TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA SAU ĐẠI HỌC .

BÁO CÁO TIỂU LUẬN
PHÂN RÃ HẠT NHÂN Môn H
ọ
c
: C
Ấ
U TRÚC H
Ạ
T NHÂN

Giảng Viên: TS. PHÙ CHÍ HÒA
Thực Hiện: PHẠM VĂN ĐẠO
III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp 17
TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

1

MỞ ĐẦU
Hiện tượng phóng xạ là quá trình hạt nhân tự động phát ra những hạt để
trở thành hạt nhân khác hoặc thay đổi trạng thái của nó. Hạt nhân chịu sự phóng
xạ gọi là hạt nhân phóng xạ, các tia phát ra gọi là các tia phóng xạ. Hiện tượng
phóng xạ được quan sát đầu tiên bởi nhà khoa học Pháp, Henri Becquerel vào
năm 1896.
Một hạt nhân phóng xạ được đặc trưng bởi: Loại phóng xạ, năng lượng,
chu kỳ bán rã, spin. Một hạt nhân không phóng xạ gọi là hạt nhân bền. Các hạt
nhân phóng xạ tồn tại cùng với hạt nhân bền trong vỏ quả đất, hoặc do con
người tạo nên qua việc thực hiện các phản ứng hạt nhân, hoặc do các tia vũ trụ
bắn phá vào các hạt nhân bền trong khí quyển, hoặc do các vụ nổ nguyên tử…
Hiện tượng phóng xạ là một quá trình thống kê. Các hạt nhân như nhau
nhưng chúng sẽ phóng xạ tại những thời điểm khác nhau. Hiện tượng phóng xạ
xảy ra bên trong hạt nhân, không phụ thuộc vào tác nhân lý hóa bên ngoài.
Chuyên đề này được viết trên cơ sở tổng hợp các kiến thức cơ bản về các tia bức
xạ α, β, γ trong các sách và giáo trình vật lý hạt nhân liên quan.

2

CHƯƠNG I: PHÂN RÃ ALPHA
I.1 Khái niệm về phân rã alpha
Là hiện tượng hạt nhân (
Z
X
A

- Năng lượng liên kết E
b
= [m
α
+ M
Y
– M
X
]c
2
< 0
Năng lượng phân rã E
α
= |E
b
| = K
α
+ K
Y
I.2 Đặc trưng của phân rã alpha
I.2.1 Thời gian bán rã của hạt nhân trước phản ứng
Thời gian bán rã của các hạt nhân phân rã alpha thay đổi trong một dải rất
rộng. Chẳng hạn
82
Pb
204
T
1/2
= 1,4.10
7

BAR



lg.lg (1.3)

3

Định luật Geiger – Nuttall áp dụng rất tốt cho các hạt nhân chẵn – chẵn.
I.2.2 Năng lượng trong phân rã alpha
Khi so sánh năng lượng phân rã alpha E
α
giữa các đồng vị trong cùng một
nguyên tố thì thấy năng lượng E
α
giảm khi A tăng. Hiện tượng này đúng khi A <
209 và A > 215. Với A ∊ (209, 215) thì ngược lại. Nhờ tính chất này ta có thể
tiên đoán được năng lượng phân rã alpha đối với các đồng vị chưa biết của cùng
một nguyên tố cho trước.
Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa.
Bộ phận chính của phổ kế từ là nam châm điện tập trung các hạt alpha năng
lượng khác nhau ở các vị trí khác nhau. Một bản rất mỏng vật liệu hoạt tính
alpha là nguồn phát alpha còn detector ghi hạt alpha là các tấm phim ảnh hoặc
ống đếm alpha. Độ phân giải năng lượng của phổ kế từ rất cao, có thể đạt đến 5
keV.

 
4
10.2,6.


kk
Al
A
A
Al
kk
kkR
AlR




(1.5)
I.2.4 Phổ năng lượng
 Có hai loại phổ vạch:
Loại 1: Các phổ gồm có vài vạch, năng lượng chênh lệch nhau cỡ 0,1
MeV, cường độ vạch lớn hơn nhau một chút và cường độ giảm khi năng lượng
E
α
giảm.


92
U
238
: E
2
: E
4
: E
6
= 43: 100: 164, do đó
cường độ giảm khi E
α
giảm.
Chuyển dời chỉ có thể xảy ra giữa các trạng thái momen quỹ đạo giống
nhau của nucleon lẻ trong hạt nhân mẹ và hạt nhân con:
U
233
: 5/2
+
→ 5/2
+
: Th
229

Các trạng thái khác do có sự chênh lệch momen quỹ đạo càng lớn, dịch
chuyển càng khó.
Đối với phổ loại 2, người ta giả thiết hạt nhân mẹ ở trạng thái kích thích
khi phân rã về hạt nhân con ở trạng thái cơ bản. Số hạt nhân phân rã alpha của
nhóm cơ bản là do đa số hạt nhân phân rã gamma quyết định. Ở một mức kích
thích của hạt nhân mẹ có hai quá trình phân rã alpha và gamma cạnh tranh nhau.

