Bài giảng Vật lý hạt nhân

VẬT LÝ HẠT NHÂN 
CẤU TẠO HẠT NHÂN 
Điện tích và khối lượng 
Kích thước và cấu trúc hạt nhân 
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ LỰC HẠT NHÂN. 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
Các loại tương tác ứng hạt nhân 
Năng lượng phản ứng hạt nhân 
Năng lượng ngưỡng 
Phản ứng phân hạch hạt nhân – 
Lò phản ứng hạt nhân - phản ứng dây chuyền. 
PHÓNG XẠ 
CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN RÃ 
PHÂN RÃ GAMMA 
PHÂN RÃ ALPHA 
PHÂN RÃ BETA 
PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 
1 
2 
CẤU TẠO HẠT NHÂN 
Lịch sử phát triển của hạt nhân nguyên tử 
 1896 (năm khai sinh ra vật lý hạt nhân) Henri Becquerel(1852-1908) khám phá ra phóng xạ phát ra trong hợp chất Unranium. 
1911 Rutherford đã tiến hành thí nghiệm tán xạ hạt alpha, thí nghiệm quan trọng giúp phát hiện là lực chưa biết – lực hạt nhân. 
1930 Cockroft và Walton đã tiến hành thí nghiệm phản ứng hạt nhân bằng máy gia tốc các hạt tích điện. 
1932 Chadwick phát hiện ra neutron(nơtrôn) và kết luận một nữa hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi các neutron. 
1933 Joliot và Irene Curi đã phát hiện ra phóng xạ nhân tạo. 
1938 Meitner, Hahn và Strassmann đã phát hiện ra phân hạch hạt nhân. 
1942 Fermi và các cộng sự đã phát triển lò phản ứng phân hạch hạt nhân đầu tiên. 
3 
CẤU TẠO HẠT NHÂN 
Cấu tạo hạt nhân: hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt proton (+e) và neutron(0). 
Các đại lượng hạt nhân: 
Số nguyên tử khối (số proton): Z 
Số neutron : N 
Khối lượng hạt nhân : A 
Điện tích hạt nhân 
 proton mang điện tích +e (e = 1,602 177 3 x10 -19 C) 
Proton được cấu tạo từ các hạt quark (các hạt cơ bản): 
Neu tron là hạt trung hòa điện: điện tích = 0. 
Neutron được cấu tạo từ các hạt quark 
Khối lượng hạt nhân 
Định nghĩa đơn vị khối lượng nguyên tử: lấy khối lượng của 12 C trung hòa làm chuẩn: m( 12 C) = 12 u => u = 1/[12 m( 12 C)] = 1.660540x10 -27 kg. 
4 
CẤU TẠO HẠT NHÂN 
Khối lượng hạt nhân 
Định nghĩa đơn vị khối lượng nguyên tử: lấy khối lượng của 12 C trung hòa làm chuẩn: m( 12 C) = 12 u => u = 1/[12 m( 12C)] = 1.660540x10 -27 kg. 
Khối lượng được tính theo năng lượng nghĩ, đối với 1u: 
5 
CẤU TẠO HẠT NHÂN 
Kích thước và cấu trúc hạt nhân 
Kích thước hạt nhân: lần đầu tiên được khảo sát trong thí nghiệm tán xạ của Rutherford 
Từ thí nghiệm với động năng của hạt alpha vào cỡ 7MeV, cho thấy kích thước của hạt nhân vào cỡ 10 -15 m = 1fm 
6 
CẤU TẠO HẠT NHÂN 
Kích thước và cấu trúc hạt nhân 
Sau Rutherford đã có rất nhiều thí nghiệm xác định kích thước hạt nhân và các kết quả cho thấy hình dạng hạt nhân được xấp xĩ có dạng hình cầu và có bán kính: 
R = r 0 A 1/3 
Tìm biểu thức xấp xỉ cho khối lượng của hạt nhân có số khối A 
Tìm thể tích và mật độ của hạt nhân này. 
7 
BÀI TẬP - CẤU TẠO HẠT NHÂN 
Xác định bán kính của hạt nhân 12 6 C, biết rằng bán kính điện 
 r 0 = 1,4.10 -15 m 
2. Bán kính của hạt nhân 238 92 U lớn hơn bán kính proton bao nhiêu lần biết r 0 = 1,4.10 -15 m 
3. Xác định các số điện tích, số nuclôn và ký hiệu hóa học của các hạt nhân nguyên tử 3 2 He, 7 4 Be, 15 8 O nếu thay proton bằng neutron và neutron bằng proton. 
