›
›

Bài giảng Cấu trúc hạt nhân

doc 36 trang phuongnguyen 50
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu trúc hạt nhân", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docbai_giang_cau_truc_hat_nhan.doc

Nội dung text: Bài giảng Cấu trúc hạt nhân

  1. Trang 1 Bài giảng Cấu trúc hạt nhân
  2. Trang 2 MỤC LỤC 1.1. Cấu trúc hạt nhân 3 1.1.1. Nguyên tử 3 1.1.2. Các mẫu hạt nhân 4 1.1.3. Bảo tồn số khối 5 1.1.4. Hĩa tính 6 1.2. Năng lượng hạt nhân 10 1.2.1. Khối lượng nguyên tử 10 1.2.2. Tương đương giữa khối lượng và năng lượng 11 1.2.3. Năng lượng liên kết 13 1.3. Tính bền vững của hạt nhân 16 1.3.1. Tỉ số N / Z 17 1.3.2. Tính bền của các nguyên tố nặng nhất 18 1.3.3. Sự khử kích thích 19 1.3.4. Hằng số phân rã 20 1.4. Phân rã hạt nhân 22 1.4.1. Bức xạ Alpha 23 1.4.2. Bức xạ Beta 23 1.4.3. Phân rã Gamma và sự biến đổi Electron 24 1.4.4. Neutron 25 1.5. Phản ứng hạt nhân 26 1.5.1. Bảo tồn Lực 28 1.5.2. Năng lượng phản ứng 29 1.5.3. Năng lượng ngưỡng 29 1.5.4. Các loại phản ứng 30
  3. Trang 3 Chương I: ĐỒNG VỊ BỀN VÀ ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Phân tích kích hoạt thường được xem là một phương pháp phân tích các nguyên tố hĩa hoc. Nĩ khơng tiến hành từ việc sản xuất các đổng vị phĩng xạ do phản ứng giữa nguyên tử với các đồng vị bền của những phần tử trong mẫu thử, sau đĩ đo lường các tia phĩng xạ phát ra từ các đồng vị phĩng xạ mong muốn. Mà các nguyên tắc của phân tích kích hoạt phĩng xạ bắt nguồn từ các nguyên tắc của cấu trúc nguyên tử và hạt nhân, các đồng vị phĩng xạ bền, sự chuyển đổi nguyên tử, các đặc tính bức xạ của các đồng vị phĩng xạ, và sự tương tác giữa các tia phĩng xạ này với vật chất. Những tương tác trên cho phép đo định lượng các sản phẩm kích hoạt phĩng xạ. Tuy nhiên, phương pháp phân tích kích hoạt khơng nhất thiết phải giới hạn trong phân tích hĩa học, nĩ cũng được đề cập tới một phạm vi rộng hơn bao gồm việc sản xuất và đo lường các đồng vị phĩng xạ trong nhiều tài liệu về các thành phần được biết đến. Ví dụ như kích hoạt phĩng xạ được sử dụng cho các nghiên cứu phản ứng hạt nhân, cho thơng lượng và đo lường cường độ tia, của thí nghiệm tìm kiếm dấu vết đồng vị bền, và cho quá trình kỉ thuật cao kiểm tra. Các nguyên tắc kích hoạt phĩng xạ và đo lường bức xạ vẫn khơng thay đổi trong các hướng phân tích, đo liều lượng, và sử dụng nguyên tố đánh dấu. Để xây dựng thành cơng các ứng dụng phân tích kích hoạt trong các lãnh vực này địi hỏi sự hiểu biết khoa học về các nguyên tắc hạt nhân thích hợp cho các vấn đề như: cấu trúc hạt nhân, năng lượng hạt nhân, tính bền của hạt nhân, phĩng xạ hạt nhân, và phản ứng hạt nhân. 1.1. Cấu trúc hạt nhân 1.1.1. Nguyên tử Là những phần tử tồn tại trong khơng gian và tạo thành nên chất. Chất, lần lượt là một dạng phần tử đồng nhất cĩ kết cấu hĩa học nhất định và tạo thành các nguyên tố hĩa học và các hợp chất của chúng. Mỗi chất được đặc trưng bởi tính chất cụ thể, như tan chảy và điểm sơi và độ tan. Từ 500 năm trước cơng nguyên, con người
  4. Trang 4 đã tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu một đối tượng được chia thành hai phần khơng xác định. Người Hy Lạp mặc nhiên cơng nhận rằng cuối cùng người ta sẽ đến với các đơn vị nhỏ nhất của vật chất và gọi nĩ là ατομοσ (a-to-mos), từ đĩ từ “nguyên tử” được suy ra. Khoảng 2000 năm sau, năm 1803, Dalton đưa ra phép tính thực tế cho các phân tử hĩa học và nguyên tử. Chúng ta biết về các phân tử như các phần tử nhỏ nhất của vật chất với những đặc tính đặc trưng của một hợp chất hĩa học và các liên kết electron của các nguyên tử. Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hĩa học. Bảng tuần hồn các nguyên tố hĩa học, bao gồm 105 nguyên tố, các phần tử cuối cùng trong số đĩ được phát hiện vào năm 1970. Các chu kỳ của các nguyên tố hĩa học đã được giải thích thành cơng trên cơ sở cấu trúc nguyên tử, các kiến thức trong đĩ đã phát triển chủ yếu trong thế kỷ này. Mẫu cổ điển hiện nay của nguyên tử chính là một hạt nhân cố định được bao quanh bởi các điện tử mang điện tích âm, trong nguyên tử trung tính, với số lượng thích hợp của các electron mang điện tích âm ở vỏ đã phát triển hơn 60 năm trước. Các chu kỳ của lớp electron của nguyên tử là nền tảng cho các tính chất hĩa học của các phân tử và các khái niệm về electron hĩa trị, liên kết ion, và liên kết cộng hĩa trị. Với mẫu này chúng ta cũng hiểu các dữ liệu quang phổ, phát xạ X-ray, hiệu ứng quang điện, và các hiện tượng khác của vật lý nguyên tử. 1.1.2. Các mẫu hạt nhân Các mẫu hạt nhân của nguyên tử xuất hiện vào năm 1911. Rutherford mặc nhiên cơng nhận một mẫu nguyên tử mà yêu cầu các điện tích dương và hầu hết khối lượng của nguyên tử được chứa trong một hạt nhân nhỏ hơn đường kính 10 -12 cm, với một số lượng electron vừa đủ để cân bằng điện tích dương của hạt nhân, phân phối trên kích thước nguyên tử biết là cĩ thứ tự của đường kính 10-8 cm. Cho đến năm 1932, Chadwick khám phá ra nơtron, nĩ là hạt mới được phát ra từ hạt nhân. Hạt mới này là rất quan trọng trong vật lý hạt nhân, dung để nghiên cứu trong phân tích kích hoạt (và bỏ qua những cải tiến của meson và vật lý hạt cơ bản khơng ổn định), cho rằng chỉ cĩ các proton và nơtron là cấu tạo nên hạt nhân. Ta xem như proton và nơtron
  5. Trang 5 như là những hạt vật chất tương đương ( gọi là nucleon) và khối lượng của hạt nhân tỉ lệ với số nucleon hiện tại (A), chúng ta cĩ thể diễn được bán kính của hạt nhân bởi cơng thức thực nghiệm: 1/3 R = R0 A Trong đĩ R0 là một hằng số. Giá trị của R 0 cĩ thể đo được từ thực nghiệm cĩ giá trị từ 1,2 đến 1.6x10 -13. Giá trị trung bình 1.4x10-13 cm là giá trị thích hợp được sử dụng cho mục đích của chúng ta. 1.1.3. Bảo tồn số khối Nhiều định luật bảo tồn cổ điển của vật lý đã được sửa đổi trong thế kỷ này, đáng chú ý trong số đĩ là những định luật bảo tồn độc lập khối lượng và năng lượng. Những định luật khác liên quan đến khái niệm bắt nguồn từ các sàng lọc của vật lý hạt nhân được đề cập trước đĩ. Chúng được chuyển đổi trong nhiều sách giáo khoa vật lý hạt nhân. Tuy nhiên, một trong những định luật thành cơng nhất là định luật bảo tồn số nucleon (proton và nơtron) trong tất cả các hạt nhân nguyên tử, trong tất cả các quá trình phân rã phĩng xạ, và trong tất cả các phản ứng hạt nhân quan tâm. Định luật bảo tồn này cho phép chúng ta xây dựng một bảng các chất đồng vị từ mẫu "thực tế" hạt nhân, phần nào tương tự như bảng tuần hồn các nguyên tố. Bảng 1.1 Các thuật ngữ dùng trong cấu trúc nguyên tử Hạt nhân Một thành phần của hạt nhân nguyên tử là proton hoặc nơtron trong mẫu hạt nhân thực tế. Số hiệu nguyên tử Là một đặc tính hĩa học được đưa ra bởi số lượng của proton (Z) trong hạt nhân. Số khối Tổng khối lượng của hạt nhân trong nguyên tử (A=Z+N), được sử dụng trong việc thay đổi khối lượng nguyên tử và là số nguyên. Khối lượng nguyên tử Khối lượng thực của một nguyên tử liên quan đến 12C, là nguyên tố được xác định cĩ khối lượng nguyên tử là