Như đã trình bày ở trên, hạt alpha phân rã từ các hạt nhân nặng có năng
lượng từ 4 – 9 MeV, tức nhỏ hơn chiều cao rào thế. Theo cơ học cổ điển thì hạt
alpha không thể vượt qua rào thế để ra ngoài, tức là không thể xảy ra quá trình
phân rã alpha. Tuy nhiên trong thế giới vi mô, theo cơ học lượng tử, hạt alpha có
thể truyền qua rào thế Coulomb theo cơ chế đường ngầm. Hình 1.5: Thế tương tác hạt nhân và thế Coulomb đối với hạt
alpha (hình a) và bờ thế hình chữ nhật dùng để tính toán (hình b)7

- Vai trò của bờ thế ly tâm
Nếu hạt alpha bay ra với momen quỹ đạo 0

l thì nó phải vượt qua bờ thế
ly tâm bổ xung ngoài thế Coulomb:

nhân khác với cùng số khối lượng nhưng điện tích thay đổi một đơn vị kèm theo
việc phát ra một electron, một positron hay chiếm một electron của võ nguyên
tử. Có ba loại phân rã beta là phân rã β
-
, β
+
và chiếm electron quỹ đạo.
II.2 Các loại phân rã beta
Gồm ba loại:
 Phân rã β
-

Là hạt electron (e) với khối lượng m = 9,1.10
-31
kg, điện tích bằng điện
tích electron
19
10.6,1

e
.
Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron. Tức là tỉ số
N
Z
quá
cao hơn đường cong bền của hạt nhân. Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu
z
X
A


thỏa mãn quan hệ khối lượng như sau:
e
mAZMAZM  ),1(),(
(2.3)
Trong đó M(Z,A), M(Z+1,A) và m
e
là khối lượng hạt nhân
z
X
A
,
z+1
Y
A
và
khối lượng electron. Tuy nhiên trong thực tế người ta không đo khối lượng hạt

9

nhân mà đo khối lượng nguyên tử, do đó thay khối lượng các hạt nhân trên
thành khối lượng nguyên tử trước phân rã M
i
và sau phân rã M
f
như sau:
ei
ZmAZMM  ),(
và
ef
mZAZMM )1(),1( 

z




1

(2.6)
Quá trình phân rã là kết quả của phân rã proton thừa trong hạt nhân để
biến thành neutron theo sơ đồ sau:
venp 



(2.7)
Khác với electron, hạt positron không tồn tại lâu trong tự nhiên. Positron
gặp electron trong nguyên tử và hai hạt hủy nhau cho ra hai tia gamma có năng
lượng bằng nhau là 0,511 Mev .
Đối với phân rã β
+
thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là:
e
mAZMAZM  ),1(),(
(2.8)
Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: M
i
> M
f
+ 2m
e

Trong quá trình này một trong các electron ngoài hạt nhân bị hạt nhân
chiếm và kết hợp với proton bên trong để tạo nên neutron theo phản ứng sau:
vnpe
ec


.
(2.11)
Ký hiệu “c.e” trên mũi tên trong các quá trình (2.10) và (2.11) là ký hiệu
quá trình chiếm electron. Do electron lớp K trong nguyên tử có quỹ đạo thấp
nhất nên xác suất để hạt nhân bắt nó là cao nhất so với các electron ở lớp khác.
Vì vậy quá trình chiếm electron thường xảy ra đối với electron ở lớp K và còn
được gọi là quá trình chiếm K. Quá trình chiếm electron giống quá trình phân rã
positron ở chỗ số nguyên tử hạt nhân con thấp hơn 1 đơn vị so với hạt nhân mẹ,
trong khi số khối của hai hạt đó giống nhau.
Đối với quá trình chiếm electron thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là:
),1(),( AZMmAZM
e

(2.12)
Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: M
i
> M
f

ei
ZmAZMM  ),(
và
ef
mZAZMM )1(),1( 

;
N
Z
< 1 đó là các hạt nhân phân rã β
-
.
II.3 Đặc trưng trong phân rã beta
II.3.1 Phổ năng lượng của beta
Khác với phân rã alpha, trong phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và
phản neutrino. Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không phải chỉ
quan tâm đến năng lượng tổng cộng mà cả phân bố năng lượng giữa hai hạt bay
ra. Ở đây bỏ qua năng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con. Do tính chất thống
kê của quá trình phân rã nên sự phân chia năng lượng electron và phản neutrino
trong một phân rã là ngẫu nhiên, và năng lượng electron có thể có giá trị bất kỳ
từ 0 đến năng lượng cực đại khả dĩ E
max
. Tuy nhiên với một số lớn phân rã beta
Hình
2.
1: Bi
ể
u đ
ồ

phân b
ố

h
ạ
t nhân theo s

, π
i
và J
f
, π
f
thì
điều kiện để dịch chuyển cho phép là:
0;1,0JJJ
ifif



Điều kiện để dịch chuyển bị cấm bội 1 là:
0;2,1,0JJJ
ifif



II.3 Các tính chất cơ bản của phân rã beta
- Lực tương tác: Đặc điểm chính của các phân rã beta là chúng không được
gây ra bởi lực hạt nhân và lực điện từ mà bởi lực tương tác yếu với cường
độ nhỏ hơn lực hạt nhân 14 bậc.
Hình 2.2: Phổ năng lượng electron trong phân
rã beta của đồng vị phóng xạ P
32

13

- Bản chất của quá trình phân rã: Khác với quá trình phân rã alpha, quá



14

CHƯƠNG III: PHÂN RÃ GAMMA
III.1 Khái niệm về dịch chuyển gamma và bản chất bức xạ gamma
Cả hai phân rã alpha và beta thường kèm theo dịch chuyển gamma, vì sau
khi phân rã alpha và beta hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con thường
nằm ở trạng thái kích thích. Vậy dịch chuyển gamma là hiện tượng hạt nhân con
chuyển từ trạng thái kích thích có năng lượng cao xuống trạng thái kích thích có
năng lượng thấp hoặc trạng thái cơ bản bằng cách phát ra bức xạ điện từ gọi là
bức xạ gamma.
Bức xạ tia X đặc trưng là do sự dịch chuyển giữa các lớp electron bên
trong nguyên tử, còn bức xạ gamma có nguồn gốc hạt nhân sinh ra do bức xạ
gamma dịch chuyển giữa các mức năng lượng. Bức xạ gamma là do tương tác
của các nucleon riêng biệt bên trong hạt nhân với trường điện từ. Một nucleon tự
do cô lập không thể bức xạ hay hấp thụ bức xạ gamma. Bên trong hạt nhân
nucleon có thể bức xạ gamma hoặc hấp thụ gamma do nó truyền động lượng cho
một nucleon khác bên trong hạt nhân. Cạnh tranh với quá trình bức xạ gamma là
quá trình biến hoán nội và biến hoán tạo cặp.
III.2 Đặc trưng của dịch chuyển gamma
III.2.1 Thời gian sống của hạt nhân phát gamma
Thời gian sống trung bình của các hạt nhân phát gamma nhỏ hơn nhiều so
với thời gian sống của các hạt nhân phân rã beta và alpha do cường độ tương tác
điện từ 3 bậc yếu hơn cường độ tương tác hạt nhân. Cũng như các loại phân rã
khác, thời gian sống của các hạt nhân phát gamma phụ thuộc vào độ chênh lệch
về spin và tính chẵn lẽ của các trạng thái đầu và cuối.

~
T
1







L
R

(3.2)
Thời gian bán rã T
1/2
càng lớn khi độ đa cực L càng cao, tức là các dịch
chuyển với độ đa cực cao bị cấm mạnh hơn các dịch chuyển với độ đa cực thấp.
Dịch chuyển lưỡng cực điện được cho phép nhiều nhất. Sau đó là dịch chuyển tứ
cực điện và dịch chuyển lưỡng cực từ.
III.2.2 Năng lượng và phổ của bức xạ gamma
Năng lượng của bức xạ gamma bằng hiệu số các mức năng lượng đầu và
cuối của mỗi dịch chuyển gamma. Như vậy phổ năng lượng của bức xạ gamma
là phổ gián đoạn. Năng lượng ΔE, động lượng p, tần số f và bước sóng

của nó
được xác định như đối với các bức xạ điện từ khác, tức là:

c
f;



1
1


L
M

(3.6)
Định luật bảo toàn chẵn lẻ đối với bức xạ điện từ là:
 
L
f
i
1


(3.7)
Định luật bảo toàn chẵn lẻ đối với bức xạ từ là:
 
1
1


L
f
i




17

Như vậy quá trình biến hoán nội là quá trình tương tác trực tiếp của hạt
nhân với electron trong vỏ nguyên tử, chủ yếu là các lớp vỏ K và L.
III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp
Trong trạng thái dịch chuyển 0 – 0 giữa trạng thái kích thích thứ nhất có
năng lượng lớn hơn nhiều so với 1.022 MeV (2m
0
c
2
) dịch chuyển gamma bị
cấm. Khi đó trạng thái kích thích được giải phóng bằng cách biến hoán tạo cặp.
Ví dụ:
OHeNeHF
16
8
4
2
20
10
1
1
19
9


Hạt nhân
O
16