8 
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ 
LỰC HẠT NHÂN 
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT – ĐỘ HỤT KHỐI 
 M = Zm p +(A – Z)m n - M 
Từ các kết quả đo khối lượng hạt nhân cho thấy khối lượng của hạt nhân M bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng các nuclôn tạo thành hạt nhân một lượng M (độ hụt khối) 
Từ các định luật bảo toàn năng lượng và công thức Einstein cho thấy độ hụt khối tương ứng với năng lượng liên kết hạt nhân 
W lk = c 2 M = c 2 [Zm p +(A – Z)m n – M] 
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT TÍNH THEO KHỐI LƯỢNG NGUYÊN TỬ 
W lk = c 2 [ZM H +(A – Z)m n – M A ] x 931,494 (MeV/u) 
M H : khối lượng Hidro; M A : khối lượng nguyên tử của hạt nhân 
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ 
LỰC HẠT NHÂN 
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT RIÊNG – năng lượng liên kết của 1 nuclôn 
 = W lk /A 
Tìm năng lượng liên kết của hạt nhân Deuteron được cấu tạo từ 1 proton và 1 neutron. Cho biết khối lượng của Deuteron là 2,014102 u, khối lượng của Hidro là 1,007825 u, khối lượng của proton 1,007276u , khối lượng của neutron là 1,008665 u 
NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ 
LỰC HẠT NHÂN 
LỰC HẠT NHÂN 
Là lực tương tác tầm ngắn – tầm tác dụng cỡ fm 
Là lực tương tác mạnh hơn lực điện từ 
Là lực hút. 
Có tính bão hòa 
một nuclôn chỉ tương tác 
với một số nuclôn nhất 
định quanh nó. 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
TƯƠNG TÁC HẠT NHÂN : chia làm 3 loại 
 Va chạm đàn hồi : A + a a + A 
 Va chạm không đàn hồi : A + a a’ + A* 
A* hạt nhân A ở trạng thái kích thích; a’ là hạt nhân a ở trạng thái khác. 
 Phản ứng hạt nhân : a + X Y + b 
Hay được viết X(a,b)Y 
Hạt nhân a bắn vào hạt nhân X sẽ phát ra hạt nhân b và sinh ra hạt nhân Y 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN. 
a + X Y + b 
 BẢO TOÀN SỐ KHỐI hay bảo toàn số nuclôn: A a + A X = A b + A Y 
 BẢO TOÀN Điện TÍCH : Z a + Z X = Z b + Z Y 
 BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG VÀ MÔMEN Động lượng 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
NĂNG LƯỢNG PHẢN ỨNG. 
a + X Y + b 
 Giả sử hạt nhân X đứng yên, từ định luật bảo toàn năng lượng: 
M X c 2 + K a + M a c 2 = M Y c 2 + K Y + M b c 2 + K b 
K a : động năng hạt nhân a 
 K Y : động năng hạt nhân Y 
 K b : động năng hạt nhân b 
Tổng động năng sinh ra (hay hấp thụ) trong phản ứng được gọi là năng lượng phản ứng 
Q = (K Y + K b ) – K a = (M X + M a – M Y – M b )c 2 
Q > 0 phản ứng tỏa nhiệt ; Q < 0 phản ứng thu nhiệt 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
NĂNG LƯỢNG NGƯỠNG PHẢN ỨNG. 
a + X Y + b 
 Trong phản ứng thu nhiệt, để phản ứng xảy ra thì hạt nhân tới a cần phải có động năng tối thiểu được gọi là năng lượng ngưỡng 
W ng 
 Đối với phản ứng năng lượng thấp, động năng của hạt sinh ra trong phản ứng nhỏ so với năng lượng nghỉ của chúng nên 
 K = 1/2mv 2 và P = mv. 
Năng lượng ngưỡng được tính bởi: 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN – phản ứng bắt neutron : xuất hiện khi một hạt nhân rất nặng bị phân chia thành hai hạt nhân có khối lượng nhỏ hơn. Trong phản ứng này tổng khối lượng của hai hạt nhân sau phản ứng nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân ban đầu. 
Phản ứng này xảy ra khi hạt nhân năng bắt neutron: 
1 0 n + 235 92 U 236 92 U* X + Y + neutron 
 1938 phản ứng phân hạch hạt nhân lần đầu tiên được phát hiện bởi Ottto Hahn (German chemist), Lise Meitner(Austrian physicist), và Fritz Strassmann (German chemist) . 
Năng lượng trung bình tỏa ra trong 1 phản ứng phân hạch vào cỡ 200MeV. 
 Có rất nhiều loại sản phẩm phân hạch X,Y được tạo ra, phản ứng phân hạch tiêu biểu của 235 92 U: 
1 0 n + 235 92 U 236 92 U* 141 56 Ba + 92 36 Kr + 3 1 0 n 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
Khi một 235 U phân hạch sẽ tạo ra trung bình 2,5 neutron, các neutron này sẽ tiếp tục gây ra phản ứng phân hạch lên các 235 U khác và tạo ra phân ứng dây chuyền. 