  6. Trang 6 12x107 đơn vị là amu; ví dụ, 4He cĩ khối lượng 4.0026036 amu Đồng vị (chất phĩng Một hợp chất của các hạt nhân bền và tồn tại trong suốt xạ) quá trình đo. Một nguyên tố được đặc trưng bởi số lượng nguyên tử, số khối và động năng của nĩ. Hiện nay, nguyên tố đươc sử dụng trong quá trình hốn đổi 2 12C 90Sr đồng vị; ví dụ là những nguyên tố 1 H , 6 , và 38 . Đồng vị Các đồng vị cĩ số lượng nguyên tử xác định nhưng số khối khác nhau, cĩ nghĩa là, các đồng vị cĩ cùng số 12 13 proton, nhưng số notron khác nhau, ví dụ 6 C , 6 C , và 14 6 C và là đồng vị của Cacbon Hạt nhân gương Các đồng vị cĩ cùng số khối nhưng khác số lượng 90 Kr 90 Rb 90 Sr nguyên tử, ví dụ như 36 , 37 , and 38 là các nguyên tố đồng lượng. Đồng vị Các đồng vị cĩ cùng cấu tạo nguyên tử, cùng số lượng proton và nơtron, chỉ khác nhau về nội năng. Đồng vị cĩ nội năng lớn hơn được xem như là đồng vị bền vững hơn, được thể hiện bởi m theo sau số khối, ví dụ 60 60m 27 Co và 27 Co là đồng vị. 1.1.4. Hĩa tính Hiện tượng phân rã phĩng xạ, trong đĩ một nguyên tử của một nguyên tố hĩa học thay đổi một cách tự nhiên thành một nguyên tử của nguyên tố khác, và các hiện tượng phản ứng hạt nhân, trong đĩ thay đổi như vậy cĩ thể được gây ra, nhấn mạnh sự phân chia của các khái niệm về đặc tính hĩa học và tính chất hĩa học. Các tính chất hĩa học của một nguyên tử cĩ liên quan đến số lượng của các electron hĩa trị tham gia vào tổ hợp hĩa học của nĩ, trong khi đặc tính hĩa học của một nguyên tử cĩ liên quan
  7. Trang 7 đến số lượng các electron cĩ trong nguyên tử trung tính. Từ quan điểm hạt nhân, đặc tính hĩa học của một nguyên tử cĩ thể được đưa ra bởi những số nguyên tử của nguyên tố này. Trong quá trình hạt nhân, sự thay đổi về số lượng proton trong hạt nhân, dẫn đến sự thay đổi tính chất hĩa học của nguyên tử, thậm chí trước khi các electron chuyển đổi, phải trải qua thời gian điều chỉnh để thay đổi điện tích hạt nhân. Vì vậy, thuận tiện để xác định đặc tính hĩa học (số nguyên tử) của một nguyên tử hay phần tử bằng số proton (Z) trong hạt nhân. Cấu Trúc Nguyên Tử Hình 1.1: Đồng vị của một vài nguyên tố, minh họa cho thành phần hạt nhân của 1/3 các đồng vị phĩng xạ bền. Các hạt nhân được vẽ với bán kính tỉ lệ với R0A . Các đồng vị 31P là một ví dụ của một đồng vị bền đồng vị đơn của một phần tử Các điện tích hạt nhân (Q) được cho bởi Q = Ze (2) Trong đĩ e là điện tích electron với một giá trị của 4.803x10 -10 esu. Giá trị của electron được xác định bằng thực nghiệm, và vì thế electron của nguyên tử khơng thể
  8. Trang 8 xác định được chính xác. Kể từ khi số nguyên tử của hạt nhân được đưa ra bởi các số nguyên của các proton trong hạt nhân, là một trong những thơng số đặc trưng của các hạt nhân được biết một cách chính xác. Cịn lại là số nơtron (N). Số khối (A) được cho bởi số lượng các nucleon trong hạt nhân: A = Z + N (3) Để thuận tiện cho một số thuật ngữ phổ biến của cấu trúc hạt nhân được đưa ra như là một thuật ngữ trong bảng 1.1. Các nơtron cĩ thể được coi là "phần tử" đầu tiên với Z = 0, N = 1, và A = 1. Proton là hạt nhân của nguyên tử hydro với Z = 1, N = 0, A = 1. Hydro nặng, các Đơteri đồng vị bền, bao gồm một proton và nơtron kết hợp với nhau. Nĩ là Hydro với Z= 1, nhưng với N = 1 và A = 2. Vì thế, nặng khoảng gấp đơi Hydro thơng thường. Đồng vị nặng nhất của hydro, đồng vị phĩng xạ Tritium, cho đến Hydro với Z = 1, nhưng với N = 2 và A = 3. Các đồng vị được thể hiện trong hình 1.1 cùng với một số đồng vị của Cacbon, Phốt pho, và Clo. 1 1 Cách viết tắt trong nguyên tử biểu diễn hạt nhân nơtron là 0 n , proton là 1 p , 1 2 3 các nguyên tử hydro trung tính như 1 H , Đơteri là 1 H , và Triti là 1 H . Phương thức này đưa ra các ký hiệu hĩa học của phần tử, các số nguyên tử (Z) là một chỉ số dưới trước, và số khối (A) xác định các đồng vị đặc biệt của phần tử như là một chỉ số trên trước, theo quy ước quốc tế. Ở một số nước và trong nhiều tài liệu cũ, số khối được cho là một chỉ số trên, ví dụ, các đồng vị Triti thường được tìm thấy trong các mẫu 3H. Vì số lượng nguyên tử xác định các ký hiệu hĩa học và do đĩ khơng cần thiết, chỉ số này thường bị bỏ qua trong các hạt nhân được đưa ra. Bảng 1.2 Bảng 1.2 Thành phần hạt nhân của đồng vị đơn bền của các nguyên tố (f = 1.00) Nguyên tố hĩa Số lượng Số lượng Tỉ lệ (N/Z) Số khối (A) Ký kiệu học nguyên nơtron (N) Đồng vị tử (Z) Bery 4 5 1.250 9 9Be
  9. Trang 9 Flour 9 10 1.111 19 19F Natri 11 12 1.091 23 23Na Nhơm 13 14 1.077 27 27Al Phốt pho 15 16 1.067 31 31P Scan-đi 21 24 1.143 45 45Sc Mangan 25 30 1.200 55 55Mn Coban 27 32 1.185 59 59Co Asen 33 42 1.273 75 75As Ytri 39 50 1.282 89 89Y Niobi 41 52 1.268 93 93Nb Ro-đi 45 58 1.289 103 103Rh Iốt 53 74 1.396 127 127I Cesi 55 78 1.418 133 133Cs Prasodim 59 82 1.390 141 141Pr Tebi 65 94 1.446 159 159Tb Honmi 67 98 1.478 165 165Ho Tuli 69 100 1.450 169 169Tm Vàng 79 118 1.495 197 197Au Bitmut 83 126 1.520 209 209Bi đưa ra thêm ví dụ về những thành phần hạt nhân, các nguyên tố đĩ tạo thành đồng vị bền duy nhất của các yếu tố được liệt kê. Đối với các đồng vị, sự phong phú đồng vị, f = 100%. Nhìn chung, đồng vị đơn của nguyên tố bền thể hiện vấn đề đơn giản hơn trong phân tích kích hoạt cho các yếu tố đĩ. Một danh sách đầy đủ của các đồng vị bền và phĩng xạ được biết đến được đưa ra trong nhiều đồ thị của đồng vị cĩ sẵn (xem các hình trong mục 1.6).
