TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÝ

PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG

Luận văn tốt nghiệp
Ngành : SƢ PHẠM VẬT LÝ- TIN HỌC

Giáo viên hƣớng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Văn Tiến
Mã số SV: 1090293
Lớp: Sƣ phạm Vật Lý – Tin học
Khóa: 35
Cần Thơ, năm 2013


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh
MỤC LỤC

Trang
Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .............................................................................................. 4
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................... 4
3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................... 4
4. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ........................ 4

2.4.1. Lịch sử phát hiện nơtron ................................................................................. 17
2.4.2. Phƣơng pháp sản sinh nơtron .......................................................................... 17
2.4.3. Khối lƣợng của nơtron .................................................................................... 18
2.4.4. Thời gian sống, chu kỳ bán rã của nơtron ....................................................... 18
2.4.5. Các nguồn nơtron ............................................................................................ 18
2.4.6. Các phản ứng hạt nhân do nơtron gây ra ........................................................ 18
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

1


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

2.5. PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ............................................................... 19
2.5.1. Phản ứng phân hạch ........................................................................................ 19
2.5.1.1. Hiện tƣợng phân hạch .............................................................................. 19
2.5.1.2. Cơ chế phân hạch ..................................................................................... 21
2.5.1.3. Điều kiện phân hạch ................................................................................ 21
2.5.1.4. Các bức xạ trong quá trình phân hạch ..................................................... 23
2.5.1.5. Đặc điểm của phản ứng phân hạch .......................................................... 23
2.5.1.6. Phản ứng dây chuyền ............................................................................... 24
2.5.1.7. Điều kiện phản ứng dây chuyền .............................................................. 24
2.5.1.7.1. Điều kiện phản ứng dây chuyền ......................................................... 24
2.5.1.7.2. Điều khiển phản ứng dây chuyền ....................................................... 25
2.5.1.8. Năng lƣợng phân hạch ............................................................................. 25
2.5.2. Phản ứng nhiệt hạch ....................................................................................... 26

3.1.4.2. Lò nƣớc nặng ........................................................................................... 38
3.1.4.3. Lò nƣớc nhẹ ............................................................................................. 39
3.1.4.4. Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh ....................................................... 39
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

2


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

3.2. NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN ............................................................................ 41
3.2.1. Nguyên tắc thiết kế nhà máy ........................................................................... 41
3.2.2. Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân ...................................................................... 42
3.2.3. Nhiên liệu hạt nhân ......................................................................................... 43
3.2.3.1. Quá trình chuẩn bị nhiên liệu ................................................................... 44
3.2.3.2. Chu trình nhiên liệu ................................................................................. 44
3.2.4. Nguyên tắc hoạt động và phân loại nhà máy điện hạt nhân ........................... 45
3.2.4.1. Nguyên tắc hoạt động của nhà máy điện hạt nhân .................................. 45
3.2.4.2. Phân loại nhà máy điện hạt nhân ............................................................. 46
3.2.4.2.1. Nhà máy sử dụng lò nƣớc sôi .......................................................... 46
3.2.4.2.2. Nhà máy sử dụng lò nƣớc áp lực (PWR) ........................................ 48
3.2.4.2.3. Nhà máy sử dụng lò nƣớc áp lực (VVER) ...................................... 50
3.2.4.2.4. Nhà máy sử dụng lò nƣớc nặng ...................................................... 51
3.3. VŨ KHÍ HẠT NHÂN ............................................................................................ 52
3.3.1. Sơ lƣợc về vũ khí hạt nhân.............................................................................. 52
3.3.1.1. Khái niệm vũ khí hạt nhân ....................................................................... 52

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Phần MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con ngƣời đã đƣa những thành
tựu của khoa học kĩ thuật ứng dụng vào sản xuất, công nghệ nhằm phuc vụ cho cuộc
sống con ngƣời ngày càng tiến bộ hơn. Trong đó, vật lý học đã góp phần không nhỏ cho
sự phát triển chung của nền khoa học hiện nay. Nó mang tính thiết thực gắn liền với
công việc phát triển khoa học kĩ thuật của đất nƣớc, trong đó vấn đề hạt nhân cũng đƣợc
nhắc đến khá nhiều và là một phần quan trọng để đánh giá sự tiến bộ của một quốc gia
cũng nhƣ tầm ảnh hƣởng của quốc gia đó trong khu vực và trên toàn thế giới.
Khoảng đầu thế kỉ 20, với sự phát triển vƣợt bậc của ngành hạt nhân nguyên tử,
các cƣờng quốc trên thế giới đã ứng dụng nó vào các lĩnh vực khoa học nhằm phục vụ
cho cuộc sống của con ngƣời và trong đó quan trọng nhất có lẽ chính là ứng dụng phản
ứng hạt nhân để sản xuất điện hạt nhân và sản xuất các loại vũ khí phục vụ cho chiến
tranh và bảo vệ an ninh quốc phòng. Ngoài ra nó cũng còn ứng dụng trong một số các
lĩnh vực khác nhƣ y tế, công nghiệp...
Với sự đam mê nghiên cứu về hạt nhân và ứng dụng của nó từ lúc còn học phổ
thông và khi lên đến giảng đƣờng Đại học tôi lại càng thích thú hơn với những vấn đề về
hạt nhân. Tìm hiểu về vấn đề này không chỉ để mở rộng sự hiểu biết, tiếp cận với các
vấn đề thực tế của thời đại mà còn giúp tôi có đƣợc những kiến thức cơ bản để sau này
truyền thụ cho học sinh tốt hơn, vì hạt nhân là một phần không thể thiếu trong chƣơng
trình vật lí phổ thông. Xuất phát từ những điều nói trên nên tôi quyết định chọn đề tài
nghiên cứu “ Phản ứng hạt nhân và ứng dụng”.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Trong luận văn này sẽ nghiên cứu chi tiết về phản ứng hạt nhân, các loại phản
ứng hạt nhân, ứng dụng nó trong các lĩnh vực khoa học kĩ thuật và trong đời sống thực

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Bƣớc 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt đƣợc của đề tài.
- Bƣớc 2: Tìm các tài liệu có liên quan đến đề tài và đọc tài liệu, nghiên cứu tài
liệu, tham khảo các ý kiến từ thầy cô và bạn bè.
- Bƣớc 3: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hƣớng
dẫn.
- Bƣớc 4: Nộp đề tài cho giáo viên hƣớng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa.
- Bƣớc 5: Viết hoàn chỉnh đề tài và nộp cho giáo viên hƣớng dẫn.

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

5


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Phần NỘI DUNG
Chƣơng 1: ĐẠI CƢƠNG VỀ HẠT NHÂN
1.1. LỊCH SỬ TÌM RA CẤU TẠO HẠT NHÂN

Từ cuối thế kỉ 19, đầu thế kỉ 20 sau thí nghiệm tán xạ hạt  lên nguyên tử,
Rutherford đã xây dựng mẫu “hành tinh nguyên tử” từ đó đƣa ra khái niệm hạt nhân, sau
đó Rutherford lại phát hiện ra proton (p) có điện tích nguyên tố dƣơng (+e) khối lƣợng
lớn hơn electron hàng nghìn lần.

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

6


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

- Nguyên tử trung hòa về điện nên số proton trong hạt nhân bằng số electron của
nguyên tử. Vậy trong nguyên tử :
Số đơn vị điện tích hạt nhân Z = số proton = số electron
Ví dụ : Số đơn vị điện tích hạt nhân của nguyên tử oxi là 8, vậy nguyên tử oxi có
8 proton và 8 electtron.
Điện tích của hạt nhân là một đặc trƣng cơ bản, xác định tính chất của nguyên
tố. Điện tích Z của hạt nhân (trong các đơn vị electron hay proton) lấy các giá trị từ
0  103; nơtron có Z=0, hạt nhân hiđrô có Z=1; hêli có Z=2; menđêlêvi có Z=101;
nêbôli có Z =102…
1.2.2. Số khối
- Số khối (kí hiệu là A) là số nucleon của hạt nhân, là tổng số hạt proton (kí hiệu
là Z) và tổng số hạt nơtron (kí hiệu là N) của hạt nhân đó:
A=Z+N
Ví dụ: Hạt nhân nguyên tử oxi ( 168O ) có 8 proton và 8 nơtron, vậy số khối của hạt
nhân nguyên tử oxi là:
A = Z+N= 8 + 8 = 16
Ngƣời ta dùng kí hiệu hạt nhân nhƣ sau: ZA X
Trong đó: X là kí hiệu nguyên tố hóa học
A là số khối


Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

ông thì hạt nhân có thể coi nhƣ có dạng hình cầu với bán kính cỡ 10 -12 cm. Cho tới ngày
nay có nhiều phƣơng pháp xác định và cho nhiều kết quả khác nhau nhƣng tất cả các
phƣơng pháp đều cho cùng một bậc của kích thƣớc hạt nhân. Một số phƣơng pháp xác
định bán kính hạt nhân là:
- Xác định R theo năng lƣợng các  phóng xạ đối với các hạt nhân phóng xạ.
- Xác định R theo phƣơng pháp phân tích công thức bán thực nghiệm về khối
lƣợng và năng lƣợng liên kết của hạt nhân.
- Xác định R bằng nghiên cứu bức xạ Rơnghen của các nguyên tử mezon.
- Xác định R bằng phƣơng pháp nghiên cứu sự tán xạ của các electron nhanh lên
các hạt nhân.
- Xác định R bằng phƣơng pháp nghiên cứu sự tán xạ của các nơtron nhanh lên
các hạt nhân.
Phƣơng pháp xác định trực tiếp là phƣơng pháp tán xạ của Rutherford. Sử dụng
công thức tán xạ để đo kích thƣớc gần đúng của hạt nhân. Bằng cách đo tiết diện tán xạ
ngƣời ta cũng đo đƣợc bán kính hạt nhân. Thực nghiệm cho biết hạt nhân có dạng hình
cầu và bán kính của nó chỉ phụ thuộc vào số nucleon theo công thức sau:
1

R  ro A 3


Proton và nơtron còn đƣợc đặc trƣng bằng mômen từ  . Spin và mômen từ của

bán nguyên ( ,

proton có cùng một hƣớng, còn spin và mômen từ của nơtron có hƣớng ngƣợc nhau.
Tƣơng tự nhƣ electron, hạt nhân cũng có mômen từ riêng ứng với mômen
spin của nó. Theo nguyên lý Pauli, hạt nhân có mômen từ riêng nên nó sẽ tác dụng với
từ trƣờng tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ, làm sinh ra năng lƣợng phụ E
của electron ở lớp vỏ.
Do tƣơng tác với từ trƣờng đƣợc tạo ra do sự chuyển động của electron ở lớp vỏ
nên năng lƣợng phụ E phụ thuộc vào trị số mômen từ hạt nhân và sự định hƣớng của từ
trƣờng hạt nhân đối với từ trƣờng electron. Theo tính toán lý thuyết, Pauli cho rằng
mômen từ của hạt nhân chỉ định hƣớng theo một số phƣơng nhất định so với từ trƣờng
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

8


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

của electron hóa trị. Thế nên năng lƣợng E chỉ nhận một số giá trị gián đoạn. Số giá trị
này phụ thuộc vào trị số spin của hạt nhân. Khoảng cách giữa các mức năng lƣợng tùy
thuộc vào mômen từ hạt nhân, vì hạt nhân có hai loại hạt là proton mang điện dƣơng nên
có mômen từ quỹ đạo. Hạt nơtron không mang điện, nên chỉ có mômen từ spin. Nhƣ vậy
mômen từ của hạt nhân bằng tổng mômen từ spin của tất cả hạt nucleon cộng với tổng
mômen từ quỹ đạo của các proton:


e 
Am 2
2m p 1840
1840

Bảng 1.1. Spin và mômen từ của một số hạt nhân:
TÊN HẠT
Proton
Neutron
H2
He3
Al27
Si29
K40
Zr91
Ag109

SPIN
1/2
1/2
1
1/2
5/2
1/2
4
5/2
1/2

n

9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Nhƣ vật, ta thấy rằng các hạt nhân khác nhau chỉ là các tổ hợp của các số proton
Z và số nơtron N. Một tổ hợp nhất định của số proton Z và số nơtron N đƣợc gọi là một
nuclid. Vậy một hạt nhân chính là một nuclid.
1.2.6.2. Đơn vị khối lượng nguyên tử
Trong vật lý nguyên tử và hạt nhân, ngƣời ta thƣờng dùng một đơn vị khối lƣợng
riêng gọi là đơn vị khối lƣợng nguyên tử, ký hiệu là u.
Một đơn vị khối lƣợng nguyên tử u bằng
12
6C .

1u 

1
khối lƣợng của nguyên tử cácbon
12

1  12 g 

  1,66058.10 24 g  1,66058.10 27 kg
12  N A 

NA= 6,022.1023 là số Avôgađrô.
Khối lƣợng của proton là mp= 1,007276u, của nơtron là mn=1,008665u, của

2,01355
4,00047

Khối lƣợng
Kg
1,67495.10-27
1,67265.10-27
3,3325.10-27
6,6444.10-27

MeV
939,5
938,26
1875,5
3726,2

1.3. ĐỘ HỤT KHỐI
Ta biết hạt nhân đƣợc cấu tạo bởi Z proton và N nơton. Khi tạo thành hạt nhân,
ngƣời ta thấy rằng khối lƣợng của một hạt nhân đƣợc hình thành thì luôn luôn nhỏ hơn
khối lƣợng của tổng các nucleon riêng lẻ tạo nên hạt nhân đó. Sự sai lệch về khối lƣợng
đó gọi là độ hụt khối lƣợng (  m):
 m = Zmp+ (A-Z)mn - mhn
Trong đó: mp , mn lần lƣợt là khối lƣợng của proton và nơtron.
Nhƣ vậy, khi tổng hợp Z proton và N nơtron để tạo thành hạt nhân dƣ ra một
khối lƣợng  m. Khối lƣợng  m này tƣơng đƣơng với một năng lƣợng  E giải phóng
ra đƣợc tính theo công thức Einstein: E =  m.c2

1.4. NĂNG LƢỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN
Khi tách rời các proton và các nơtron ra khỏi hạt nhân, cần phải cung cấp cho hạt
nhân một năng lƣợng đúng bằng E nói trên để cho tƣơng ứng với việc tổng khối lƣợng

Ðồ thị biểu diễn năng lƣợng liên kết theo số khối A của các nguyên tử đƣợc vẽ
theo thực nghiệm nhƣ hình vẽ.

Hình 1.2. Đồ thị sự phụ thuộc của  vào A
Dựa vào đồ thị ta thấy:
+ Với những hạt nhân nhẹ (A = 1  10) năng lƣợng liên kết riêng tăng từ 1  10
Mev.
+ Với những hạt nhân nặng (A = 140  240 ) năng liên kết riêng giảm dần nhƣng
rất chậm từ 8  7 Mev.
+ Với những hạt nhân trung bình (A = 40  120) năng lƣợng liên kết trung bình
có giá trị vào khoảng 7  8,6 Mev giá trị này tƣơng đối khá lớn (cực đại) nên hạt nhân
trung bình là hạt nhân bền vững.
Giá trị từ 7  8 Mev đƣợc xem là giá trị bão hòa, khi đó mỗi nucleon chỉ tƣơng
tác với một nucleon lân cận.
Trong các hạt nhân nặng thì năng lƣợng liên kết lại giảm bởi vì lúc này số proton
trong hạt nhân tăng lên nên lực đẩy Coulomb giữa các proton mang điện cũng tăng lên
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

làm cho năng lƣợng liên kết bị giảm xuống, tƣơng tự các hạt nhân nhẹ năng lƣợng liên
kết lại tăng bởi vì lúc này số proton trong hạt nhân giảm lên nên lực đẩy Cu-lông giữa
các proton mang điện cũng giảm lên làm cho năng lƣợng liên kết bị giảm tăng lên, vì
vậy có thể nói các hạt nhân nặng và nhẹ hơn kém bền vững hơn nghĩa là sự biến đổi các
hạt nhân nặng cũng nhƣ các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân trung bình là một quá trình

với tƣơng tác hấp dẫn và tƣơng tác điện từ.

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Chƣơng 2: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
2.1. KHÁI NIỆM PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lý, trong đó xảy ra tƣơng tác mạnh của hạt
nhân với một hạt nhân khác hoặc với một nucleon ở khoảng cách nhỏ khoảng fm, qua
quá trình này hạt nhân nguyên tử thay đổi trạng thái ban đầu (thành phần, năng lƣợng...)
hoặc tạo ra hạt nhân mới hay các hạt mới và giải phóng ra năng lƣợng.
Ví dụ: bắn phá hạt nhân nguyên tử liti 6Li bằng hạt hyđrô 2H đƣợc 2 nguyên
tử heli 4He và giải phóng 22,4 MeV
6

Li + 2H → 2 4He + 22,4 MeV
Lƣợng năng lƣợng giải phóng đƣợc tính theo định luật bảo toàn năng lƣợng khối lƣợng, phƣơng trình: E = m.c2
mLi = 6,015 u, mHe = 4,0026 u và mH = 2,014 u
chênh lệch khối lƣợng Δm = mLi + mH - 2.mHe = 0,0238 u
→ năng lƣợng giải phóng = năng lƣợng chênh lệch ΔE = Δm.c2 = 22,4 MeV
Hạt nhân của các nguyên tố không phóng xạ rất bền vững, muốn làm vỡ chúng
hoặc thay đổi trạng thái chỉ có cách dùng các hạt khác bắn từ ngoài vào. Trƣớc đây do kĩ
thuật chƣa phát triển nên ngƣời ta dùng các hạt làm đạn bắn từ ngoài vào là những hạt
có sẵn trong tự nhiên do các nguồn phóng xạ tạo ra (hạt  chẳng hạn ), bắn vào một số ít

và A:
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 13


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

a+A  B+b hay A(a,b)B
- Khuếch tán không đàn hồi là tƣơng tác trong đó hạt bay ra cùng loại với hạt bay
vào hạt nhân bia, nhƣng khi hạt bay ra thì hạt nhân trong bia ở trạng thái kích thích.
a+A  A+a/ hay A(a,a/)A
- Khuếch tán đàn hồi là phản ứng trong đó hạt bay vào và hạt bay ra là nhƣ nhau.
Động năng của các hạt sau khuếch tán thay đổi phụ thuộc vào góc bay của chúng:
a+A  a+A hay A(a,a)A
Ngƣời ta gọi mỗi loại phản ứng là một kênh phản ứng. Trong mỗi kênh còn chia
ra kênh vào kênh ra. Mô hình nhƣ sau:

Hình 2.1. Mô hình phản ứng hạt nhân.
Nhƣ vậy tên gọi “phản ứng hạt nhân” dành cho cả quá trình khuếch tán đàn hồi,
khuếch tán không đàn hồi và quá trình phản ứng hạt nhân thật sự. Trong một số trƣờng
hợp, nếu không phải phân biệt rõ quá trình phản ứng hạt nhân thực với các quá trình
khuếch tán ta dùng “phản ứng hạt nhân” để chỉ quá trình phản ứng hạt nhân thật sự.

2.2. TIẾT DIỆN HIỆU DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Khi ta dùng một chùm hạt  bắn vào bia hạt
nhân X thì không phải mọi hạt đều gây ra phản ứng, ta
chỉ có thể nói đến xác suất gây ra phản ứng. Đại lƣợng


n Nsd

 Nd
ni
s

Trong đó: N là số hạt nhân trong một đơn vị thể tích của bia.
d, s là độ dày và diện tích của bia.
đơn vị là Bacnơ (barn)
1barn = 10-28 m2
Vậy xác suất của phản ứng tỷ lệ với tiết diện hiệu dụng.

2.3. CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
2.3.1. Định luật bảo toàn số khối (hay số nucleon)
Trong các phản ứng không tạo ra phản hạt thì tổng số nucleon của phản ứng luôn
luôn bảo toàn. Hay nói cách khác là tổng số khối A hay số nucleon ở vế trái (trƣớc phản
ứng) bằng tổng số khối hay tổng số nucleon ở vế phải (sau phản ứng) của phƣơng trình
phản ứng.
Ví dụ:
H12  H13  He24  n01
Ta thấy rằng tổng số nucleon ở vế trái (trƣớc phản ứng) là 2+3=5 và tổng số
nucleon ở vế phải(sau phản ứng) là 4+1=5
Từ định luật này ta thấy không thể có phản ứng p  e   2 (trong khi đó có thể
xảy ra phản ứng e   e   2 ). Điều này cũng rất đúng với tự nhiên là proton không thể
tự hủy với điện tử đƣợc, vì nếu chúng tự hủy đƣợc thì nguyên tử hyđrô sẽ không còn
trong thế giới của chúng ta.
2.3.2. Định luật bảo toàn điện tích (hay nguyên tử số Z)
Tổng điện tích của các hạt ở kênh vào của phản ứng phải bằng tổng điện tích của
các hạt ở kênh ra của phản ứng. Hay nói cách khác tổng điện tích (hay tổng số nguyên tử


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

+ Nếu QMs nghĩa là trong phản ứng
tỏa năng lƣợng, tổng khối lƣợng nghỉ của các hạt trƣớc phản ứng lơn hơn tổng khối
lƣợng nghỉ của các hạt sau phản ứng.
Phản ứng thu năng lƣợng Q
Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

2.3.7. Định luật bảo toàn spin đồng vị
Định luật bảo toàn spin đồng vị yêu cầu tổng số spin đồng vị của các hạt trƣớc
phản ứng phải bằng tổng số spin đồng vị của các hạt sau phản ứng.
Ta + T A = T b + T B
Trong đó Ta , TA, Tb ,TB lần lƣợt là spin đồng vị của các hạt a, A, b, B.

2.4. CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA NƠTRON. PHẢN ỨNG ĐẶC TRƢNG CỦA
CÁC LOẠI NƠTRON
2.4.1. Lịch sử phát hiện ra nơtron
Năm 1930, Bohr thấy rằng khi dùng hạt  bắn phá vào hạt nhân Berili (4Be9 ) thì
sinh ra những tia có khả năng xuyên sâu rất lớn. Lúc đầu ngƣời ta cho rằng những tia ấy
là tia  cũng đƣợc phát ra khi hạt nhân mới sinh ra là 6C13 chuyển từ trạng thái kích
thích về trạng thái bình thƣờng. Phƣơng trình phản ứng biểu diễn nhƣ sau:
9
4
13 *
13
4 Be  2 He (6 C ) 6 C  
Theo giả thuyết này thì photon  sinh ra phải có năng lƣợng khoảng 7 Mev.
Năm 1932, ông bà Joliot Curie thấy rằng tác dụng ion hóa của các tia mới tìm
này tăng lên rất nhiều nếu chúng đi qua lớp paraphin (chứa rất nhiều nguyên tử hyđrô).
Từ thí nghiệm này họ tính đƣợc năng lƣợng của photon  khoảng 55 Mev chứ không
phải 7 Mev nhƣ đã nói trên.
Để giải quyết mâu thuẩn nói trên. Năm 1932, Chadwick giả thuyết rằng tia sinh
ra khi đập  vào Be không phải là tia  (photon) mà là các hạt trung hòa, có khối lƣợng
bằng khối lƣợng của proton và ông đặt tên la nơtron (kí hiệu là n).