 Năng lượng sinh ra của phản ứng phân hạch từ 1kg 235 U tương đương 20.000 tấn TNT. 
Lò phản ứng hạt nhân là lò được thiết kế để tự duy trì phản ứng chuỗi. 
1942 Fermi ở đại học Chicago đã tạo ra lò phản ứng phân hạch đầu tiên sử dụng Uranium tự nhiên làm nhiên liệu. 
Uranium tự nhiên chứa 0,7% 235 U và 99,7% 238 U. Trong đó 238 U hầu như không xảy ra phản ứng phân hạch. 
 Hầu hết các lò phản ứng hạt nhân ngày nay đều sử dụng uranium làm nhiên liệu. 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH HẠT NHÂN: Là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân năng mà có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân nhẹ. 
PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 
ÁP DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN: Xét bài toán một hạt proton (H) bắn vào hạt nhân Li đứng yên với động năng của proton 600 keV gây ra phản ứng hạt nhân sinh ra 2 hạt He bay ra theo hướng vuông góc với nhau. Xác định động năng của He bay ra. 
 Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng 
Áp dụng định luật bảo toàn động lượng 
Ví dụ: xét phản ứng p + 13 C 13 N + n. Trong đó coi 13 C ban đầu đứng yên, proton bắn vào hạt nhân 13C có động năng 4,15MeV và hạt neutron bay ra dưới một góc 90 0 so với phương của hạt nhân 13 N. Tính động năng của neutron bay ra. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 PHÂN RÃ PHÓNG XẠ 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 CÁC KHÁI NIỆM 
 a. Định nghĩa : 
·    Phân rã phóng xạ là sự biến đ ổi tự phát một đ ồng vị này thành một đ ồng vị khác, thông qua việc phát ra một hạt nào đ ó. 
·  Nhân chịu sự phân rã phóng xạ đư ợc gọi là nhân phóng xạ. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·   Nhaân khoâng chòu söï phaân raõ phoùng xaï ñöôïc goïi laø nhaân beàn. 
b. Caùc ñaëc tröng cuûa phoùng xaï laø : 
·    Loaïi haït phaùt ra 
·     Naêng löôïng haït phaùt ra 
·    Thôøi gian phaùt ra 
·    Phaân boá goùc giöõa caùc haït cuøng phaùt ra vaø spin 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·    Tính phoùng xaï khoâng phuï thuoäc vaøo tính chaát hoaù hoïc vaø lyù hoïc cuûa ñoàng vò. 
c. Caùc loaïi phoùng xaï: 
·    Phoùng xaï phaùt ra haït Anpha 
·    Phoùng xaï phaùt ra haït Beta( ñieän töû hoaëc pozitron) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·    Dòch chuyeån Gamma xaûy ra khi ñoàng vò phoùng xaï ôû traïng thaùi kích thích cao hôn chuyeån veà traïng thaùi thaáp hôn hoaëc veà traïng thaùi cô baûn. 
 Nhaân phaùt haït anpha hoaëc beta sau ñoù coù theå phaùt gamma neáu sau khi phaùt haït maø naêng löôïng cuûa heä thoáng ôû traïng thaùi cô baûn. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 d. Các đ ặc tr ư ng thời gian của phân rã phóng xạ : 
 ·      Thời gian sống trung bình  
Phân rã phóng xạ là một quá trình thống kê cho dù các nhân là nh ư nhau và đư ợc tạo ra cùng một thời đ iểm sẽ phân rã sau những thời gian khác nhau. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Nh ư ng nếu ta tính cho một số rất lớn nhân thì thời gian sống trung bình  của một loại nhân là một đ ại l ư ợng đ ặc tr ư ng cho loại nhân đ ó. 
 Mỗi loại nhân có một  xác đ ịnh và không phụ thuộc vào cách thức thu hạt nhân và các đ iều kiện bên ngoài nh ư : nhiệt đ ộ, áp suất, đ iện từ tr ư ờng, trạng thái vật chất. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·         Chu kyø baùn raõ 
 Khoaûng thôøi gian ñeå cho caùc nhaân phoùng xaï N 0 giaûm ñi phaân nöõa ñöôïc goïi laø chu kyø baùn raõ T 1/2 töùc laø : taïi thôøi ñieåm t 0 = T 1/2 soá nhaân coù theå phaân raõ chæ laø : 
t = T 1/2 -> N(T 1/2 ) =	(2.1) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Mỗi nguyên tố phóng xạ có chu kỳ bán rã xác đ ịnh 
·        Hằng số phân rã: 
 Để mô tả hiện t ư ợng phân rã phóng xạ ng ư ời ta đư a vào một đ ại l ư ợng mới gọi là hằng số phân rã  . Hằng số phân rã là xác suất đ ể một nhân phân rã trong một đơ n vị thời gian . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Nếu nh ư có N nhân không bền thì trong một đơ n vị thời gian sẽ có  N nhân phân rã. 
 Mỗi loại nhân có một hằng số phân rã đ ặc tr ư ng. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Định luật phân rã phóng xạ 
 1. Thiết lập đ ịnh luật c ơ bản 
	 Trong một đơ n vị thời gian số nhân phân rã là  N , trong thời gian đ iện tích số nhân phân rã là dN bằng: 
	dN = -  Ndt	(2.2) 
	 Dấu trừ (-) ở đ ây cho biết số nhân bị phân rã giảm theo thời gian . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Ta ký hiệu: 
 - Tại t = 0 số nhân phóng xạ ban đ ầu là N 0 
 - Tại t số nhân phóng xạ là N(t) 
Nếu gọi R là tốc đ ộ phân rã thì hay còn gọi là hoạt đ ộ phóng xạ : 
	(2.3) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Mặt khác từ (2.2) ta có thể tìm đư ợc N(t) bằng cách lấy tích phân của : 
 cuối cùng ta đư ợc : 
	 (2.4) 
đư ợc gọi là đ ịnh luật c ơ bản của phân rã phóng xạ . N(t) là số hạt nhân còn lại. 
=> Hoạt đ ộ phóng xạ : R(t) = N(t) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 2. 	Quan hệ giữa chu kỳ bán rã T 1/2 và hằng số phân rã  
	 Tại t = T 1/2 thì số nhân phân rã phóng xạ còn lại bằng phân nữa số nhân ban đ ầu : 
	(2.5) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Thay (2.5) vaøo (2.4) ta ñöôïc : 
	(2.6) 
Vaäy : Chu kyø baùn raõ tæ leä nghòch vôùi haèng soá phaân raõ 
12/3/2021 2:56:33 PM 
3. Quan hệ giữa thời gian sống trung bình  và hằng số phân rã 
 Ta lấy một thời đ iểm t nào đ ó đ ể khảo sát. 
 Những nhân nào phân rã tr ư ớc thời đ iểm t sẽ có thời gian sống bé h ơ n t. Những nhân phân rã trong vi phân thời gian dt tại t sẽ có thời gian sống t. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Số nhân này sẽ là dN(t) bằng : 
	dN(t) =  N(t)t dt	 (2.7) 
 Thời gian sống tổng cộng của số nhân này là : 
	t.dN(t) =  N(t)t dt	(2.8	 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Thời gian sống trung bình của nhân này sẽ là: 
 Thay (2.4) vào ta đư ợc : 
	 (2.9) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Đổi biến   t = x ta đư ợc : 
	 (2.10) 
Vậy : Thời gian sống trung bình của nhân bằng nghịch đ ảo của hằng số phân rã phóng xạ 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Số nhân phóng xạ còn lại sau thời gian sống trung bình của nhân  là : 
Sau thời gian  nhân phóng xạ giảm e lần 
 Trên hình 1 trình bày sự phụ thuộc của N(t) theo thời gian dựa theo qui luật (2.4) . Ta thấy rằng cứ sau một thời gian bán rã T 1/2 thì số nhân phóng xạ giảm đ i còn một nữa. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 O T 1/2 2T 1/2 3T 1/2 t 
	 Hình 1 : Qui luật phân rã phóng xạ 
 N(t) 
 N 0 
 ½ N 0 
 1/4N 0 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Từ đ ịnh nghĩa của T 1/2 ta suy ra số nhân phóng xạ N còn lại sau n chu kỳ bán rã so với số N 0 ban đ ầu là : 
	với	 
Ví dụ  : Có T 1/2 = 5,27 n ă m. Hỏi sau t = 10,54 n ă m số nhân phóng xạ N còn lại bằng bao nhiêu so với số N 0 ban đ ầu ? 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Lời giải  : Từ :	N = N 0 e -  t 
áp dụng công thức :T 1/2 = 
có 	 Suy ra : 
Tại t = 2T 1/2 số nhân phóng xạ còn lại là : 	 N = 0,25N 0 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 PHÂN RÃ ALPHA 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Phân Rã Alpha 
	 Hiện t ư ợng một nhân nặng có khối số A , nguyên tử số Z tự đ ộng phát ra hạt alpha( 2 He 4 ) đ ể trở thành một nhân khác có khối số giảm 4 đơ n vị(A -4) và nguyên tử số giảm 2 đơ n vị ( Z-2) là phân rã alpha. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Phân rã anpha đư ợc miêu tả nh ư sau: 	 
 	(3.1) 
 nhân mẹ nhân con hạt anpha 
	 Ta gọi nhân nặng phát hạt alpha là nhân mẹ , nhân có khối số (A – 4) và nguyên tử số (Z -2) là nhân con . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
· Phaân raõ anpha xaûy ra khi haït nhaân phoùng xaï coù tæ soá N/Z quaù thaáp. 
·   Phaân raõ alpha thoaû ñieàu kieän khoái löôïng sau : 	 (3.2) 
 Trong ñoù : M m , M c , m , m e töông öùng laø khoái löôïng cuûa nhaân meï, nhaân con, haït alpha, haït ñieän töû . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Q : Tổng đ ộng n ă ng của nhân con và hạt alpha. 
· Vùng phân rã alpha : Phân rã alpha chỉ xảy ra đ ối với các hạt nhân nặng . 
 Hiện có h ơ n 200 nhân phân rã anpha. Đa số chúng nằm cuối bảng tuần hoàn và Z >83. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
    Caùc ví duï phaân raõ alpha : 
	 (3.3) 
	 (3.4) 
	 (3.5) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Chu kỳ bán rã và n ă ng l ư ợng hạt alpha: 
 Tính chất quan trọng nhất của phân rã alpha là sự phụ thuộc rất mạnh của chu kỳ bán rã và n ă ng l ư ợng của hạt alpha. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Định luật Geiger – NuHall phản ánh đ iều đ ó nh ư sau :	 	(3.6) 
C, D : là các hằng số không phụ thuộc vào khối số A mà chỉ phụ thuộc chủ yếu vào Z. 
 Định luật đư ợc áp dụng rất tốt cho nhân chẵn – chẵn. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
	 Ta có thể biểu diễn đ ịnh luật Geiger – NuHall d ư ới dạng có sự phụ thuộc của quảng chạy R vào hằng số phân rã  nh ư sau :	 lgR = Alg  + B 
 A : Chỉ đ ộ nghiêng của đư ờng thẳng 
 B : Có giá trị khác nhau đ ối với các dãy phóng xạ tự nhiên khác nhau . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Cần chú ý là hạt alpha bị hấp thụ rất mạnh bởi môi tr ư ờng . Do vậy quãng chạy của nó trong môi tr ư ờng rất bé. 
 Do vậy bức xạ alpha từ nguồn ngoài chiếu vào c ơ thể ít bị nguy hiểm. 
 Ng ư ời ta tính đư ợc quãng chạy R của hạt alpha có n ă ng l ư ợng cao nhất trong không khí cũng chỉ khoảng 9cm. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 · Hạt alpha phát ra với n ă ng l ư ợng và suất ra xác đ ịnh . 
 Hình 2 trình bày sự phân rã theo hai nhánh. Nhánh thứ nhất với hạt alpha có n ă ng l ư ợng = 4,591 Mev, suất ra 5,7%. Sau khi phát hạt alpha trở thành đ ồng vị Radon ( Rn 222 ) ở trạng thái kích thích. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Lập tức ngay sau đ ó thực hiện việc phát bức xạ gamma với n ă ng l ư ợng đ ể về trạng thái c ơ bản. 
 Nhánh thứ hai sau khi phát anpha có n ă ng l ư ợng , suất ra 94,3% trở thành Radon ở trạng thái c ơ bản. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 1 :4,591Mev Ra 226 
 5,7% 
 2 : 4,777 Mev 
 	94,3% 
  : 0,186 Mev 	Ra 222 
 Hình 2: S ơ đ ồ phân rã của Ra 226 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Bài toán mẫu 1: 
	 Bảng sau đ ây cho mộât số phép đ o tốc đ ộ phân rã của 128 I. Đây là chất đ ánh dấu đ ể đ o tốc đ ộ hấp thụ Iốt của tuyến giáp trong ngành y học hạt nhân . 
 Tìm hằng số phân rã và chu kỳ bán rã của hạt nhân đ ó ? 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Lời giải :	 
 Lấy gorarit tự nhiên của N(t) = N 0 e - t 
Thời gian ( phút) 
R ( Số đ ếm /S) 
4 
36 
68 
100 
132 
164 
196 
218 
392,2 
161,4 
65,5 
26,8 
10,9 
4,56 
1,86 
1,00 
12/3/2021 2:56:33 PM 
PHÂN RÃ BETA 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Phaân Raõ Beta 
 Hieän töôïng phaân raõ beta laø hieän töôïng bieán ñoåi töï nhieân moät nhaân khoâng beàn thaønh moät nhaân beàn vôùi ñieän tích thay ñoåi moät ñôn vò , keøm theo vieäc phaùt moät electron hay chieám moät electron cuûa lôùp voû nguyeân töû ( thöôøng laø cuûa lôùp K) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Có 3 loại phân rã  
1.Phân rã  - ( Phân rã đ iện tử) 
·  Trong phân rã loại này nhân Z X A phát ra một e - và một phản neutrino . 
 : là hạt trung hoà không có khối l ư ợng 	( gần đ úng ) 
 Ph ươ ng trình phân rã là : 
	 (4.1) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Ví dụ : 	 (4.2) 
	 (4.3) 
	 (4.4) 
· Ta thấy phân rã  - theo (4.1) là kết quả của phân rã neutron trong nhân đ ể biến thành proton theo s ơ đ ồ sau : 
	 (4.5) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·   Trong hình 3 nhaân 19 K 42 phaùt ra hai haït  - . Haït  - thöù nhaát coù suaát ra 18% vôùi naêng löôïng 2,04 Mev. 
 Sau khi phaùt haït thöù nhaát trôû thaønh 20 Ca 42 ôû traïng thaùi kích thích vôùi möùc naêng löôïng 1,53 Mev. Sau ñoù phaùt ra  vôùi naêng löôïng E  = 1,53 Mev ñeå veà traïng thaùi cô baûn cuûa 20 Ca 42 coù naêng löôïng baèng 0 . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 19 K 42 
  - 3,55Mev  - 2,004Mev 
 82% 18% 
 20 Ca 42 
 Hình 3: S ơ đ ồ phân rã  - của 19 K 42 	thành 19 Ca 42 
12/3/2021 2:56:33 PM 
· Phaân raõ  - tuaân theo quan heä khoái löôïng sau ñaây : 
 M m = M c + m e - + Q	 (4.6) 
M m , M c , m e - laø khoái löôïng nhaân meï, nhaân con vaø ñieän töû 
Q : laø khoái löôïng töông öùng vôùi toång ñoäng naêng cuûa e - vaø . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·   Phoå naêng löôïng cuaû e - trong phaân raõ  ­ laø phoå lieân tuïc töø 0 ñeán naêng löôïng E Max = QC 2 . 
	 Hình 4 trình baøy phoå phaân raõ  - cuûa P 32 . Naêng löôïng cöïc ñaïi cuûa phoå laø E Max = 1,71 Mev. Naêng löôïng trung bình E TB = 0,7 Mev, töùc baèng 41% cuûa E Max . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Số t ươ ng đ ối 
 E TB = 0,7Mev 
 	 E Max = 1,71Mev 
 0 0,5 1,0 1,5 
 Hình 4 : Phổ phân rã  - của đ ồng vị P 32 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Thấy ph ươ ng trình (4.4) thoả các đ ịnh luật bảo toàn: 
- Bảo toàn đ iệân tích : 
 ( +15 e ) = ( +16 e ) + ( - e ) + (0)	(4.7) 
Chú ý rằng không mang đ iện. 
 -  Bảo toàn số nucleon : 
 (32) = (32) + (0) + (0)	(4.8) 
Chú ý rằng e và đ ều không phải là nucleon 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·   Khaû naêng ñaâm xuyeân cuûa haït beta lôùn hôn haït anpha. 
 Haït Beta ít nguy hieåm khi chieáu xaï ngoaøi. Chæ nguy hieåm khi haït beta ñi vaøo cô theå, vì luùc ñoù trong quaù trình haáp thuï cuûa cô theå noù sinh ra tia X coù khaû naêng ñaâm xuyeân lôùn. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
2. Phân rã  + (hoặc phân rã positron) 
 Ở đ ây nhân Z X A phát ra một positron e + và một neutrino  đ ể hình thành một nhân có cùng khối số A nh ư ng với số nguyên tử Z bé h ơ n 1 đơ n vị . 
Trong quá trình này một proton của nhân biến thành một neutron , một e + và một . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Có thể biểu diễn trong dạng sau đ ây : 
	 	 (4.9) 
Ví dụ : 
	 (4.10) 
	 (4.11) 
	 (4.12) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
· Phaân raõ  + tuaân theo quan heä khoái löôïng sau ñaây :	 (4.13) 
 laø khoái löôïng nhaân meï , nhaân con vaø ñieän töû û 
Q : laø khoái löôïng töông öùng vôùi toång ñoäng naêng cuûa e + vaø . 
 Chuù yù raèng e + laø phaûn haït cuûa e , do ñoù khoái löôïng m e + = m e . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·      Quan heä veà khoái löôïng coù theå bieåu dieãn qua khoái löôïng nguyeân töû cuûa nguyeân töû meï vaø nguyeân toá con nhö sau : 
 Trong (4.13 ) nhaân con coù soá nguyeân töû beù hôn 1 ñôn vò . Coù nghóa laø nhaân con bò maát ñi moät e - quõi ñaïo khi phaân raõ moät e + . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Ta có :	 
 	 (4.14) 
 : là khối l ư ợng nguyên tử nhân mẹ , nhân con và đ iện tửû 
12/3/2021 2:56:33 PM 
3. Hiện t ư ợng bắt e - của lớp vỏ nguyên tử ( bắt K) 
 Là hiện t ư ợng nhân Z X A hấp thụ một đ iện tử của lớp nguyên tử (th ư ờng là của lớp k) và phát đ ể trở thành nhân mới ,có cùng khối số A nh ư ng với số Z bé h ơ n 1 đơ n vị . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Trong quá trình này một proton của nhân biến thành một neutron và một neutrino sau khi hấp thụ một e - của lớp vỏ . 
 Biễu diễn hiện t ư ợng đ ó nh ư sau : 
	 (4.15) 
Ký hiệu : b.e - là bắt đ iện tử lớp vỏ nguyên tử 
12/3/2021 2:56:33 PM 
· Ta thaáy hieän töôïng naøy gioáng vôùi phaân raõ  + 
·      Hieän töôïng baét K tuaân theo quan heä khoái löôïng sau ñaây : 
	 (4.16) 
 :laø khoái löôïng nguyeân töû nhaân meï , nhaân con vaø ñieän töûû . 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Q : là khối l ư ợng t ươ ng ứng với n ă ng l ư ợng của hiện t ư ợng 
B : là khối l ư ợng t ươ ng ứng với n ă ng l ư ợng liên kết e - bị bắt . 
Ví dụ  : Hiện t ư ợng bắt K của nhân Na 22 nh ư sau : 
	 (4.17) 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Hình 5: S ơ đ ồ biến đ ổi của 11 Na 22 thành 10 Ne 22 
 Trong đ ó n ă ng l ư ợng liên kết của e - bị bắt của lớp K của nguyên tử 11 Na 22 là E B = 1,08 Mev. Sau khi bắt e - lớp K nhân 10 Ne 22 phát tia  n ă ng l ư ợng E  = 1,277 Mev , do đ ó đ ộng n ă ng của là : 
 3,352 – 1,277 = 2,075. 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 11 Na 22 
 b.e - . 10,2% 
  + 0,544 Mev 
 89,8% 
  1,277 Mev 
 10 Ne 22 
Hình 5: S ơ đ ồ biến đ ổi của 11 Na 22 	 thành 10 Ne 22 
12/3/2021 2:56:33 PM 
·   Taùc haïi cuûa hieän töôïng baét K coù theå hieåu nhö sau : 
 Sau khi baét K, trong lôùp K xuaát hieän loã troáng . Moät e - lôùp L ngoaøi lôùp K seõ chuyeån vaøo vò trí loã troáng lôùp K vaø phaùt ra tia X ñaëc tröng. Tia X naøy seõ gaây nguy hieåm cho ngöôøi 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Nhìn lại thấy rằng phân rã  không phải là quá trình bên trong hạt nhân . 
 Thực chất nó là quá trình bên trong hạt nucleon . 
 Nó giúp ta hiểu rằng các hạt c ơ bản proton và neutron không thực sự là các hạt c ơ bản nữa 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Bài Toán mẫu 4 : 
 Tính n ă ng l ư ợng phân rã Q đ ối với phân rã  của 15 P 32 theo ph ươ ng trình phân rã : 
Các khối l ư ợng nguyên tử của : 
15 P 32 là 31,97391 U, 16 S 32 là 31,97207 U 
12/3/2021 2:56:33 PM 
Lời giải : Gọi m p và m s là khối l ư ợng nhân của P 32 và S 32 
m p , m s là khối l ư ợng nhân của P 32 và S 32 
 Theo (4.4) n ă ng l ư ợng phân rã Q bằng mc 2 , trong đ ó theo (4.6) có : 
	 m = m p – ( m s + m e - ) 
	 m e - : khối l ư ợng của e - 
12/3/2021 2:56:33 PM 
 Nếu cộng vào 15m e - và bớt đ i 16m e - ở vế phải của ph ươ ng trình tính m ta sẽ có : 
 - 
Kl nguyên tử 15 P 32 Kl nguyên tử 16 S 32 
	 m = m p - m s 
và Q = m.C 2 = ( 31,97391 U – 31,97207 U) ( 932 Mev /U) = 1,71Mev. 
PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 
Có 4 chuỗi phân ra phóng xạ tồn tại trong tự nhiên 
Natri là chất phóng xạ β - với chu kì bán rã T=15h .Ban đầu có 12g .a. Viết phương trình phản ứng phóng xạb. Tính độ phóng xạ của khối chất còn lại sau 30h . 
Bài 1: 
Bài 2: Pôlôni là chất phóng xạ alpha với chu kì phóng xạ 140ngày đêm, ban đầu có 21g . 
a. Viết phương trình phản ứng phóng xạ , tìm cấu tạo hạt nhân con? b. Tính số hạt nhân Po ban đầu và số hạt còn lại sau thời gian 280 ngày và 325ngày 
Bài 3:Cho phản ứng hạt nhân sau ; 
Tìm hạt nhân X ,tính xem phản ứng thu hay toả bao nhiêu năng lượng ? 