  10. Trang 10 1.2. Năng lượng hạt nhân 1.2.1. Khối lượng nguyên tử Khối lượng nguyên tử của các nguyên tố được xác định ban đầu từ các tính tốn của tổ hợp hĩa học và sau đĩ bằng phương pháp vật lý. Các hỗn hợp đồng vị tự nhiên của Oxy đã được thơng qua như là tiêu chuẩn với giá trị chính xác là 16 đơn vị khối lượng. Oxy tự nhiên nặng khoảng 16 lần Hydro tự nhiên, nguyên tố nhẹ nhất được biết đến. Vì vậy, Hydro, bằng cách so sánh, được xem là cĩ khối lượng nguyên tử của một đơn vị. Tuy nhiên, các nguyên tố như Clo cĩ một số đồng vị bền nổi bật, cĩ khối lượng nguyên tử khơng khả thi. Clo, bao gồm bản chất của 75,53% 35Cl và 24,47% 37Cl, được dự kiến cĩ trọng lượng nguyên tử (0.7553 x 35) + (0,2447 x 37) = 35,4894 (4) Khối lượng nguyên tử thực tế của Clo là 35,453, nhẹ hơn 0,036 đơn vị tính tốn ở trên. Sự khác biệt rõ ràng là một phần thực tế dẫn tới 35Cl khơng cĩ trọng lượng chính xác là 35 đơn vị khối lượng so với 16 đơn vị khối lượng của Oxy, hay 37Cl cũng khơng nặng chính xác 37 đơn vị khối lượng, và một phần thực tế là Oxy tự nhiên chứa khoảng 0,0374% đồng vị 17O và khoảng 0,2039% đồng vị 18O. Thành phần này cĩ thể khác nhau cho các nguồn Oxy khác nhau. Quy mơ vật lý trọng lượng nguyên tử cũng đưa ra khối lượng chính xác của một đồng vị 16O là 16 đơn vị khối lượng. Do đồng vị 17O và 18O trong Oxy tự nhiên, giá trị số của khối lượng nguyên tử trên quy mơ hĩa học tính được nhỏ hơn (khoảng 0,032%) so với giá trị tính được theo quy mơ vật lý. Để loại bỏ sự nhầm lẫn kết quả giữa hai quy mơ, một tiêu chuẩn mới cho khối lượng nguyên tử quốc tế đã được thơng qua vào năm 1961, trong đĩ một hạt nhân của 12C được định nghĩa là cĩ khối lượng chính xác 12 đơn vị khối lượng nguyên tử (amu). Do 12C chiếm 98,89% của carbon tự nhiên, quy mơ hĩa học của khối lượng nguyên tử chỉ khoảng 0,005% khác với quy mơ 12C mới và cả hai, cho tất cả các mục đích thực tế, được xem là như nhau. Cẩn thận được thực hiện trong việc sử dung giá trị khối lượng từ lý thuyết đề ra trước năm 1961.
  11. Trang 11 Đơn vị khối lượng nguyên tử là rất nhỏ trên phạm vi trọng lượng bình thường, Số Nguyên tố hĩa học Số khối Đồng vị phĩng Khối lượng hạt nhân 1 amu là số lượng tương đương với các đối ứng của số Avogadro (quy định tại mục 2.1.3): 1 1a m u 1 .6 6 0 1 0 2 4 g (5) 6 .0 2 3 1 0 2 3 nên đơn nguyên tử 12C cĩ trọng lượng 2x10-23g. Mỗi đồng vị cĩ cả hai đặc tính số khối A (số lượng nucleon trong các hạt nhân) và khối lượng đẳng hướng M, amu, 12C = 12 amu. 1.2.2. Tương đương giữa khối lượng và năng lượng Năm 1905, Einstein trong việc phát triển lý thuyết tương đối của mình đã đi đến kết luận rằng tính chất của khối lượng M và năng lượng E là tương đương với nhau. Ơng đã cho thấy rằng sự tương đương cĩ thể được thể hiện bởi phương trình E = Mc2 (6) Trong đĩ c là tốc độ ánh sáng (3.0 x 1010 cm/giây trong chân khơng). Năng lượng sinh ra trong cơng thức trên đĩ là năng lượng được dự trữ trong khối lượng M. Từ cơng thức trên ta thấy sự biến đổi về khối lượng thì tương đương với sự biến đổi về năng lượng: 2 E Mc (7) Năng lượng chứa trong 1 amu được cho bởi 24 10 2 3 E 1.66 10 (3 10 ) 1.49 10 erg (8) Trong vật lý hạt nhân, các đơn vị năng lượng được biểu diễn bằng electron Volt (eV), eV là năng lượng thu được do một electron tạo ra điện năng 1V. Sự thay đổi năng lượng của các quá trình hạt nhân thường được tính theo đơn vị Kilo electron Volt
  12. Trang 12 nguyên ( A) xạ (amu) tử (Z) 0 Neutron 1 1n 1.008665 1 Hydrogen 1 1H 1.007825 1 Hydrogen 2 2H 2.014102 1 Hydrogen 3 3H 3.016049 2 Helium 3 3He 3.016030 2 Helium 4 4He 4.002604 3 Lithium 6 6Li 6.015126 6 Carbon 11 11C 11.011433 6 Carbon 12 12C 12.000000 6 Carbon 13 13C 13.003354 6 Carbon 14 14C 14.003242 7 Nitrogen 14 14N 14.003074 8 Oxygen 16 16O 15.994915 11 Sodium 23 23Na 22.899773 11 Sodium 24 24Na 23.990967 12 Magnesium 24 24Mg 23.985045 12 Magnesium 27 27 Mg 26.984345 13 Aluminum 27 27 Al 26.981535 15 Phosphorous 32 32 P 31.973908 16 Sulfur 32 32 S 31.972074 17 Chlorine 35 35 Cl 34.968854 Bảng 1.3 Khối lượng hạt nhân cho các đồng vị phĩng xạ: Phỏng theo L.A.Kưnig, J.E.H.Mattauch, và A.H.Wapstra, Bảng khối lượng đồng vị phĩng xạ 1961, Vật lý hạt nhân 31,18 (năm 1962). 1 Kilo electron Volt (1KeV = 103eV) và 1 triệu electron Volt (1 MeV = 106 eV). 1 eV = 1.602 10-12 erg = 3.829 10-20 cal (9) 1 MeV = 1.602 10-6 erg = 3.829 10-14 cal (10) Từ những chuyển đổi các nguồn năng lượng kết hợp với những thay đổi trong khối lượng cĩ thể được tính bằng MeV. Do đĩ, năng lượng của 1 khối lượng nguyên tử được tính: MeV E = 1.493 10-3 erg 6.25 105 = 931.4 MeV (11) erg
  13. Trang 13 Ví dụ, khối lượng nghỉ của một electron( 1 electron với động năng bằng khơng là mo = 0.005486 amu và năng lượng của một electron ở đĩ là : MeV E = 0.005486 amu 931.4 = 0.51 MeV) (12) amu Năng lượng thay đổi liên quan với những phản ứng hĩa học thơng thường mang đến kết quả là trong độ biến thiên khối lượng thay đổi rất nhỏ để phát hiện thậm chí là với những cân bằng nhạy nhất. Phản ứng hĩa học mãnh liệt là: H + F HF + E (13) Kết quả trong phản ứng trên giải phĩng ra E = 64.200 cal / mol của HF. Sự mất trọng lượng của 20g của HF sẽ được. E 6 .4 2 1 0 4 ca l M 4 .1 9 1 0 7 erg / ca l c 2 9 1 0 2 0 erg / g = -2.98 10-9 g (14) Sự thay đổi của khối lượng = (2.98 10-9)/20 100= 1.49 10-8 % Trong phản ứng hạt nhân năng lượng thay đổi trên mỗi nguyên tử là rất lớn - so với các hệ thống hĩa học, thường trong khoảng KeV đến MeV trên mỗi nguyên tử; ví dụ, nếu, theo giả thuyết, mỗi nguyên tử của flo trong 20g của HF hấp thụ tia gamma 1MeV, độ biến thiên khối lượng của HF sẽ được: m = 1MeV/nguyên tử 6.023 1023 nguyên tử /g- nguyên tử 1.78 10-27g/MeV = 1.07 10-3g (15) Điều này đạt được trọng lượng ( ½ %) sẽ dễ dàng phát hiện. 1.2.3. Năng lượng liên kết Sự thay đổi thành phần hạt nhân (Z + N) kết quả là làm thay đổi trong năng lượng bởi vì các lực liên kết hạt nhân thay đổi. Khi quan sát các đồng vị phĩng xạ bền trong tự nhiên thì các lực hạt nhân đáp ứng hai yêu cầu: 1. Lực hạt nhân phải đủ mạnh để vượt qua các lực đẩy Coulomb của nhiều proton tích điện dương trong hạt nhân.