kiện năng lƣợng của photon phải lớn hơn 1,76 MeV (có thể dùng tia  phát xạ từ các
chất phóng xạ tự nhiên hoặ nhân tạo).
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 17


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Cũng có thể dùng các hạt mang điện nhƣ proton, đơtron đƣợc tăng tốc nhờ các
máy gia tốc mạnh bắn phá các hạt nhân làm bia khác nhau để tạo ra nơtron đơn năng
(nơtron có một giá trị năng lƣợng).
Ví dụ:
H12  H13  n01  H 24
Phản ứng này tỏa năng lƣợng  W=17,6 MeV và đƣợc dùng trong các nhà máy
phát hiện nơtron hiện đại.
Một biện pháp khác cũng rất đơn giản để thu nơtron có năng lƣợng cao là thực
hiện một va chạm trực diện của một proton có năng lƣợng cực lớn và một nơtron đơn
độc trong hạt nhân bia.
Ví dụ: Ngƣời ta cho proton có năng lƣợng 2 GeV đập vào một bia, các nơtron
cùng năng lƣợng bậc ra theo hƣớng phia trƣớc, proton đã truyền năng lƣợng và xung
lƣợng của nó cho nơtron.
Một nguồn tốt nhất có thể cung cấp dòng nơtron có mật độ lớn (có thể đạt tới
16
10 hạt/cm2.s) là lò phản ứng hạt nhân hoạt động theo nguyên lý của hiện tƣợng phân
hạch.
2.4.3. Khối lƣợng của nơtron
Để tìm khối lƣợng của nơtron ngƣời ta dùng photon  tác dụng lên 1D2 ta thu

(chiếu  vào Be)
4Be (  ,n)4Be
2
1
(chiếu  vào D)
1D (  ,n)1H
7
7
(trong máy gia tốc các hạt tích điện)
3Li (p,n)4Be
2.4.6. Các phản ứng hạt nhân do nơtron gây ra
Ta đã biết nơtron là hạt không mang điện nên có khả năng tiến gần hạt nhân mà
không bị lực đẩy Cu-lông nhƣ các hạt điện tích khác. Do đó, nó có thể gây ra rất nhiều
phản ứng khác nhau nhƣ phản ứng phân hạch, phản ứng (n,  ), (n,p), (n,2n), (n,  )...
nhƣng quan trọng điển hình là phản ứng bắt bức xạ và phản ứng phân hạch.
+ Phản ứng bắt bức xạ: nơtron bắn vào hạt nhân làm bia và bị bắt làm xuất hiện
hạt nhân mới ở trạng thái kích thích và có thể phóng xạ tia  :
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 18


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh
n01  Al1327  ( Al1328 ) *  00
28
Al1328  Si14
 e01   00


nguyên tố phóng xạ mới. Fermi cũng tiên đoán rằng do nơtron không mang điện tích
giống hạt  nên không chịu lực đẩy Cu-lông khi tiến gần bề mặt hạt nhân. Ông còn
nhận xét nơtron nhiệt, nơtron ở trạng thái cân bằng với vật chất ở nhiệt độ phòng, có
động năng trung bình cỡ 0,04 eV là các hạt đạn đặc biệt tiện ích khi bắn phá hạt nhân
nặng.
Tiếp tục công trình của Fermi, năm 1938, Hahn và Strassman (Đức) đã tiến hành
bắn phá dung dịch muối uranium bằng nơtron nhiệt và các ông phát hiện ra rằng dƣới
tác dụng của nơtron chậm hạt nhân 92U235 có thể bị vỡ thành hai mảnh hạt nhân có khối
lƣợng trung bình. Các mảnh này có động năng khá lớn và là những đồng vị phóng xạ
khá mạnh trong đó có một nguyên tố có tính chấ hóa học giống nhƣ Bari. Ngoài ra trong
phản ứng còn phát ra vài nơtron nữa gọi là nơtron thứ cấp (nơtron bắn vào hạt nhân gọi
là nơtron sơ cấp) và tỏa ra một năng lƣợng rất lớn.
Sau đó, Lise Meitner và cháu của bà là Firish đã chứng tỏ đƣợc rằng hạt nhân
uranium khi hấp thụ một nơtron nhiệt có thể tách ra thành hai phần bằng nhau kèm theo
giải phóng năng lƣợng. Firish gọi hiện tƣợng trên là hiện tƣợng phân hạch.
Bằng thực nghiệm và tính xác suất phân bố của số khối họ đã xác định đƣợc hai
thành phần đó chính là Bari và Krypton .
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Các quan sát chứng tỏ mỗi nơtron hấp thụ sẽ phóng xạ 2 đến 3 nơtron thứ cấp sau
khi phân hạch.
Phƣơng trình phân hạch trong thí nghiệm của Hahn – Strassman:
235