Cho :m B = 9,9756u ; m He =4,001506u ,m X =1,998u, 
 m Be =7,9796u ; u= 931,5MeV/c 2 
He 
Be 
B 
X 
+ 
=> 
+ 
Bài 4:Chất phóng xạ Po phân rã theo phản ứng sau : 
+ 
=> 
a. Tính năng lượng toả ra khi có 10 g Po phân rã hết ? Cho :m Po = 209,9828u ; m He =4,0026u , m Pb =205,9744u, u= 931,5MeV/c 2 
b. Tính động năng của hạt sản phẩm ngay sau phản ứng ? 
Bài 5 : Ban đầu có 2g Radon ( 222 Rn) là chất phóng xạ với chu kỳ bán rã T = 3,8 ( ngày đêm) . Tính 
 a/Số nguyên tử ban đầu 
b/Số nguyên tử còn lại sau thời gian t = 1,5T 
c/Tính ra (Bq) và (Ci) độ phóng xạ của lượng Rađon nói trên sau t = 1,5T. 
Bài 6 : 
Cho phản ứng hạt nhân : 
a. Viết đầy đủ phản ứng trên : Cho biết tên gọi, số khối và số thứ tự của hạt nhân X. 
b. Phản ứng trên : phản ứng tỏa hay thu năng lượng ? Tính độ lớn của năng lượng tỏa ra hay thu vào đó ra (eV). 
Cho khối lượng các hạt nhân : 
m Na= =22,983734u , m p =1,007276u 
m α =4,0015u , m Ne =19,97865u , u= 931,5MeV/c 2 
Bài 7: Cho phản ứng hạt nhân : 
a. Xác định hạt nhân X 
b. Tính năng lượng tỏa ra từ phản ứng trên khi tổng hợp được 1 (g) He. Cho biết N A = 6,02.10 23 phân tử/mol 
Bài 8: Trong một mẫu quặng Uran, người ta thấy có lẫn 206 Pb và 238 U. Nếu tỉ lệ cứ 10 nguyên tử Uran thì có 2 nguyên tử chì. 
a. Viết phương trình biết rằng Uran phân rã thành chì qua một số lần phát alpha và beta trừ. 
b. Xác định tuổi của quặng biết chu kì T = 4,5.10 9 năm 
Bài 9 : Người ta dùng prôtôn có năng lượng K=1,6 (MeV) bắn vào hạt nhân Li(3-7) đứng yên và thu được 2 hạt giống nhau có cùng động năng. 
a. Viết phương trình của phản ứng, ghi rõ các nguyên tử số Z và số khối A. 
b. Tính động năng K của mỗi hạt. 
c. Phản ứng hạt nhân này tỏa hay thu bao nhiêu năng lượng 
 Cho : 	m p = 1,0073u 	; m Li = 7,0144 u 
 m = 4,0015u; u= 931MeV/c 2 
Bài 10:Bắn hạt alpha có động năng 4MeV vào hạt nhân N(7-14) đứng yên thì thu được một hạt prôtôn và hạt nhân X . 
a. Tìm hạt nhân X tính xem phản ứng thu hay toả bao nhiêu năng lượng ? 
b. Giả sử 2 hạt sinh ra có cùng tốc độ , tính động năng và tốc độ của prôtôn . 
Cho m α = 4,0015u; m X = 16,9947u ; 
m N = 13,9992u; m p =1,0073u; u=931,5MeV/c 2 
c. Tìm góc tạo bởi hai hạt sau phản ứng 
Bài 11: khi phân tích một mẫu gỗ, người ta xác định rằng: 87,5% số nguyên tử của đồng vị phóng xạ 14 C đã phân rã thành 14 N. Xác định tuổi của mẫu gỗ này, Biết chu kỳ bán rã của 14 C là 5570 năm. 
Bài 12: Cho biết 238 U và 235 U là đồng vị phóng xạ. Trong quặng thiên nhiên hiện nay tỉ lệ của 238 U/ 235 U là 160:1. Giả sử rằng tỉ lệ này khi hình thành trái đất là 1:1. Tính tuổi của trái đất. Biết chi kỳ bán rã của 238 U và 235 U lần lượt là T 1 = 4,5.10 9 năm và T 2 = 7,13.10 8 năm. 
Bài 13: Bom nhiệt hạch(bom kinh khí) dùng phản ứng: D + T = He + n 
Tính năng lượng tỏa ra khi dùng 4g He để tạo thành vụ nổ. 
Năng lương này tương đương với lương thuốc nổ là bao nhiêu. Biết năng suất tỏa nhiệt của TNT là 4.1KJ/kg.