  14. Trang 14 2. Lực hạt nhân phải cĩ khoảng cách ngắn trong kích thước hạt nhân nếu khơng sẽ khơng tồn tại. Do đĩ, lực giữa một neutron tự do và proton tự do khơng quá lớn như các lực giữ neutron và proton liên kết với nhau trong một hạt nhân Đơteri. Tương tự, các lực giữa hai hạt nhân Đơteri tự do này nhỏ hơn các lực liên kết giữ các hạt nhân Heli với nhau. Trong thực tế, phản ứng hạt nhân là sự "hợp nhất" của hai Deuteron để tạo thành một hạt nhân lớn hơn với số lượng cĩ ích cĩ kiểm sốt để phát điện là những mục tiêu của điện nhiệt hạch. Năng lượng phát ra trong sự kết hợp của một số lượng các hạt proton và nơtron tự do trong việc hình thành một hạt nhân nguyên tử được gọi là năng lượng liên kết (BE). Phương trình Einstein tỉ lệ với khối lượng và năng lượng giải phĩng của năng lượng liên kết tỉ lệ với độ hụt khối của sự "hợp nhất" các đồng vị phĩng xạ. Vì vậy khối lượng của 4He nhỏ hơn tổng khối lượng của hai proton và hai neutron. Sự hình thành đồng vị phĩng xạ cĩ thể được viết là. 1 1 4 21 H 2 0 n 2 He BE (16) Và độ hụt khối được cho bởi. M = 2M (1H) + 2M (1n) - M (4He) (17). Việc sử dụng khối lượng của các nguyên tử trung hịa thay cho khối lượng của một đồng vị phĩng xạ trong phương trình cho khối lượng của các electron quỹ đạo. Do đĩ. M = 2 (1.0078252) + 2 (1.0086654) - 4.0026036 = 0.0303776 amu (18) Và. E = BE = 0.0303776 amu 931.4 MeV/amu= 28.22 MeV (19) Một chỉ số liên quan đến sự bền của các đồng vị phĩng xạ là do năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon trong hạt nhân; 4He, là một trong những đồng vị phĩng xạ bền, cĩ một năng lượng liên kiết trung bình của mỗi nucleon là. BE 28.22 7.05MeV / nucleon (20) A 4 Ngược lại, Deuterium, 2H, một trong những đồng vị phĩng xạ bền nhỏ nhất, cĩ năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon cho bởi
  15. Trang 15 BE 2.2 1.1MeV / nucleon (21). A 2 Mối quan hệ của năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon với số khối được thể hiện trong hình 1.2. Trên giá trị cực đại tại A  60 (giới hạn các đồng vị) giá trị trung bình giảm dần từ 8.7 - 7.8 MeV/nucleon. Một chỉ số liên quan đến sự bền tương đối là năng lượng liên kết tăng cần thiết để thêm một neutron đối với một đồng vị phĩng xạ bền. Như vậy, nếu một neutron đã được thêm vào, sự thay đổi trong khối lượng sẽ được. M = [11M (1H) + 12M (1n) - M (23Na)] - [11M (1H) + 13M (1n) - M (24Na)]. = M (24Na) - [M (23Na) + M (1n)]. = 23.990967 - 23.998.438 = - 0.007471amu (22). Và đối với việc bổ sung các neutron. 23 24 11 Na n 11 Na BE (23). Sự thay đổi năng lượng liên kết được. BE = - 0.007471 amu 931. 4 MeV / amu= - 7 MeV (24). Năng lượng lượngliên kết trung liênbình kết mỗi trungnuleon bình(MeV/A) mỗi nucleon (Mev/A) Số khối (A) Hình 1.2 Năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon như là một hàm số của số khối của các đồng vị phĩng xạ bền đối với các đồng vị phĩng xạ phổ biến lớn hơn 50%.
  16. Trang 16 Các dấu trừ cĩ nghĩa rằng 24Na cĩ năng lượng liên kết là 7 MeV đối với 23Na và một neutron tự do. Bổ sung nguồn năng lượng neutron liên kết từ khoảng -2 đến -12 MeV. 1.3. Tính bền vững của hạt nhân. Trái đất luơn tồn tại các nguyên tố trên đĩ. Hầu hết các nguyên tử hiện cĩ trong vật chất là bền theo thời gian, cịn lại là phĩng xạ. Trái đất bị bắn phá liên tục bởi các tia phĩng xạ từ khơng gian bên ngồi, đã làm chuyển đổi một số các nguyên tử bền thành những nguyên tử phĩng xạ. Một số các nguyên tử phĩng xạ sinh ra cĩ thời gian rất ngắn, dao động xuống thấp hơn 10-20 giây, một số tạo thành cĩ thời gian rất dài, lên đến hơn 10 18 năm. Một đồng vị cụ thể nào đĩ tồn tại trong thời gian dài với tốc độ 209 phân rã của nĩ là rất lớn. Đồng vị phĩng xạ như vậy được coi là bền; cho 83Bi , từ lâu được coi là nặng nhất của các đồng vị phĩng xạ bền, so với một vài đồng vị phĩng xạ khác. Tiêu chí để xác định sự bền hạt nhân là dựa vào độ phân rã của hạt nhân. Với các kỹ thuật đo lường cĩ độ nhạy tối đa như hiện nay thì các đồng vị phĩng xạ cĩ thời gian bán rã quá 1018 năm cĩ thể được coi là bền. Phân rã phĩng xạ tự phát cĩ thể diễn ra theo một số phương thức nếu khối lượng của các sản phẩm nhẹ hơn so với khối lượng của các đồng vị phĩng xạ ban đầu. Sự giải phĩng khối lượng giống như năng lượng bức xạ trong quá trình phân rã. Một quá trình phân rã phĩng xạ cĩ thể được viết dưới dạng. A B + b (25). Trong đĩ các đồng vị phĩng xạ A phân hủy để tạo thành đồng vị phĩng xạ B với việc giải phĩng các tia bức xạ b. Vì thế sự phân hủy xảy ra một cách tự nhiên trong sự thay đổi độ hụt khối. M = MA - (MB + Mb) (26). Phải lớn hơn số khơng. Tuy nhiên, khi M > 0 quá trình phân rã là mạnh mẽ nhất, đĩ là cách duy nhất để xác định các phân rã tự phát, nĩ sẽ khơng phân rã hoặc khi. Cho M < 0 phân rã tự phát khơng thể xảy ra.
  17. Trang 17 1.3.1. Tỉ số N / Z Các đồng vị phĩng xạ bền trong tự nhiên được tạo thành là một tổ hợp của các neutron và proton; kết quả của sự kết hợp này tạo nên các đồng vị phĩng xạ. Ví dụ, như trong hình 1.1, hạt nhân Carbon (Z = 6) mẫu đồng vị bền chỉ với sáu proton và bảy neutron, Phốt pho (Z = 15) chỉ cĩ một đồng vị riêng bền với 16 nơtron, trong khi Clo (Z = 17) cĩ hai đồng vị bền với 18 và 20 nơtron nhưng nĩ cĩ một đồng vị phĩng xạ với 19 nơtron. Các cấu trúc của hạt nhân bền vẫn là chủ đề nghiên cứu quan trọng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân. Khoảng 300 đồng vị phĩng xạ bền, được biết đến. Bằng cách kiểm tra các thành phần của các đồng vị phĩng xạ chúng ta lưu ý rằng tỷ lệ (N/Z) của các nơtron và proton cĩ mối quan hệ chung với số khối. Một đồ thị của các số nơtron so với số proton cho các đồng vị phĩng xạ bền với sự phổ biến lớn hơn 10% được thể hiện trong hình 1.3. Các tỷ lệ N/Z là sự thống nhất của nhiều các đồng vị 40 phĩng xạ nhẹ như 20 Ca và tăng với số nguyên tử cĩ giá trị khoảng 1.5 cho đồng vị phĩng xạ bền nặng nhất. Đường vẽ này được rút ra thơng qua các đồng vị phĩng xạ bền đại diện cho một đường cong đẹp, xấp xỉ của phương trình. A Z 0 2 (27). 2 0.015 A 3 Đồng vị phĩng xạ với các tỷ lệ N / Z khác nhau cĩ thể nhìn thấy bởi các đường cong đứt nét trong hình 1.3 là bình thường khơng bền hoặc phĩng xạ. Nĩ cĩ xu hướng chuyển đổi tự phát với nhiều hạt nhân bền bằng cách thay đổi neutron thành proton hoặc ngược lại. Do đĩ, một đồng vị phĩng xạ cĩ số khối A với sự dư thừa của các neutron cĩ thể trở nên bền hơn bằng cách chuyển đổi neutron thành proton, và ngược lại, một đồng vị phĩng xạ khơng bền cĩ thể trở nên bền hơn bằng cách chuyển đổi nhiều proton thành nhiều neutron.
  18. Trang 18 Số nơtron (N) Số proton (Z) Hình 1.3: Tỷ số N / Z biểu diễn cho các đồng vị phĩng xạ bền với các đồng vị phĩng xạ phổ biến lớn hơn 10%. Đường cong liền nét được rút ra từ hệ số 2/3 Z0 = A/(2+0.015/A ), cĩ thể so sánh với đường nét đứt, với Z = A / 2. Như vậy sự chuyển đổi với số khối (nucleon) được bảo tồn trong hạt nhân được thể hiện bằng việc phát ra của nhiều electron năng lượng cao và được gọi là phân rã beta. 1.3.2. Tính bền của các nguyên tố nặng nhất Hình 1.3 Cũng cho thấy là số nguyên tử của các nguyên tố tăng quá mức tăng của các hạt nhân tương đối so với các proton là cần thiết để duy trì tính bền vững bởi sự kết hợp các nucleon trong hạt nhân. Các nơtron bổ sung cĩ thể được coi là cần thiết để bù đắp sự tăng nhanh của lực đẩy Coulomb của các proton tích điện dương gần giống như là tăng số lượng nguyên tử. Tuy nhiên, mặc dù năng lượng liên kết mỗi nucleon thêm vào này giảm từ từ cho các hạt nhân lớn hơn, tính chất tác dụng gần của các lực hạt nhân là kết quả của sự khơng bền vững của lực đẩy culơng hơn là tăng số lượng nguyên tử. Như vậy tất cả các đồng vị phĩng xạ với Z > 83 là khơng bền so với
  19. Trang 19 kích thước của nĩ bởi vì lực đẩy Coulomb của các proton. Hạt nhân Heli rất bền, là chất phĩng xạ phân rã của các hạt nhân nặng. Các yếu tố cĩ thể diễn ra bởi sự phát xạ của một hạt alpha, hạt nhân 4He, để lại một hạt nhân với hai proton ít hơn và khối lượng hạt nhân nhẹ hơn khoảng 4 lần. Các hạt nhân cịn lại vẫn cĩ thể được phát ra nhiều hạt alpha và cĩ thể xảy ra lặp đi lặp lại cho đến khi số nguyên tử sẽ trở thành 83 hoặc ít hơn. Mặc dù các đồng vị phĩng xạ với Z > 83 là khơng bền đối với phân rã alpha, trong số các đồng vị phĩng xạ của hạt nhân cũng cĩ thể khơng bền hơn so với các loại phân rã phĩng xạ khác, như là phân rã beta hoặc phân hạch tự phát (quá trình chia tách thành hai mảnh lớn). 1.3.3. Sự khử kích thích Một số các đồng vị phĩng xạ cĩ sự kết hợp các nucleon lại thì bền đối với phân rã alpha hay beta, khơng cĩ một năng lượng liên kết bên trong. Năng lượng liên kết này cĩ thể được tạo thành theo nhiều cách, phổ biến nhất trong số đĩ là sự phát xạ của bức xạ điện từ (photon) với từng lượng tử năng lượng rời rạc. Những bức xạ đĩ được gọi là tia gamma. Nếu sự khử kích thích diễn ra trong cả thời gian sống và dễ dàng đo (cĩ nghĩa là dài hơn một triệu giây), các đồng vị phĩng xạ như vậy được gọi là đồng vị giả bền và sự chuyển đổi được xem như là một quá trình phân rã phĩng xạ được gọi là quá trình chuyển đổi đồng vị (IT). Các chỉ định cho một đồng vị giả bền được đưa ra bằng cách thêm chữ m sau chỉ số khối, ví dụ đồng vị giả bền của 60Co là 60mCo. Cách phổ biến khác cho một hạt nhân mất năng lượng liên kết là do sự tương tác điện từ giữa hạt nhân và electron quỹ đạo mà kết quả là sự phát xạ của một electron cĩ động năng bằng năng lượng hạt nhân chuyển tiếp, năng lượng liên kết phát ra bởi electron thì ít. Quá trình này gọi là chuyển đổi bên trong (IC) đồng thời với tia gamma phát ra là một quá trình sự khử kích thích. Các phân rã của các tia gamma hoặc các electron chuyển đổi thường xuyên xảy ra ngay sau khi phân rã beta. Quá trình thứ hai cĩ thể xảy ra rất nhanh (<10 -10 giây) mà các tia gamma hoặc các electron chuyển đổi được phát ra ngẫu nhiên cùng
  20. Trang 20 gĩc với các hạt beta. Trong phân tích kích hoạt đặc tính này giống như bức xạ cĩ thể được tìm thấy trong các phép đo hạt nhân phĩng xạ thích hợp. 1.3.4. Hằng số phân rã Sự phân rã của các nguyên tử phĩng xạ, giống như phản ứng hĩa học đơn phân tử, là quá trình đầu tiên để một phản ứng với tỷ lệ phân rã phĩng xạ tỷ lệ với độ phĩng xạ. Như vậy cho một nguồn phĩng xạ của N hạt nhân của cùng một đồng vị phĩng xạ tỷ lệ phân rã là : dN N (28). dt Ở đây  , hằng số tỷ lệ được gọi là hằng số phân rã, cĩ một giá trị đặc trưng cho từng đồng vị phĩng xạ. Tốc độ biến thiên của N luơn luơn ngược cho sự phân rã phĩng xạ và được định nghĩa là tỷ lệ phân rã phĩng xạ hoặc (D) của nguồn: dN D (29 ) dt Giải phương trình ( 28 ) cĩ thể thu được tích phân: N dN t dt (30) N N0 0 Khoảng giới hạn N0 của nguyên tử tại mốc thời gian t = 0 và N nguyên tử tại thời gian t, N ln t N0 t N N0e (31) Ta cĩ thể xem định luật phân rã phĩng xạ từ phương trình (28) t D N N0e t D D0e ( 32 ) Hình 1.4a Cho thấy định luật phân rã phĩng xạ của nĩ dưới dạng hàm mũ cho một nguồn phân rã phĩng xạ hạt nhân ở tỷ lệ 100 phân rã / giây (dps) với một phân rã liên tục của 0. 231/giờ. Quy ước ở đây, bất cứ khi nào đồ thị phân rã phĩng xạ được biểu diễn từ phương trình:
  21. Trang 21 log D log D0 t ( 33 ) Nhìn hình 1.4b. Trong đồ thị hàm log tỷ lệ phân rã bán loga trên hình được nhìn từ một đường thẳng từ giao nhau D 0=100 dps tại t=0. Nĩ cũng thuận tiện để thể hiện sự phân rã đường đặc trưng liên tục của một hạt nhân như là chu kì bán rã, nĩ được định nghĩa là thời gian cần thiết cho bất kỳ số hạt nhân (hoặc hoạt động) để phân hủy một nửa giá trị ban đầu của nĩ. Do đĩ D N 1 e  T1/ 2 D 0 N 0 2 ln 2 0.693 Và T ( 34 ) 1/2   Chu kì bán rã của các hạt nhân được lập bảng trong các đơn vị chuyển đổi, nhưng lưu ý rằng t bắt buộc là  khơng cĩ thứ nguyên đã được trình bày ở đơn vị T1/2 . Trong các mẫu ở trên, chu kì bán rã luơn giữ ở 0.231/giờ, hằng số phân rã phĩng xạ là 0.693/0.231=3 giờ. 100 Độ phĩng 75 xạ a (dps) 50 25 0 100 75 50 25 Độ phĩng 10 xạ (dps) 5 0 3 6 9 12 15
  22. Trang 22 Hình 1.4 Từ định luật phân rã, (a) Trong đồ thị cĩ dạng hàm mũ , và ( b) Ở dạng tuyến tính trên đồ thị bán loga cho một nguồn phĩng xạ của 100 dps phân rã với hằng số phân rã là 3 giờ. 1.4. Phân rã hạt nhân Sự phân rã của một đồng vị phĩng xạ là kết quả trong việc giải phĩng năng lượng dư thừa của nĩ ở dạng bức xạ hạt nhân. Các sản phẩm phân hủy chính nĩ cĩ thể khơng bền vững đối với một số sản phẩm khác. Phĩng xạ hạt nhân lần đầu tiên được nghiên cứu đầu tiên trong loạt chuỗi phân rã của tự nhiên nguyên tố nặng; Ví dụ chuỗi bắt đầu với 238U và kết thúc với 206Pb bền chứa đến 22 phân rã phĩng xạ liên tiếp. Bởi 1910 các tia phĩng xạ từ chuỗi đã được phân thành ba loại, với các tên alpha, beta, và các tia gamma. Năm 1932 phát hiện ra neutron khơng chỉ thêm vào thành phần của hạt nhân nhưng trong trạng thái tự do này là loại khác rất quan trọng của Bức xạ. Một số thuộc tính của các tia phĩng xạ quan trọng được đưa ra trong bảng 1.4. Bảng 1.4. Đường đặc trưng của hạt nhân Hạt Ký hiệu Z A M Điện tích Số khối (khối lượng , khối lượng hạt nhân) Alpha +2 4 4.002604 Helium-3 3He +2 3 3.016030 Triton T +1 3 3.016049 Deuteron D +1 2 2.014102 Proton P +1 1 1.007825 Neutron N 0 1 1.008665 Electron (beta) e ,  -1 1/1840 0.000549 Positron e ,  +1 1/1840 0.000549 Neutrino  0 0 ~ 0 Tia gamma  0 0 0 Tia X X 0 0 0
