Hydrogen để tạo thành hạt
nhân Helium thì các phản ứng đó sẽ tỏa năng lượng. Thí dụ:
1. Ðiều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch
TOP
2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ.
TOP
Phản ứng nhiệt hạch là một trong những nguồn năng lượng của các vì sao, Mặt
Trời. Phản ứng nhiệt hạch thường xảy ra trong lòng các thiên thể theo chu trình sau: