TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ


NGUYỄN THỊ THÚY HÀ

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lí đại cƣơng

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

ThS. HOÀNG VĂN QUYẾT

HÀ NỘI, 2015


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian làm việc nghiêm túc cùng với sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và các bạn sinh viên trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà
Nội 2, đến nay khóa luận tốt nghiệp của tôi với đề tài “ Phản ứng hạt nhân
và ứng dụng” đã được hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các
thầy cô giáo, đặc biệt là thầy giáo –ThS Hoàng Văn Quyết, người đã trực
tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận này.
Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu, là một sinh viên mới bước đầu
làm quen với công tác nghiên cứu khoa học cùng với điều kiện thời gian và
tầm hiểu biết còn hạn hẹp nên khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót
và chưa thể mở rộng hết được đề tài. Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng
góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để khóa luận được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

2.3. Ứng dụng trong Công nghiệp............................................................... 32
2.4. Ứng dụng trong Nông nghiệp .............................................................. 42


2.5. Ứng dụng trong Y học.......................................................................... 51
2.6. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác ....................................................... 63
2.7. Ứng dụng trong các ngành khoa học khác ........................................... 68
KẾT LUẬN .................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 72


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài

Cuối thế kỉ XIX , một nền đại công nghiệp đã được hình thành dựa trên
cơ sở sự phát triển của Vật lý học với các lĩnh vực: Cơ học, Nhiệt học, Điện
học, Quang học.
Đầu thế kỉ XX, khi đi sâu vào khám phá thế giới tự nhiên ở ngoài tầm
quan sát trực tiếp đó là nguyên tử (thế giới vi mô) và vũ trụ (thế giới đại vĩ
mô) con người đã thu được một lượng thông tin khổng lồ về thế giới tự nhiên
- bắt đầu một lĩnh vực Vật lý mới: Vật lý Hiện đại.
Biết được nguyên tử gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân
và hạt nhân gồm các hạt proton và neutron là một thành tựu Vật lý kiệt xuất
của thế kỉ XX. Và chuyên ngành Vật lý nghiên cứu cấu trúc, tính chất và các
quá trình biến đổi của hạt nhân nguyên tử được gọi là Vật lý Hạt nhân. Trong
suốt thế kỉ XX phát triển, chuyên ngành vật lý hạt nhân đã đạt được nhiều
thành tựu rực rỡ trong nghiên cứu khoa học cũng như trong thực tiễn.
Sự kiện khám phá ra hiện tượng phân hạch hạt nhân năm 1939 của hai
nhà Vật lý Hahn và Strassman và hiện tượng phóng xạ năm 1986 của nhà Vật
lý người Pháp Bequerel đã mở ra một bước ngoặt mới trong nghiên cứu các

 Tìm hiểu ứng dụng của năng lượng và sản phẩm của phản ứng hạt
nhân trong thực tiễn.
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Lý thuyết và ứng dụng của phản ứng hạt nhân.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
 Nghiên cứu lí thuyết về cơ chế, các định luật bảo toàn trong phản ứng
hạt nhân; phản ứng phân hạch; phản ứng nhiệt hạch; tương tác của neutron
với hạt nhân; tương tác của các hạt, bức xạ với vật chất.

2


 Nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của năng lượng phản ứng hạt nhân
trong các nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng hạt nhân; ứng dụng của các chất
đồng vị phóng xạ trong khoa học và đời sống.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đọc và nghiên cứu tài liệu liên quan.
Đọc và tra cứu thông tin trên Internet.
6. Cấu trúc khóa luận
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Ứng dụng của phản ứng hạt nhân

3


NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Đại cƣơng về phản ứng hạt nhân
1.1.1. Một số khái niệm
1.1.1.1. Định nghĩa phản ứng hạt nhân

quy chiếu gắn với khối tâm của hệ hạt tương tác gọi là hệ quy chiếu khối tâm.
Hệ này chuyển động với vận tốc không đổi so với hệ quy chiếu gắn với phòng
thí nghiệm sao cho các hạt trước tương tác và các hạt sau tương tác có động
lượng tổng cộng bằng không.
1.1.1.3. Các kênh của phản ứng
Khi hạt đạn a bay tới tương tác với hạt nhân bia phản ứng có thể xảy
ra theo nhiều cách khác nhau được biểu diễn theo sơ đồ:

4


B + b: phản ứng hạt nhân thực sự
A* + a: tán xạ không đàn hồi

a+A

A + a: tán xạ đàn hồi
Kênh vào

Kênh ra

A*: hạt nhân A ở trạng thái kích thích.
1.1.1.4. Phân loại phản ứng hạt nhân
Có nhiều cách khác nhau để phân loại phản ứng hạt nhân, ví dụ:
- Dựa vào năng lương hạt đạn thì phản ứng hạt nhân gồm:
 Phản ứng hạt nhân ở năng lượng thấp: năng lượng hạt đạn cỡ vài
keV.
 Phản ứng hạt nhân ở năng lượng trung bình: năng lượng hạt đạn
cỡ vài MeV.
 Phản ứng hạt nhân ở năng lượng cao: năng lượng cỡ hàng nghìn

Xác suất để xảy ra phản ứng hạt nhân là: P =
trong đó :

,

(1.1)

là số hạt đạn đi qua tiết diện hiệu dụng, n là số hạt đạn tới đập

vào bia.
Mặt khác: P =

= Nd,

(1.2)

trong đó: NdA là tiết diện hiệu dụng toàn phần đối với tất cả các hạt nhân
bia, N là số hạt nhân bia trong một đơn vị thể tích bia, d là bề dày của bia còn
A là tiết diện của bia. Đơn vị của tiết diện hiệu dụng là Barn: 1Barn = 10-24
cm2
Tiết diện hiệu dụng phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân bia, bản chất
hạt đạn và năng lượng của hạt đạn.
1.1.3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân
Xét phản ứng hạt nhân: a + A

B + b,

trong đó hạt nhân A đứng yên.
1.1.3.1. Định luật bảo toàn điện tích
Nội dung của định luật: Tổng điện tích của các hạt ở kênh vào bằng tổng

ứng hạt nhân được bảo toàn.
Biểu thức của định luật:⃗⃗⃗ a = ⃗ b+ ⃗ B

𝛽
𝛽𝛽

1.1.3.4. Định luật bảo toàn năng lượng

(1.5)

Nội dung của định luật: Năng lượng của hệ các hạt tương tác trong phản
ứng hạt nhân được bảo toàn.
Năng lượng của mỗi hạt nhân gồm năng lượng nghỉ Eo và động năng K.
Biểu thức của định luật: EA + Ea + Ka = EB + KB + Eb + Kb
2

2

2

2

 ma.c + Ka + mA.c = mB.c + KB + mb.c + Kb
 [(ma+mA)


(mb+mB)].c2 = Kb + KB – Ka,

M.c2 = Kb + KB


Phản ứng phân hạch điển hình là sự phân hạch của U235
+

+

+3

Các hạt nhân phân hạch được sử dụng nhiều trong thực tế là

,

,

Đặc điểm của phản ứng phân hạch
- Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch phụ thuộc vào năng
lượng của neutron dùng làm hạt đạn.
- Các sản phẩm phân hạch thu được từ sự phân hạch hạt nhân nào
đó không phải là duy nhất.
- Các sản phẩm phân hạch thường không bền.
- Xét phản ứng phân hạch tổng quát:
1

+

2

+k

thì năng lượng Q của phản ứng phân hạch:
Q = [mX –



- Nếu f >1: Số neutron tăng lên theo cấp số nhân và phản ứng dây
chuyền không điều khiển. Loại phản ứng này được ứng dụng trong chế tạo
bom nguyên tử.
1.3. Phản ứng nhiệt hạch
1.3.1. Phản ứng nhiệt hạch
Định nghĩa: Phản ứng hạt nhân trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo
ra một hạt nhân nặng hơn và thường kèm theo một số hạt được gọi là phản
ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch.
Một số phản ứng nhiệt hạch điển hình:
tỏa năng lương Q = 19,2MeV
tỏa năng lượng Q = 17,59MeV
tỏa năng lượng Q = 4,03MeV
Năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng nhiệt hạch là nhỏ so với năng
lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng phân hạch nhưng năng lượng tỏa ra trên một
đơn vị khối lượng thì lớn hơn rất nhiều. Người ta tính toán được rằng để tổng
hợp 1kg

thì tỏa năng lượng 160.000kWh lớn hơn rất nhiều so

thành

với năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1kg U235 là 23.000kWh.
Nguồn năng lượng của Mặt trời là một dãy các phản ứng tổng hợp hạt
nhân được gọi là chu trình proton-proton. Có thể viết gọn như sau:
6

2


trên mặt đất là nén chất plasma nhiệt độ cao. Hiện nay có hai phương pháp
đang được nghiên cứu phổ biến là dùng từ trường (Tokamak và Gương từ) và
Laser.
Vậy chúng ta thấy rằng năng lượng tỏa ra trong phản ứng phân hạch và
phản ứng nhiệt hạch là rất lớn. Chúng ta có thể sử dụng năng lượng này thay
thế cho nguồn năng lượng từ than đá, dầu mỏ…Và thực tế năng lượng của
phản ứng phân hạch đã được sử dụng rộng rãi còn năng lượng của phản ứng
nhiệt hạch thì vẫn đang trong quá trình nghiên cứu do để thực hiện được phản
ứng nhiệt hạch có điều khiển là không dễ dàng. Và đây được coi là mục tiêu
hàng đầu của các nhà nghiên cứu năng lượng hạt nhân nói riêng và vật lý
năng lượng cao nói chung.
1.4. Hiện tƣợng phóng xạ
1.4.1. Hiện tượng phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ (hay phân rã phóng xạ) là trường hợp riêng của
phản ứng hạt nhân, trong đó hạt nhân bia tự biến đổi mà không cần đến sự tác
động của hạt đạn.
Phóng xạ là một hiện tượng biến đổi hạt nhân ở đó hạt nhân nguyên tử
của nguyên tố này tự động biến đổi thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố
khác kèm theo sự phát ra các tia

+

,

phóng xạ.

11

, ,…các tia này được gọi là tia


hạt tích điện , p,

… đóng vai trò là các hạt đạn và gây ra các phản ứng hạt

nhân, tạo ra các đồng vị phóng xạ.
- Chiếu xạ bởi các neutron trong lò phản ứng: Các đồng vị phóng xạ
nhân tạo được sản xuất với một lượng lớn bằng cách chiếu neutron trong lò
phản ứng vào các đồng vị bền. Ví dụ:

(n, )

;

(n, )

;

(n,p)C14; S32(n,p)P32; Na23(n, )Na24; Li6(n, )H3.
- Từ các sản phẩm phân hạch: Rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp yêu
cầu phải có nguồn phóng xạ có hoạt độ phóng xạ đủ lớn. Khi đó người ta
dùng phương pháp hóa học để tách các đồng vi phóng xạ từ các sản phẩm
phân hạch trong nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng. Hai đồng vị có nhiều ứng
dụng trong thực tiễn đã được tạo ra bằng phương pháp này là Sr90 và Cs137.
Những đồng vị phóng xạ nhân tạo chủ yếu phóng xạ tia
12

và tia , rất ít khi


phóng xạ . Ngoài ra trong các hạt nhân đồng vị phóng xạ nhân tạo chúng ta

(1.11)

trong đó: N, No lần lượt là số hạt nhân phóng xạ tại thời điểm t = 0 và tại thời
điểm t; m, mo lần lượt là khối lượng của chất phóng xạ ở thời điểm t = 0 và tại
thời điểm t; H, Ho lần lượt là độ phóng xạ của mẫu phóng xạ tại thời điểm t =
0 và tại thời điểm t.
λ là hằng số phóng xạ, đây là xác suất phân rã của hạt nhân trong một
đơn vị thời gian.
T là chu kì bán rã, đặc trưng cho mỗi chất phóng xạ. Cứ sau khoảng thời
gian bằng chu kì bán rã thì số hạt nhân (hoặc khối lượng) của mẫu phóng xạ
lại giảm đi một nửa. Giữa T và λ có mối liên hệ λ =

.

Độ phóng xạ H của mẫu phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho khả năng
phóng xạ mạnh hay yếu của mẫu đó và được đo bằng số hạt nhân bị phân rã
trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo độ phóng xạ H là Becquerel (Bq) với
1Bq = 1 phân rã/giây. Ngoài ra còn có đơn vị Curie (Ci), 1Ci = 3,7.1010Bq.

13


1.5. Tƣơng tác của neutron với hạt nhân
Neutron không mang điện nên không bị trường Coulomb của các hạt
nhân ngăn cản do đó có khả năng xuyên sâu vào bên trong hạt nhân. Vì vậy
mà neutron được dùng để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và thực hiện phản ứng
phân hạch.
1.5.1. Phân loại neutron
Trong kĩ thuật năng lượng hạt nhân người ta quan tâm tới các neutron có
năng lượng nằm trong vùng 0,025eV 1MeV.

Để thực hiện phản ứng phân hạch ta phải có neutron chậm hay neutron
nhiệt nhưng các neutron sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân là các neutron
nhanh nên để duy trì lò phản ứng ta phải làm chậm neutron.
14


Nguyên tắc chung của việc làm chậm neutron là cho neutron tán xạ đàn
hồi lên hạt nhân chất làm chậm. Sau mỗi lần tán xạ, neutron mất đi một phần
năng lượng. Khi số lần tán xạ đủ lớn neutron nhanh sẽ trở thành neutron nhiệt
và ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường. Chất làm chậm tốt nhất là D2O
(nước nặng) được sử dụng trong các lò phản ứng.
Khi neutron đã được làm chậm tới neutron nhiệt thì nó bắt đầu khuếch
tán theo tất cả mọi phương từ nguồn cho tới khi hấp thụ.
1.6. Tƣơng tác của các hạt và bức xạ với vật chất
Tương tác của các hạt, bức xạ với vật chất mang tính chất tác động qua
lại:


Vật chất làm suy giảm cường độ và năng lượng của bức xạ.



