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

4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................... 4
4.2. Phƣơng tiện thực hiện đề tài................................................................................. 4
5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI............................................................................ 5
Phần NỘI DUNG
Chƣơng 1: ĐẠI CƢƠNG VỀ HẠT NHÂN
1.1. LỊCH SỬ TÌM RA CẤU TẠO HẠT NHÂN ........................................................... 6
1.2. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN .................................................. 6
1.2.1. Điện tích hạt nhân ............................................................................................. 6
1.2.2. Số khối .............................................................................................................. 7
1.2.3. Khối lƣợng hạt nhân.......................................................................................... 7
1.2.4. Bán kính hạt nhân nguyên tử ............................................................................ 7
1.2.5. Spin và mômen từ của hạt nhân ........................................................................ 8
1.2.6. Đồng vị và đơn vị khối lƣợng nguyên tử .......................................................... 9
1.2.6.1. Chất đồng vị ............................................................................................... 9
1.2.6.2. Đơn vị khối lƣợng nguyên tử ................................................................... 10
1.3. ĐỘ HỤT KHỐI ...................................................................................................... 10
1.4. NĂNG LƢỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN ............................................................ 10
1.5. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỰC HẠT NHÂN ........................................................... 12
Chƣơng 2: PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
2.1. KHÁI NIỆM PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ............................................................... 13
2.2. TIẾT DIỆN HIỆU DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ................................ 14
2.3. CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ................. 15
2.3.1. Định luật bảo toàn số khối .............................................................................. 15
2.3.2. Định luật bảo toàn điện tích ............................................................................ 15
2.3.3. Định luật bảo toàn năng lƣợng toàn phần ....................................................... 15
2.3.4. Định luật bảo toàn xung lƣợng........................................................................ 16
2.3.5. Định luật bảo toàn mômen động lƣợng toàn phần .......................................... 16
2.3.6. Định luật bảo toàn tính chẵn lẻ ....................................................................... 16
2.3.7. Định luật bảo toàn spin đồng vị ...................................................................... 17
2.4. NƠTRON VÀ PHẢN ỨNG ĐẶC TRƢNG CỦA NƠTRON ............................... 17

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

2.5.2.1. Phản ứng nhiệt hạch ................................................................................. 26
2.5.2.2. Điều kiện duy trì phản ứng nhiệt hạch ..................................................... 27
2.5.2.3. Nhiên liệu nhiệt hạch ............................................................................... 28
2.5.2.4. Điều khiển phản ứng nhiệt hạch .............................................................. 28
2.5.2.4.1. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển .............................................. 28
2.5.2.4.2. Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển .................................................... 28
2.5.2.4.3. Các phƣơng pháp hợp nhân ............................................................... 29
2.5.2.4.3.1. Phƣơng pháp hợp nhân lạnh ......................................................... 29
2.5.2.4.3.2. Phƣơng pháp hợp nhân ấm ........................................................... 29
2.5.2.4.3.3. Tổng hợp nhiệt hạch bằng lazer ................................................... 30
2.5.2.5. Phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên ......................................................... 30
2.5.2.6. Năng lƣợng nhiệt hạch ............................................................................. 31
Chƣơng 3: ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
3.1. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ............................................................................... 33
3.1.1. Sơ lƣợt về quá trình phát triển của lò phản ứng hạt nhân ............................... 33
3.1.2. Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân ............................................ 33
3.1.3. Cấu trúc lò phản ứng hạt nhân ........................................................................ 34
3.1.3.1. Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân .................................................................. 34
3.1.3.2. Nguyên tắc thiết của lò phản ứng hạt nhân .............................................. 34
3.1.3.3. Cấu tạo chi tiết từng bộ phận của lò phản ứng ........................................ 35
3.1.3.3.1. Thanh nhiên liệu .............................................................................. 35
3.1.3.3.2. Chất làm chậm ................................................................................. 36
3.1.3.3.3. Chất phản xạ .................................................................................... 36
3.1.3.3.4. Chất truyền nhiệt ............................................................................. 36
3.1.3.4. Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân ....................................................... 36
3.1.3.5. Chất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân ................................................ 36
3.1.3.6. Chất tải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân................................................... 37
3.1.3.7. Chất điều khiển của lò phản ứng hạt nhân ............................................... 37
3.1.4. Các loại lò phản ứng hạt nhân ......................................................................... 37
3.1.4.1. Lò khí ....................................................................................................... 37