  23. Trang 23 1.4.1. Bức xạ Alpha Phân rã alpha là sự phát xạ tự phát của một hạt alpha, hạt nhân của nguyên tử 4He. Mặc dù phân rã alpha đươc biết đến ở một vài trong số các hạt nhân khối lượng 147 trung bình ( cĩ nghĩa là .,62 Sm ), nĩ được phổ biến đến các hạt nhân nặng với Z >83. Phân rã alpha được hạt nhân sinh ra từ phương trình sau đây: A A 4 4 Z X N Z 2YN 2 2 He Q (35 ) Với Q, năng lượng tương đương với độ hụt khối, được chuyển thành năng lượng động lực cho các sản phẩm Y và hạt alpha, hạt alpha được phát ra với năng lượng gián đoạn, từ khoảng 3 - 9 MeV . 1.4.2. Bức xạ Beta Phân rã beta là sự chuyển đổi tự phát trong một hạt nhân của một neutron thành một proton, hoặc của một proton vào một neutron, kết quả là một sự thay đổi của tỷ lệ N/Z hướng tới một cấu hình bền cĩ số khối như nhau . Khi tỷ số N/Z của hạt nhân phĩng xạ lớn hơn so với các hạt nhân bền cĩ khối lượng như nhau, neutron biến đổi thành một proton với sự phát xạ của một electron tốc độ cao mang điện tích âm và neutrino . n p e  (36 ) Các electron tốc độ cao là hạt beta; hạt neutrino rất khĩ tìm ( nĩ cĩ khối lượng bằng khơng ) nĩ sinh ra bởi định luật bảo tồn động lượng và nĩ truyền năng lượng phân rã với hạt beta. Các hạt beta cĩ phổ năng lượng liên tục, từ 0 cho đến một giá trị tối đa, với một năng lượng trung bình vào khoảng một phần ba năng lượng beta tối đa. N Phân rã beta sinh ra từ phản ứng hạt nhân cĩ tỉ số cao: Z A A Z X N Z 1YN 1   ( 37 ) N Khi tỷ số của hạt nhân phĩng xạ nhỏ hơn so với các hạt nhân bền cĩ khối Z lượng như nhau, proton được chuyển đổi thành một neutron trong hạt nhân theo một trong hai quá trình:
  24. Trang 24 1. Phĩng xạ electron dương p n e  2. Sự bắt electron p e n  Trong mỗi trường hợp sự biến đổi là sự thay đổi nguyên tố: A A Z X N Z 1YN 1 (38 ) Trong trường hợp đầu tiên electron dương khi mất năng lượng động lực của nĩ, tương tác với electron trong mơi trường của nĩ và electron dương và electron âm hủy lẫn nhau để tạo thành hai lượng tử năng lượng điên từ với mỗi lượng tử là 0.51 MeV, tương đương với khối lượng nghỉ của electron. Trong trường hợp thứ hai khơng cĩ bức xạ hạt nhân khơng kể đến sự đo được neutrino phát ra nhưng các sự kiện phĩng xạ vẫn cĩ thể được quan sát bởi đường đặt trưng tia X phát ra từ các nguyên tử kết quả là quá trình biến đổi electron nguyên tử xảy ra để điền vào các lỗ trống cịn lại trong vỏ đã được bắt giữ bởi hạt nhân. Cho đến khi phát triển hiệu quả hệ thống đo lường bức xạ gamma, các tia phĩng xạ beta được sử dụng chủ yếu trong phân tích kích hoạt. Thậm chí với hệ thống như bây giờ đọc các hạt beta cĩ sẵn thường sử dụng trong phân tích kích hoạt các phép đo. 1.4.3. Phân rã Gamma và sự biến đổi Electron Tia gamma là bức xạ điện từ nĩ là photons bị lượng tử hĩa. Năng lượng photons được cho bởi : E h (39 ) Ở đây : h = 6.625*10-27erg/giây : Hằng số Planck.  = Tần số phân rã. Bức xạ gamma kết hợp với phân rã phĩng xạ hoặc phản ứng hạt nhân là do kích thích của hạt nhân sản phẩm cĩ năng lượng lớn. Trong quá trình này năng lượng của quá trình chuyển đổi hạt nhân được phát ra như là một lượng tử rời rạc tương tự như tia X electron phát ra trong quá trình chuyển đổi quỹ đạo. Do đĩ cho một sự chuyển đổi cho mỗi tia gamma được phát ra với cùng một năng lượng. Việc xác định
  25. Trang 25 một số hạt nhân phĩng xạ của tia gamma trở thành một phương pháp quan trọng trong phân tích kích hoạt phĩng xạ. Nĩ đã được ghi nhận trong phần 1.3.3 đĩ là quá trình phân tích bên trong xảy ra đồng thời với phát xạ gamma như một quá trình kích hoạt hạt nhân. Trong quá trình này một electron phát ra đơn năng thay một tia gamma. Cho một hạt nhân phĩng xạ được tỉ lệ với số lượng các electron chuyển đổi bên trong với số photons tia gamma phát ra được gọi là hệ số chuyển đổi bên trong . Kể từ khi các electron phát ra làm giảm năng lượng của các nguồn năng lượng liên kết quỹ đạo, hệ số riêng biệt dành cho các lớp K,L,M, vỏ. Ngồi ra, kể từ khi chuyển đổi bên trong để lại một lỗ trống trong những quỹ đạo, electron trên quỹ đạo sẽ biến đổi như nĩ đã làm khi bắt electron. Đo electron thường được sử dụng trong phân tích kích hoạt. 1.4.4. Neutron Ngoại trừ sáu hoặc bảy phát neutron chậm ( mơ tả trong phần 3.1.4), hạt nhân phĩng xạ bằng các neutron dư khơng phân rã bằng các bức xạ neutron, như đã nêu ở phần 1.4.2, bởi sự phân rã  . Neutron là hạt khơng liên kết, tuy nhiên, là tương đối dễ dàng để sản xuất trong nhiều thiết bị đã thảo luận trong phần 3.1 và nĩ bao gồm neutron là một dạng bức xạ. Các đường đặc trưng của các hạt nhân được đưa ra trong bản 1.4. Sự kiện ở đây neutron khơng cĩ giữ điện tích đặc biệt: Nĩ khơng thể tăng tốc trong điện trường hoặc từ trường, nĩ khơng thể gây ra sự ion hĩa các phân tử và nguyên tử và nĩ khơng bị ảnh hưởng bởi sự tương tác culong khi nĩ tiếp cận các điện tích dương của một hạt nhân. Neutron khơng là hạt cơ bản. Trong trường hợp khơng cĩ vấn đề về một hạt nhân khác, neutron phân rã với chu kì bán rã khoảng 12.5 phút vào các proton và electron của các phản ứng được đưa ra trong (36 ). Tuy nhiên với hạt nhân tự do thường khơng tồn tại đủ dài để phân hủy, vì chúng là vật liệu hấp thụ bởi mơi trường xung quanh trong thời gian ít hơn 1 sec . Tương tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nĩ, và nĩ cĩ thể khảo sát gần đúng nhiều neutron tương tác với vật chất được phân cấp
  26. Trang 26 thích hợp. Neutron cĩ thể tách ra bằng năng lượng dao động thành những nhĩm hạt thích hợp của phân rã hạt nhân. Sự phân loại khơng thể sắc nét được, chúng chồng lên nhau với một mức độ tuyệt vời và sự khác nhau của nhĩm hạt này để ta cĩ thể liệt kê ý nghĩa danh pháp hoặc các vùng khác nhau đáng kể, tuy nhiên, họ nĩi chung là thuận tiện cho tách các tương tác neutron thành các loại được thảo luận ở chương 3. Neutron chậm : Neutron với năng lượng khoảng 1 KeV. Các nhĩm quan trọng nhất của phân loại này là các neutron “ nhiệt “, một neutron trong trạng thái cân bằng nhiệt với các nguyên tử trong mơi trường của nĩ. Neutron nhiệt cĩ phân bố vận tốc tuân theo phân bố Maxwell ( xem phần 2.3.1 ), ở nhiệt độ phịng, tương ứng với một năng lượng cĩ thể xảy ra nhất là 0.025 eV. Các phân nhĩm khác của neutron chậm bao gồm (a) neutron trên nhiệt, neutron khơng cân bằng nhiệt hồn tồn với mơi trường của chúng, và (b) neutron cộng hưởng, neutron trong phạm vi năng lượng từ 1- 1000 eV. Trong phạm vi biểu đồ của nhiều hạt nhân bền thì sự hấp thụ neutron cĩ năng lượng cộng hưởng gián đoạn. Neutron trung bình : Neutron cĩ năng lượng nằm trong 1 đến 500 KeV Sự khơng liên quan của các phản ứng hạt nhân với năng lượng neutron dẫn đến ít thơng tin về dãy năng lượng. Ở đây ta khơng nghiên cứu sâu về nĩ. Neutron nhanh: Neutron với năng lượng trên 0.5 MeV Các neutron năng lượng cao đủ để gây ra một loạt các phản ứng hạt nhân mà khơng xảy ra ở năng lượng neutron thấp hơn. Chúng cĩ thể thực hiện ở nhiều nguồn và được quan tâm trong phân tích kích hoạt. 1.5. Phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân là gây ra những thay đổi trong hạt nhân bằng cách tương tác với hạt đạn cĩ động năng đủ lớn. Do đĩ chúng được phân biệt với quá trình phân rã phĩng xạ, với sự kiện phân rã hạt nhân một cách tự nhiên. Phản ứng hạt nhân tương tự như phản ứng hĩa học, cĩ sự thay đổi năng lượng một cách phổ biến, yêu cầu về năng lượng cực tiểu và tốc độ phản ứng.
