IX. VẬT LÝ HẠT NHÂN

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Tính chất và cấu tạo hạt nhân.

* Cấu tạo hạt nhân

+ Hạt nhân được cấu tạo từ những hạt nhỏ hơn gọi là các nuclôn. Có hai loại nuclôn: prôtôn, kí hiệu p, khối lượng m_p = 1,67262.10^-27 kg, mang điện tích nguyên tố dương +e, và nơtron kí hiệu n, khối lượng m_n = 1,67493.10^-27 kg, không mang điện. Prôtôn chính là hạt nhân nguyên tử hiđrô.

+ Số prôtôn trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử; Z được gọi là nguyên tử số. Tổng số các nuclôn trong hạt nhân gọi là số khối, kí hiệu A. Số nơtron trong hạt nhân là: N = A – Z.

+ Kí hiệu hạt nhân: . Nhiều khi, để cho gọn, ta chỉ cần ghi số khối, vì khi có kí hiệu hóa học thì đã xác định được Z.

* Đồng vị

     Đồng vị là những nguyên tử mà hạt nhân chứa cùng số prôtôn Z (có cùng vị trí trong bảng hệ thống tuần hoàn), nhưng có số nơtron N khác nhau.

     Các đồng vị được chia làm hai loại: đồng vị bền và đồng vị phóng xạ. Trong thiên nhiên có khoảng gần 300 đồng vị bền; ngoài ra người ta còn tìm thấy vài nghìn đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo.

* Đơn vị khối lượng nguyên tử

     Trong vật lí hạt nhân, khối lượng thường được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử, kí hiệu là u. Một đơn vị u có giá trị bằng  khối lượng của đồng vị cacbon C; 1 u = 1,66055.10^-27 kg.

     Khối lượng của một nuclôn xấp xĩ bằng u. Nói chung một nguyên tử có số khối A thì có khối lượng xấp xĩ bằng A.u.

* Khối lượng và năng lượng

     Hệ thức Anhxtanh giữa năng lượng và khối lượng: E = mc².

     Từ hệ thức Anhxtanh suy ra m =  chứng tỏ khối lượng có thể đo bằng đơn vị của năng lượng chia cho c², cụ thể là eV/c² hay MeV/c². Ta có:            1 u = 1,66055.10^-27 kg = 931,5 MeV/c².

     Theo lí thuyết của Anhxtanh, một vật có khối lượng m₀ khi ở trạng thái nghỉ thì khi chuyển động với tốc độ v, khối lượng sẽ tăng lên thành m với: m =  trong đó m₀ gọi là khối lượng nghỉ và m gọi là khối lượng động.

* Lực hạt nhân

     Lực tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là lực hút, gọi là lực hạt nhân, có tác dụng liên kết các nuclôn lại với nhau. Lực hạt nhân không phải là lực tĩnh điện, nó không phụ thuộc vào điện tích của nuclôn. So với lực điện từ và lực hấp dẫn, lực hạt nhân có cường độ rất lớn (gọi là lực tương tác mạnh) và chỉ tác dụng khi 2 nuclôn cách nhau một khoảng bằng hoặc nhỏ hơn kích thước hạt nhân (khoảng 10^-15 m).

* Độ hụt khối và năng lượng liên kết

+ Độ hụt khối của một hạt nhân là hiệu số giữa tổng khối lượng của các nuclôn cấu tạo nên hạt nhân và khối lượng hạt nhân đó: Dm = Zm_p + (A – Z)m_n – m_hn

+ Năng lượng liên kết của hạt nhân là năng lượng toả ra khi các nuclôn riêng rẽ liên kết thành hạt nhân và đó cũng là năng lượng cần cung cấp để phá vở hạt nhân thành các nuclôn riêng rẽ:  W_lk = Dm.c².

+ Năng lượng liên kết tính cho một nuclôn e =  gọi là năng lượng liên kết riêng của hạt nhân, đặc trưng cho sự bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

2. Phản ứng hạt nhân.

* Phản ứng hạt nhân

+ Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

+ Phản ứng hạt nhân thường được chia thành hai loại:

- Phản ứng tự phân rã một hạt nhân không bền vững thành các hạt khác.

- Phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác với nhau, dẫn đến sự biến đổi chúng thành các hạt khác.

     Phản ứng hạt nhân dạng tổng quát: A + B  ® C + D

* Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

 + Định luật bảo toàn số nuclôn (số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nuclôn của các hạt tương tác bằng tổng số nuclôn của các hạt sản phẩm.

+ Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm.

+ Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần (bao gồm động năng và năng lượng nghỉ): Tổng năng lượng toàn phần của các hạt tương tác bằng tổng năng lượng toàn phần của các hạt sản phẩm.

+ Định luật bảo toàn động lượng: Véc tơ tổng động lượng của các hạt tương tác bằng véc tơ tổng động lượng của các hạt sản phẩm.

+ Lưu ý: trong phản ứng hạt nhân không có sự bảo toàn khối lượng.

* Năng lượng trong phản ứng hạt nhân

     Xét phản ứng hạt nhân: A + B  ® C + D.

Gọi m_o = m_A + m_B và m = m_C + m_D. Ta thấy m₀ ¹ m.

+ Khi m₀ > m: Phản ứng tỏa ra một năng lượng: W = (m₀ – m)c². Năng lượng tỏa ra này thường gọi là năng lượng hạt nhân. Các hạt nhân sinh ra có độ hụt khối lớn hơn các hạt nhân ban đầu, nghĩa là các hạt nhân sinh ra bền vững hơn các hạt nhân ban đầu.

+ Khi m₀ < m: Phản ứng không thể tự nó xảy ra. Muốn cho phản ứng xảy ra thì phải cung cấp cho các hạt A và B một năng lượng W dưới dạng động năng. Vì các hạt sinh ra có động năng W_đ nên năng lượng cần cung cấp phải thỏa mãn điều kiện: W = (m – m₀)c² + W_đ. Các hạt nhân sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn các hạt nhân ban đầu, nghĩa là kém bền vững hơn các hạt nhân ban đầu.

* Hai loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng

+ Hai hạt nhân rất nhẹ (A < 10) như hiđrô, hêli, … kết hợp với nhau thành một hạt nhân nặng hơn. Vì sự tổng hợp hạt nhân chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cao nên phản ứng này gọi là phản ứng nhiệt hạch.

+ Một hạt nhân nặng vỡ thành hai mãnh nhẹ hơn (có khối lượng cùng cỡ). Phản ứng này gọi là phản ứng phân hạch.

3. Phóng xạ.

* Hiện tượng phóng xạ

     Phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác.

     Quá trình phân rã phóng xạ chỉ do các nguyên nhân bên trong gây ra và hoàn toàn không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài.

     Người ta quy ước gọi hạt nhân phóng xạ là hạt nhân mẹ và các hạt nhân dược tạo thành là hạt nhân con.

* Các tia phóng xạ

+ Tia a: là chùm hạt nhân hêli He, gọi là hạt a, được phóng ra từ hạt nhân với tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s. Tia a làm ion hóa mạnh các nguyên tử trên đường đi của nó và mất năng lượng rất nhanh. Vì vậy tia a chỉ đi được tối đa 8 cm trong không khí và không xuyên qua được tờ bìa dày  1 mm.

+ Tia b: là các hạt phóng xạ phóng ra với vận tốc rất lớn, có thể đạt xấp xĩ bằng vận tốc ánh sáng. Tia b cũng làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn so với tia a. Vì vậy tia b có thể đi được quãng đường dài hơn, tới hàng trăm mét trong không khí và có thể xuyên qua được lá nhôm dày cỡ vài mm.

     Có hai loại tia b:    

- Loại phổ biến là tia b^-. Đó chính là các electron (kí hiệue).

- Loại hiếm hơn là tia b⁺. Đó chính là pôzitron, kí hiệu làe, có cùng khối lượng như electron nhưng mang điện tích nguyên tố dương.

+ Tia g: là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (dưới 10^-11 m), cũng là hạt phôtôn có năng lượng cao. Vì vậy tia g có khả năng xuyên thấu lớn hơn nhiều so với tia a và b. Trong phân rã a và b, hạt nhân con có thể ở trong trạng thái kích thích phóng ra tia g để trở về trạng thái cơ bản.

* Định luật phóng xạ :

     Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian theo định luật hàm mũ với số mũ âm.

     Các công thức biểu thị định luật phóng xạ: N(t) = N₀ = N₀ e^-lt  và  m(t) = m₀ = m₀ e^-lt.

     Với l = gọi là hằng số phóng xạ; T gọi là chu kì bán rã: sau khoảng thời gian T số lượng hạt nhân chất phóng xạ còn lại 50% (50% số lượng hạt nhân bị phân rã).

 

* Độ phóng xạ

     Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của nó, được xác định bởi số hạt nhân bị phân rã trong 1 giây: H = -  = lN = l N₀= lN₀e^-lt  = H₀= H₀e^-lt .

     Đơn vị đo độ phóng xạ là becơren (Bq): 1 Bq = 1 phân rã/giây. Trong thực tế còn dùng đơn vị curi (Ci): 1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq, xấp xĩ bằng độ phóng xạ của một gam rađi.

* Đồng vị phóng xạ

    Ngoài các đồng vị phóng xạ có sẵn trong thiên nhiên, gọi là đồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta cũng chế tạo được nhiều đồng vị phóng xạ, gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo thường thấy thuộc loại phân rã b và g. Các đồng vị phóng xạ của một nguyên tố hóa học có cùng tính chất hóa học như đồng vị bền của nguyên tố đó.

     Ứng dụng: Đồng vị Co phóng xạ tia g dùng để soi khuyết tật chi tiết máy, diệt khuẫn để bảo vệ nông sản, chữa ung thư. Các đồng vị phóng xạ X được gọi là nguyên tử đánh dấu, cho phép ta khảo sát sự tồn tại, sự phân bố, sự vận chuyển của nguyên tố X. Phương pháp nguyên tử đáng dấu có nhiều ứng dụng quan trọng trong sinh học, hóa học, y học, ... . Đồng vị cacbon C phóng xạ tia b^-  có chu kỳ bán rã 5730 năm được dùng để định tuổi các vật cổ.

4. Phản ứng phân hạch - Phản ứng nhiệt hạch.

 * Sự phân hạch

     Dùng nơtron nhiệt (còn gọi là nơtron chậm) có năng lượng cở 0,01 eV bắn vào ²³⁵U ta có phản ứng phân hạch: n + U ® X₁ + X₂ + kn

     Đặc điểm chung của các phản ứng phân hạch: sau mỗi phản ứng đều có hơn hai nơtron được phóng ra, và mỗi phân hạch đều giải phóng ra năng lượng lớn. Người ta gọi đó là năng lượng hạt nhân.

* Phản ứng phân hạch dây chuyền

+ Các nơtron sinh ra sau mỗi phân hạch của urani (hoặc plutoni, …) lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân urani (hoặc plutoni, …) khác ở gần đó, và cứ thế, sự phân hạch tiếp diễn thành một dây chuyền. Số phân hạch tăng lên rất nhanh trong một thời gian rất ngắn, ta có phản ứng phân hạch dây chuyền.

+ Điều kiện xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền: muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới số nơtron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch (còn gọi là hệ số nhân nơtron) có thể gây ra phân hạch tiếp theo.

- Nếu k < 1 thì phản ứng dây chuyền không xảy ra.

- Nếu k = 1 thì phản ứng dây chuyền tiếp diễn nhưng không tăng vọt, năng lượng tỏa ra không đổi và có thể kiểm soát được. Đó là chế độ hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân.

- Nếu k > 1 thì dòng nơtron tăng liên tục theo thời gian, phản ứng dây chuyền không điều khiển được, năng lượng tỏa ra có sức tàn phá dữ dội (dẫn tới vụ nổ nguyên tử).

     Để giảm thiểu số nơtron bị mất vì thoát ra ngoài nhằm đảm bảo có k ³ 1, thì khối lượng nhiên liệu hạt nhân phải có một giá trị tối thiểu, gọi là khối lượng tới hạn m_th. Với ²³⁵U thì m_th vào cỡ 15 kg; với ²³⁹Pu thì m_th vào cỡ 5 kg.

* Phản ứng nhiệt hạch

     Khi hai hạt nhân nhẹ kết hợp lại để tạo nên một hạt nhân nặng hơn thì có năng lượng tỏa ra. Ví dụ: H + H ® He + n  + 4 MeV.

     Phản ứng kết hợp hạt nhân chỉ xảy ra ở nhiệt đô rất cao nên mới gọi là phản ứng nhiệt hạch.

* Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ

     Phản ứng nhiệt hạch trong lòng Mặt Trời và các ngôi sao là nguồn gốc năng lượng của chúng.

* Thực hiện phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất

     Trên Trái Đất, con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng không kiểm soát được. Đó là sự nổ của bom nhiệt hạch hay bom H (còn gọi là bom hiđrô hay bom khinh khí).

     Vì năng lượng tỏa ra trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn năng lượng tỏa ra trong phản ứng phân hạch rất nhiều nếu tính theo khối lượng nhiên liệu, và vì nhiên liệu nhiệt hạch có thể coi là vô tận trong thiên nhiên, nên một vấn đề quan trọng đặt ra là: làm thế nào để thực hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng kiểm soát được, để đảm bảo cung cấp năng lượng lâu dài cho nhân loại.