phản ứng phân hạch).
Chính những nơtron mới sinh lại tiếp tục gây ra sự phân chia mới ở những hạt
nhân lân cận trong khối nhiên liệu. Do mỗi lần phân chia có khoảng 2 đến 3 hạt nơtron
phát ra, nên số hạt nhân phân chia mỗi lúc một tăng lên. Quá trình phân hạch đƣợc duy
trì và tăng lên nhƣ trên đƣợc gọi là phản ứng dây chuyền.

Hình 2.3. Phản ứng phân hạch
Hình vẽ mô tả một phản ứng phân hạch cụ thể xảy ra trong thanh nhiên liệu của
lò phản ứng: hạt n (có thể tự phát bay ra từ một hạt nhân U nào đó) hấp thụ bởi hạt nhân
U235 và tạo thành hạt nhân hợp phần U236. Hạt nhân mới này không bền và tự phát phân
chia thành hai hạt nhân mới Kr92 và Ba141 và các hạt nơtron.
Phản ứng phân hạch là một phản ứng có lợi về mặt năng lƣợng, tức hầu nhƣ
không tốn năng lƣợng cung cấp cho “viên đạn” nơtron đầu tiên, nhƣng phát ra nhiều
năng lƣợng, đó là động năng của các mảnh vỡ và các hạt nơtron mới sinh ra, tiếp theo là
năng lƣợng của các bức xạ alpha, beta, gamma…

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 20


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

2.5.1.2. Cơ chế phân hạch
Sau khi phát hiện ra hiện tƣợng phân hạch, Bohr và Wheeler đã phát triển một
mẫu hạt nhân dựa trên sự tƣơng tự giữa hạt nhân và giọt chất lỏng tích điện để giải thích
cơ chế phân hạch.
Cơ chế phân hạch đƣợc mô tả bởi mẫu giọt, trong đó hạt nhân đƣợc xem nhƣ một

Thực nghiệm cho thấy nếu truyền cho hạt nhân một năng lƣợng đủ lớn thì nó sẽ
vỡ thành hai hay nhiều mảnh. Năng lƣợng cực tiểu cần thiết để làm vỡ hạt nhân gọi là
ngƣỡng phân hạch hay năng lƣợng kích hoạt.

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 21


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn năng lƣợng kích hoạt.
Đồ thị cho thấy giá trị năng lƣợng kích hoạt trên đƣờng cong thế năng của hạt
nhân chịu phân hạch. Trục tung thể hiện thế năng của hạt nhân, trục hoành biểu diễn
khoảng cách khối tâm hai mảnh vỡ (trƣớc khi chúng tách ra).
Ta thấy đƣờng cong đi qua một điểm cực đại tại giá trị rk nào đó. Tạo ra một bờ
thế có độ cao Ek cần phải vƣợt qua (hay xuyên đƣờng ngầm qua) trƣớc khi có phân
hạch.
Nếu nơtron đƣợc hấp thu cung cấp cho hạt nhân một năng lƣợng kích thích E n
lớn hơn năng lƣợng kích hoạt Ek (trong các trƣờng hợp có thể xuyên đƣờng ngầm thì có
thể nhỏ hơn) thì phân hạch sẽ xảy ra. Nếu năng lƣợng kích thích nhỏ hơn năng lƣợng
kích hoạt và không có hiệu ứng đƣờng ngầm xảy ra thì không có phản ứng phân hạch.
Bohr và Wheeler đã chứng minh đƣợc năng lƣợng kích hoạt Ek phụ thuộc vào tỉ
lệ

Z2
theo công thức:
A

hơn 18 thì khả năng xảy ra hiện tƣợng phân chia hạt nhân càng cao.
Quá trình phân hạch về mặt năng lƣợng có thể xảy ra đối với các hạt nhân có số
khối lƣợng lớn hơn 80. Tuy nhiên trong lò phản ứng chí xảy ra sự phân hạch của các hạt
232
242
nhân nặng từ Th 90
đến Pu 94
. Động năng nơtron, năng lƣợng liên kết của nó và độ cao
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 22