  27. Trang 27 Sự khơng tương tự trong những thay đổi của hĩa học một cách khơng đồng nhất cĩ thể xảy ra trong các phản ứng hạt nhân và với những thay đổi năng lượng trên mỗi nguyên tử cĩ thể cĩ thời gian nhanh hàng triệu lần so với phản ứng hĩa học. So sánh thuật ngữ của phản ứng được đưa ra dưới đây Thay đổi về năng lượng Hạt nhân Năng lượng cực tiểu yêu cầu Hĩa học H , Nhiệt năng lượng Q Mc2 Tốc độ phản ứng kích hoạt phản ứng k Ngưỡng R Một phản ứng hĩa học viết từ phương trình : A B C D H (40) Ở đây A và B là chất phản ứng. C và D là sản phẩm, và là độ biến thiên năng lượng, tương tự như phản ứng hạt nhân: A a B b Q (41) Ở đây A là hạt nhân bia, a là hạt tới, B là hạt nhân mẹ, b là hạt nhân con, và Q là năng lượng ( Mc2 ), luơn luơn cĩ năng lượng MeV. Phản ứng hạt nhân được viết bởi các quy ước sau đây: A(a,b)B (42) Kí hiệu này được biểu diễn bằng phương trình (41) Đạn bắn vào bia cĩ thể lấy từ nhiều nguồn phân rã, như các điện tích ions, neutron, electron hoặc proton. Từ phân rã phĩng xạ cĩ thể cho nhiều hạt hơn nữa. Trong bản ở phía dưới ta cĩ thể sắp xếp theo sự tăng của điện tích và khối lượng: Hạt chiếu xạ Ký hiệu hạt đạn Photon  Electron E Neutron N Hydrogen, 1H P
  28. Trang 28 Deuterium, 2H D Tritium, 3H T Helium -3, 3He 3He Helium -4, 4He Ions nặng e.g.,6Li, 12C,etc Sự tương tác của một phĩng xạ đặc biệt với một hạt nhân cĩ thể xảy ra bất kì phản ứng hạt nhân nào. Cho năng lượng hạt đạn trong phân rã ( <50 MeV) phản ứng hạt nhân xảy ra theo hai bước độc lập: 1. Sự hình thành một hạt nhân hợp phần thì năng lượng hạt đạn sẽ được giữ lại và chia cho các nucleon 2. Sự phân rã của các hạt nhân hợp phần mà từ đĩ một hay nhiều nucleon sẽ biến mất. Xác suất cho sự biến mất của hạt nhân hợp phần được thảo luận trong phần 2.2.5 . 1.5.1. Bảo tồn Lực Phản ứng hạt nhân mà ta chú ý tuân theo bốn định luật bảo tồn : 1. Bảo tồn các nucleon: A 2. Bảo tồn số khối: Z 3. Bảo tồn năng lượng- khối lượng: E 4. Bảo tồn xung lượng: p Hai định luật bảo tồn đầu tiên cĩ thể xem xét tương tự như phản ứng hĩa học tương tự như “ cân bằng “ của phản ứng hĩa học. Chúng được minh họa bằng phản ứng hạt nhân: 17 1 32 4 35Cl 0 n 15 P 2 He Q (43) hoặc viết tắt: 35Cl(n, )32P Phản ứng này là cân bằng đối với các nucleons và điện tích của chất tham gia và sản phẩm đều cĩ cùng một số tổng các nucleon là (36 ) và proton ( 17 ).
  29. Trang 29 1.5.2. Năng lượng phản ứng Trong phản ứng năng lượng thì năng lượng được xác định, tương đương cĩ sự khác biệt về khối lượng giữa các sản phẩm. Do đĩ cĩ phản ứng 35Cl(n, )32P (45) M = M(35Cl) + M(n) –M(32P) –M(4He) (44 ) =34.96885 + 1.00867 - 31.97391 - 4.00260 0.001.01 (amu) (46) Q 931.4( M ) 0.94MeV (47) Cho phản ứng với Q>0; cĩ nghĩa là khối lượng sản phẩm nhẹ hơn khối lượng các chất phản ứng. Như là phản ứng tỏa năng lượng. Bất cứ khi nào, phản ứng 32S(n, p) 32P (48) Cĩ M = M(32S) + M(n) – M(32P) – M(1H) 31.97207 1.00867 31.97391 1.00783 0.00100 (amu) (49) Q 0.93MeV (50) Phản ứng này, mà Q < 0, nghĩa là khối lượng của sản phẩm được tạo ra nặng hơn khối lượng của các chất phản ứng, là một phản ứng thu nhiệt. Cho các phản ứng như vậy xảy ra thì các hạt đạn phải cĩ đủ động năng khơng chỉ để cung cấp năng lượng cho phản ứng với năng lượng Q mà cịn cung cấp động năng giật lùi cần thiết theo yêu cầu của định luật bảo tồn động lượng. 1.5.3. Năng lượng ngưỡng Một phần năng lượng của hạt tới để gây ra phản ứng hạt nhân phải được sử dụng để bảo tồn động lượng của hệ va chạm. Nếu xem hạt nhân bia đứng yên và hạt vào với vận tốc là v, chúng ta cĩ thể cĩ một hình ảnh tương tác của hệ trước và sau khi va chạm
  30. Trang 30 Trước khi tương tác sau khi tương tác v m a M m M va A a A a + A Động lượng của hệ bảo tồn, ta cĩ: mva (m M )va A Chuyển xung lượng sang năng lượng: mEa (m M )Ea A Như vậy năng lượng giật lùi là m E E a A m M a Và động nặng của hạt a cần thiết để phản ứng xảy ra là M E E E E Q a a A m M a Như vậy năng lượng tối thiểu (ngưỡng) của hạt tới cần để tạo ra một phản ứng hạt nhân, năng lượng thu được la Q m M a A E Q ; Q nguong M A Số khối thơng thường được thay thế cho khối lượng thật. Đối với một phản ứng tỏa năng lượng cĩ liên quan đến một hạt trung tính thì năng lượng ngưỡng bằng khơng, như vậy phản ứng cĩ thể xảy ra về mặt lý thuyết với một hạt va chạm cĩ động năng bằng khơng. Tuy nhiên cĩ lực đẩy Coulomb giữa các hạt mang điện cĩ lẽ động năng thực sự của hạt vào phải tăng lên đáng kể để xảy ra phản ứng 1.5.4. Các loại phản ứng Phản ứng hạt nhân quan tâm đến phân tích kích hoạt là cái mà trong đĩ các phần tử mong muốn được chiếu xạ bởi chùm hạt bắn phá cĩ sẵn để tạo ra đồng vị phĩng xạ cĩ các bức xạ cĩ thể đo được. Thơng thường các hạt chiếu xạ cĩ sẵn được thảo luận trong chương 3. Các phản ứng hạt nhân được chia thành 3 loại Phản ứng neutron
  31. Trang 31 Neutron là một hạt khơng mang điện, nĩ cĩ thể tiến đến gần hạt nhân mà khơng bị cản bởi rào thế Coulomb. Vì vậy neutron với động năng bằng khơng cĩ thể va chạm với hạt nhân. Neutron cân bằng nhiệt với mơi trường xung quanh được gọi là neutron nhiệt và cĩ năng lượng trung bình chỉ 0.025eV ở 20o C . Phản ứng neutron cĩ thể xảy ra với các neutron nhiệt hay neutron cĩ năng lượng cao hơn theo nhiều cách. 4 dạng phổ biến nhất được đưa ra dưới đây. Phản ứng bắt neutron Phản ứng kích hoạt phổ biến nhất là bắt neutron trong đĩ một neutron năng lượng thấp được hấp thụ bởi một hạt nhân và một tia gamma được bức xạ ra. Phản ứng được minh họa bởi sự bắt neutron của Natri: 2 3 2 4 1 1 N a ( n ,  ) 1 1 N a Chú ý là kết quả của sự bắt neutron cho ra một nguyên tố đồng vị của nguyên tố đĩ, tăng số khối từ A lên A+1. Vì vậy tỉ lệ giữa neutron với proton tăng lên từ N/Z lên (N+1)/Z và hầu như các đồng vị bền khi cĩ sự tăng này sẽ chuyển về một đồng vị bền với phân rã  . Trong ví dụ trên 24  24 11 Na  12 Mg Tuy nhiên nhiều nguyên tố cĩ hai hay nhiều đồng vị cĩ số khối A liên tiếp nhau thì bền, ví dụ 42Ca, 43Ca, 44Ca Vì vậy kết quả của sự bắt neutron của các đồng vị nhẹ hơn cho ra các đồng vị bền khơng phù hợp cho việc đo phĩng xạ, đĩ là, 42 43 43 44 Ca(n,) Castable và Ca(n,) Castable Chuỗi các đồng vị nặng được dùng để tạo ra các đồng vị phĩng xạ: 44Ca(n, ) 45Ca  45Sc Hầu hết mỗi nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hồn đều cĩ một đồng vị bền khi bắt neutron dẫn đến một đồng vị phĩng xạ bức xạ beta cĩ chu kì bán rã đáng kể. Phản ứng biến đổi Phản ứng kích hoạt quan trọng thứ hai là sự hấp thụ một neutron sau đĩ phát ra một hạt mang điện, thường là pronton. Phản ứng này gọi là phản ứng (n,p). Cịn các
  32. Trang 32 phản ứng khác thường xảy ra với xác suất thấp hơn là (n,d), (n,α), (n,t), và (n, 3He), trong mỗi phản ứng đĩ tính chất hĩa học của hạt nhân bia được thay đổi. Vì vậy phản ứng trao đổi cĩ khả năng loại bỏ các sản phẩm phĩng xạ bằng các tính chất hĩa học từ các vật làm bia. Sự tách hĩa của sản phẩm được thảo luận trong chương 6. Phản ứng (n,p) được minh họa bởi phương trình: 27 27 13 Al(n, p) 12 Mg Kết quả là một neutron đi vào và cho ra một proton từ hạt nhân bia. Neutron chuyển sang proton cĩ sự thay đổi tỉ lệ từ N/Z thành (N+1)/(Z-1). Hầu hết các sản phẩm hạt nhân khơng bền bức xạ beta để quay trở lại hạt nhân bia ban đầu như vậy: 27  27 12 Mg  13 Al Nhiều nguyên tố nặng (Z : 30) cĩ một hay nhiều đồng vị nhẹ bền, là kết quả của phản ứng (n,p) với một positron phát ra, ví dụ. 106 106  106 48Cd(n, p) 47 Ag  46 Pd Sản phẩm của phản ứng (n,p) cĩ một vài mẫu đồng vị bền; ví dụ, 1 2 3 1 2 3 5 2T e ( n , p ) 5 3 S b s t a b l e Nĩi chung, phản ứng (n,α) ít xảy ra hơn với neutron năng lượng thấp so với phản ứng (n,p) vì địi hỏi phải cĩ năng lượng nội tại lớn để giải phĩng hạt alpha ra khỏi hạt nhân. Phản ứng (n,α) phổ biến hơn đối với các nguyên tố nhẹ hơn. Phản ứng phân hạch : Quá trình phân hạch là sự hấp thụ một neutron của một hạt nhân rất nặng và kết quả là hạt nhân bị phân thành hai mảnh cĩ số khối gần bằng nhau đi kèm theo là hai hay ba hạt neutron. Quá trình này, là một chuỗi phản ứng xảy ra trong lị phản ứng hạt nhân khi được chiếu xạ bởi neutron, được thảo luận trong chương 3. Tán xạ khơng đàn hồi: Tán xạ khơng đàn hồi khác với ba quá trình hấp thụ trước trong đĩ neutron chỉ trao đổi một phần động năng với hạt nhân bia, thốt ra với sự giảm một phần năng lượng của nĩ. Hai quá trình tán xạ khơng đàn hồi được quan tâm để sản xuất các chất đồng vị phĩng xạ: phản ứng (n,n’) và (n,2n).