Bức xạ làm thay đổi cấu trúc vật chất, gây ra các biến đổi vật lý,

hóa học, sinh học…và các biến đổi này phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng
và dạng bức xạ.
1.6.1. Tương tác của các hạt nặng mang điện với vật chất
Quá trình tương tác chính của các hạt nặng mang điện với vật chất là tán
xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi. Kết quả các quá trình này như sau:
- Kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi là nguyên tử của vật chất bị

- Tán xạ đàn hồi
- Tán xạ không đàn hồi
- Quá trình bắt neutron.
1.6.4. Tương tác của bức xạ

với vật chất

Ngoài phản ứng hạt nhân do bức xạ

gây ra thì khi tương tác với vật

chất sẽ xảy ra các quá trình sau:
1.6.4.1. Hiệu ứng quang điện
Là quá trình tương tác của bức xạ
Toàn bộ năng lượng h của bức xạ

với electron liên kết của nguyên tử.
truyền cho electron trong đó có một

phần tiêu tốn cho việc electron bứt ra khỏi quỹ đạo Eo, một phần trở thành
động năng cho electron Ke:
h = Eo + Ke,

(1.12)

hiệu ứng chỉ xảy ra khi h >Eo và không xảy ra với electron tự do, xảy ra càng
mạnh khi electron liên kết càng bền vững.
1.6.4.2. Hiệu ứng Compton
Là hiện tượng tương tác của bức xạ
nguyên tử mà kết quả là bức xạ


Tiết diện tán xạ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ .
1.6.4.3. Hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng tạo cặp xảy ra khi năng lượng bức xạ

E >Eo ,với Eo = 2mec2

= 1,02MeV là năng lượng nghỉ của e+ và e- thì có hiện tượng tạo cặp hạt e+, etrong trường Coulomb của hạt nhân.
Hiệu ứng tạo cặp còn xuất hiện trong trường Coulomb của các điện tử
khi E
Tất cả các bức xạ đều gây ra những thay đổi trong cơ thể sống. Chúng có
thể hủy diệt tế bào và gây ra những đột biến trong các tổ chức sống tức là làm
biến đổi di truyền.
Để đo tác động của các bức xạ đối với môi trường vật chất người ta sử
dụng nhiều đơn vị khác nhau.
- Liều hấp thụ trung bình DT trong môi trường vật chất T được xác
định bằng năng lượng bức xạ truyền cho một đơn vị khối lượng vật chất mà
nó đi qua. Đơn vị này được sử dụng phổ biến trong việc đo tác động của bức
xạ lên cơ thể người. Đơn vị trong hệ SI là Gray (Gy): 1Gy = 1J/kg
- Rad là lượng bức xạ cung cấp 10-5J năng lượng đối với một đơn vị
khối lượng vật chất, có giá trị 1rad = 100erg/g ,(1J = 107erg )và 1Gy =
100rad.
- Ronghen là liều lượng bức xạ

có thể làm ion hóa môi trường và tạo

ra một đơn vị điện tích trong không khí ở điều kiện tiêu chuẩn:
1R = 2,58.10-4C/kg.
1.6.6. Các dụng cụ ghi đo bức xạ
Cơ sở của việc ghi, đo bức xạ hạt nhân là dựa trên các hiệu ứng xảy ra
khi có sự tương tác của bức xạ với môi trường vật chất. Dụng cụ để ghi đo
bức xạ hạt nhân được gọi chung là ống đếm.
Sau đây ta tìm hiểu một số loại ống đếm đã và đang được sử dụng phổ
biến hiện nay.

18


*Buồng ion hóa
Trong bình chứa không khí khô ở áp suất thường. Buồng ion hóa được


yếu đi qua. Sau khi hút hết không

khí bên trong người ta nạp khí hữu cơ áp suất 1 mmHg và khí trơ áp suất 9
mmHg.
- Ống đếm khí halogen: Thay chất hữu cơ bằng khí halogen. Cực âm là
một ống thép không gỉ cuộn bên trong hoặc dùng kĩ thuật phun muối SnCl
vào mặt trong ống.

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo ống đếm G.M

20