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

bờ thế năng phân hạch xác định khả năng phân hạch hạt nhân cụ thể. Các hạt nhân Th232,
U233, U235, U238 và Pu239 thƣờng đƣợc sử dụng trong lò phản ứng. Khi hấp thụ nơtron các
hạt nhân này tạo thành các hạt nhân hợp phần Th233, U234, U236 và Pu240 với năng lƣợng
kích thích tối thiểu bằng năng lƣợng liên kết của nơtron trong các hạt nhân đó. Nếu năng
lƣợng kích thích này lớn hơn năng lƣợng kích hoạt Ek thì hạt nhân xuất phát có thể bị
phân hạch khi hấp thụ nơtron với năng lƣợng bất kì. Nếu năng lƣợng kích thích nhỏ hơn
năng lƣợng kích hoạt thì quá trình phân hạch chỉ xảy ra khi động năng nơtron phải đủ
lớn để cho năng lƣợng kích thích vƣợt quá năng lƣợng kích hoạt.
Bảng 2.1. Năng lƣợng kích hoạt Ek và năng lƣợng kích thích En đối với các hạt
nhân phân hạch.
Hạt nhân
Th232
U233

Năng lƣợng này đƣợc phân bố giữa các sản phẩm phân hạch. Hạt nhẹ hơn mang phần
năng lƣợng lớn hơn. Các mảnh ở trạng thái kích thích, do đó chúng bức xạ tia  .
Các mảnh do có diện tích lớn nên gây ra sự ion hóa lớn và kích thích các phân tử
của chất truyền cho chúng năng lƣợng làm cho môi trƣờng nóng lên, tại đây có xảy ra
quá trình phân hạch. Các bức xạ khác giữ vai trò nhỏ, do đó có thể bỏ qua đƣợc. Sự có
mặt của các dòng mạnh các bức xạ và nơtron có năng suất xuyên mạnh đòi hỏi phải tạo
ra sự bảo vệ chống bức xạ.
Ngoài ra còn có các bức xạ phân hạch của các hạt nhân khác và bức xạ tự phát
nhƣng nó xảy ra ít ta có thể bỏ qua.
2.5.1.5. Đặc điểm của phản ứng phân hạch
+ Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch U235 phụ thuộc vào năng lƣợng
nơtron. Đối với nơtron nhiệt tiết diện hiệu dụng ấy gấp trăm lần lớn hơn so với nơtron
nhanh. Đối với tất cả các hạt nhân phân hạch tiết diện giảm cỡ hai bậc khi chuyển từ
nơtron nhiệt sang nơtron nhanh. Tiết diện hiệu dụng của phản ứng phân hạch cũng rất
khác nhau đối với những đồng vị của một nguyên tố.
+ Trong quá trình phân hạch, trung bình có từ 2 đến 3 nơtron thứ cấp phát ra. Các
nơtron thứ cấp có năng lƣợng từ 0 đến 10 MeV. Nhƣng phần lớn tập trung trong khoảng
từ 1 đến 2 MeV. Các mảnh vỡ phát ra trong quá trình phân hạch rất khác nhau.
+ Những mảnh vỡ nói chung rất thừa nơtron nên chúng không bền vững và chịu
phóng xạ   liên tiếp. Ta đã biết rằng quá trình phân hạch tỏ ra một năng lƣợng rất lớn
và phát ra một số nơtron thứ cấp lớn hơn số nơtron sơ cấp và đây là cơ sở để thực hiện
phản ứng dây chuyền. Chẳng hạn mỗi hạt nhân bị vỡ cho hai nơtron, thì hai hạt nhân
này có thể đi vào hai hạt nhân urani, hai hạt nhân này phân chia sẽ có bốn nơtron, bốn
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 23


Luận văn tốt nghiệp


+ Không phải mọi nơtron thứ cấp sinh ra đều có thể sử dụng đƣợc. Nghĩa là bị
các hạt nhân uran khác bắt vào để phân hạch. Vì khối uran chỉ chiếm một thể tích xác
định, nên bao giờ cũng có một số nơtron nào đó đi ra khỏi khối uran mà không bị bắt.
Các nơtron thứ cấp thƣờng có năng lƣợng lớn. Muốn phản ứng phân hạch xảy ra dễ
dàng thì cần phải làm chậm nơtron trƣớc khi nó gặp uran. Quá trình làm chậm này cũng
kèm theo sự mất một số nơtron.
+ Trong uran ngoài U235 còn có U238. Đồng vị thứ hai này bắt nơtron nhƣng
không phân hạch nghĩa là không có nơtron thứ cấp. Mặc khác U235 cũng nhƣ chất làm
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 24