  33. Trang 33 1.Phản ứng (n.n’) diễn ra khi neutron tán xạ truyền năng lượng đủ để hạt nhân bia trở thành hạt nhân giả bền. Khơng làm thay đổi tỷ số N/Z. Trạng thái này sẽ phân rã trở lại trạng thái bền với sự phát ra của tia gamma; ví dụ, 103 103m 45 Rh(n,n') 45 Rh 103m 103 Và m trong 45 Rh nghĩa là một đồng vị của 45 Rh ở trạng thái giả bền, quá trình phân rã 103m  103 45 Rh  45 Rh 2.Phản ứng (n,2n) cĩ thể xảy ra khi neutron tán xạ truyền đủ năng lượng để vượt qua năng lượng liên kết của các neutron liên kết trong hạt nhân bia. Kết quả là việc loại bỏ một neutron từ nhân bia. Ví dụ, 23 22 11 Na(n,2n) 11 Na Vì năng lượng liên kết trung bình của các neutron là khoảng 6 đến 8 MeV, nên chỉ cĩ các neutron năng lượng cao mới cĩ thể được sử dụng cho các phản ứng như vậy. Kết quả là các hạt nhân, trong mọi trường hợp, là đồng vị với hạt nhân bia và trong nhiều trường hợp vì tỉ lệ N/Z giảm cịn (N-1)/Z nên hạt nhân sau phản ứng khơng bền phân rã  hay bắt electron. Trong ví dụ trên 22  22 11 Na  10 Ne Phản ứng của các hạt mang điện Sự khác nhau chủ yếu giữa phản ứng của các hạt mang điện với phản ứng của hạt neutron là các hạt mang điện khi đến gần hạt nhân bia phải chịu tác dụng của một trường tĩnh điện cho bởi cơng thức Zze2 V r Trong đĩ Z = Số proton của hạt nhân bia Z = Số proton của hạt nhân vào e = Điện tích của electron r = Khoảng cách giữa tâm của hai hạt nhân
  34. Trang 34 Tuy nhiên hạt mang điện cĩ thể được hạt nhân bia hấp thụ, vì khi tiến đến vùng tác dụng của lực hạt nhân thì bị hạt nhân hút mạnh nĩ sẽ thắng lực đẩy Coulomb. Độ lớn của thế năng khi hai hạt vừa tiếp xúc nhau xem như là thế màng chắn và được xấp xỉ bằng: Zze 2 Zz V 1.03 c ; 1 1 ; 1 1 R A 3 a 3 A 3 a 3 0 Trong đĩ: A và a là số khối của hạt nhân bia và hạt nhân vào -13 R0 là bán kính của hạt nhân ( 1.4 10 cm) 197 200 Thế màng chắn của trong phản ứng 79 Au( ,n) 81Tl là 79 2 V 1.03 22MeV c ; 1 1 197 3 4 3 Tuy nhiên theo cơ học lượng tử, phản ứng cĩ thể xảy ra với hạt alpha cĩ động năng chỉ vừa lớn hơn năng lượng ngưỡng 12MeV, xác suất xảy ra khơng đáng kể cho đến khi năng lượng của hạt alpha lớn hơn 22MeV. Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn của rào thế Một sơ đồ biểu diển của rào thế trong hình 1.5. Thế năng tại R ứng với động năng nhỏ nhất. Theo lí thuyết cổ điển hạt mang điện cần phải va chạm với hạt nhân
  35. Trang 35 bia, tuy nhiên theo cơ học lượng tử cĩ một xác suất để một hạt mang điện với động năng nhỏ cĩ thể vượt rào thế Coulomb vào vùng tác dụng của lực hạt nhân. Năng lượng nội tại của hạt nhân tăng lên gồm cĩ động năng của hạt vào ( V E – V0 ) và năng lượng liên kết với hạt vào (V 0 – VB), được minh họa trên hình 1.5. Năng lượng kích thích này cĩ thể được dùng để bức ra các hạt neutron, hạt mang điện hay photon. Máy gia tốc hạt cĩ thể được sử dụng để kích hoạt phĩng xạ được miêu tả trong chương 3. Những máy gia tốc này cĩ thể tạo ra các hạt proton, Deuteron và alpha. Những máy gia tốc mới hơn cĩ thể tạo ra các ion 3He và các ion nặng hơn 4He, như 12C, 14N và 16O. Những hạt này với năng lượng cao cho ra nhiều phản ứng hạt nhân khác nhau. Bởi vì rào thế giảm khi liên kết với proton và Deuteron, nên cĩ thể bắn phá được với các máy gia tốc năng lượng thấp, hai hạt này được sử dụng rộng rãi trong phân tích kích hoạt. Phản ứng với hat hạt này đang được nghiên cứu sâu hơn. Phản ứng proton: Hầu hết phản ứng xảy ra với proton năng lượng thấp gọi là phản ứng (p,n); ví dụ: 45 45 21 Sc( p,n) 22Ti Năng lượng nhỏ nhất mà proton cĩ thể vượt qua rào thế để gây ra phản ứng hạt nhân gọi là năng lượng ngưỡng. Trong ví dụ trên 45 1 46 E Q 931.4 M 2.9MeV th 45 45 21 1 Vc ; 1.03 1 ; 4.6MeV 453 1 Những tính tốn này cho thấy phản ứng này cĩ thể xảy ra với proton cĩ năng lượng vừa lớn hơn 2.9 MeV nhưng xác suất tăng lên đáng kể khi proton cĩ năng lượng lớn hơn 4.6 MeV. Tuy nhiên khi năng lượng proton tiếp tục tăng thì các phản ứng khác như (p,pn) hay (p,2n) cĩ thể xảy ra với xác suất cao Phản ứng Deuteron: năng lượng liên kết của Deuteron thấp làm cho nĩ hữu dụng cho phản ứng biến đổi với nhiều lý do. 1. Deuteron cĩ thể bị phân cực một phần trong hạt nhân bia, proton tách ra khỏi neutron đi về phía hạt nhân. Neutron cĩ thể sau đĩ bị hấp thụ mà khơng cần phải
  36. Trang 36 bắt Deuteron. Phản ứng như vậy gọi là phản ứng “chiếm”. Neutron bị chiếm từ Deuteron. Tồn bộ các phản ứng được thể hiện như là phản ứng của hạt mang điện, ví dụ 55 56 25 Mn(d, p) 25 Mn Phản ứng này tương đương với phản ứng (n,) và cĩ thể xảy ra với Deuteron cĩ năng lượng thấp hơn năng lượng cần thiết để bắt Deuteron. Phản ứng được nhắc tới ở trên cĩ rào thế là : 25 1 Vc ; 1.03 1 ; 5.4MeV 553 1 2. Hầu hết các phản ứng Deuteron liên quan tới sự phát ra của các hạt đơn lẻ, như là (d,n), (d,p), và (d, ) thì tỏa nhiệt; Vì vậy khơng cĩ ngưỡng năng lượng cho các phản ứng như vậy. Hai tính chất này cĩ được do năng lượng liên kết bé của Deuteron.