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

3.3.1.2. Lịch sử phát triển vũ khí hạt nhân ........................................................... 52
3.3.1.3. Các loại vũ khí hạt nhân .......................................................................... 53
3.3.2. Đặc điểm của các loại vũ khí hạt nhân ........................................................... 54
3.3.2.1. Bom nguyên tử (bom A) .......................................................................... 54
3.3.2.1.1. Lịch sử phát minh bom nguyên tử................................................... 54
3.3.2.1.2. Điều kiện chế tạo bom A ................................................................. 55
3.3.2.1.3. Nguyên tắc hoạt động của bom A ................................................... 55
3.3.2.1.4. Sức hủy diệt của bom A .................................................................. 57
3.3.2.2. Bom khinh khí (bom H) ........................................................................... 58
3.3.2.2.1. Lịch sử phát minh bom khinh khí (bom H) ..................................... 58
3.3.2.2.2. Điều kiện chế tạo khinh khí (bom H) .............................................. 58
3.3.2.2.3. Nguyên tắc hoạt động của bom khinh khí (bom H) ........................ 59
3.3.2.2.4. Sức hủy diệt của bom khinh khí (bom H) ....................................... 61
3.3.2.2.5. Các vụ thử bom khinh khí (bom H) ................................................ 62
3.3.2.2.5.1. Vụ thử nghiệm của Mỹ .............................................................. 62
3.3.2.2.5.2. Vụ thử nghiệm của Nga ............................................................. 63
3.3.2.2.5.3. Vụ thử nghiệm của Trung quốc ................................................. 64
3.3.2.3. Bom nơtron (bom N) ............................................................................... 66
3.3.2.3.1. Lịch sử phát minh bom nơtron (bom N) ......................................... 66
3.3.2.3.2. Các đặc điểm của bom nơtron (bom N) .......................................... 67
Phần KẾT LUẬN .......................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 70

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

3



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

tiễn.

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Ở đây tôi chỉ sƣu tập các tài liệu và rút ra những điểm mấu chốt tổng hợp một
cách có hệ thống các kiến thức về vấn đề phản ứng hạt nhân và trong luận văn này tôi
chỉ nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết về phản ứng hạt nhân và các ứng dụng của phản ứng
hạt nhân mà chƣa có điều kiện nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm.

4. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ
TÀI
4.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với phƣơng
pháp tổng hợp lý thuyết về hạt nhân, phản ứng hạt nhân, nguyên tắc hoạt động của nhà
máy điện hạt nhân và cách chế tạo các loại bom hạt nhân.

4.2. PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Tài liệu tham khảo: sách, bài giảng, luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ sách
báo và internet.
- Ý kiến nhận đƣợc từ: giáo viên hƣớng dẫn, các thầy cô trong bộ môn và các bạn
sinh viên.

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35

4


Luận văn tốt nghiệp


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.

Năm 1930, Bohr nhận thấy một số nguyên tố nhẹ khi bắn vào chùm hạt  cho
một bức xạ đâm xuyên rất mạnh. Năm 1932, Chadwick gợi ý rằng đó là những hạt vật
chất giống nhƣ proton nhƣng không mang điện và ông gọi nó là nơtron (n).
Từ các kết quả lý thuyết và thực nghiệm của các nhà bác học. Cho đến nay ngƣời
ta thừa nhận: Hạt nhân nguyên tử là một hệ gồm các proton và các nơtron. Proton và
nơtron có tên chung là nucleon.

Mô hình cấu trúc nguyên tử Hiđrô
Mô hình cấu trúc nguyên tử Nitơ
Hình 1.1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
- Proton ký hiệu p, mang điện tích nguyên tố +e.
- Nơtron ký hiệu n, không mang điện.
Các nucleon liên kết với nhau trong hạt nhân để tạo thành hạt nhân bằng một lực
gọi là lực hạt nhân. Bản chất tƣơng tác giữa các hạt nucleon là tương tác mạnh. Đây là
một phát hiện mới của các nhà bác học ở thời kì đó. Trƣớc đó, ngƣời ta chỉ biết hai loại
tƣơng tác cơ bản của vật chất là tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ. Hai tƣơng tác
này không giải thích nổi sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử. Trong nghiên cứu các hiện
tƣợng phân rã phóng xạ và biến đổi của các hạt nhân, ngƣời ta còn phát hiện thêm một
loại tƣơng tác mới nữa của vật chất là tương tác yếu. Nhƣ vậy, cho đến thời kỳ này
ngƣời ta đã biết bốn loại tƣơng tác cơ bản của vật chất là tƣơng tác hấp dẫn, tƣơng tác
điện từ, tƣơng tác mạnh và tƣơng tác yếu. Song song với việc nghiên cứu hạt nhân
nguyên tử, ngƣời ta còn phát hiện ra các hạt vi mô khác ngoài proton và nơtron. Các hạt
này cũng tƣơng tác với nhau theo các tƣơng tác nói trên. Từ đó tách ra hai nghành vật lý
gần nhau, đó là vật lý hạt nhân và vật lý hạt cơ bản.

1.2. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
1.2.1. Điện tích hạt nhân
- Điện tích hạt nhân là tổng điện tích của các proton trong hạt nhân. Proton mang
điện tích là 1+, nếu hạt nhân có Z proton thì điện tích hạt nhân bằng Z+ và số đơn vị
điện tích hạt nhân bằng Z.

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

Z là số proton trong nguyên tử ( nguyên tử số)
- Số đơn vị điện tích hạt nhân Z và số khối A đặc trƣng cho hạt nhân và cũng đặc
trƣng cho nguyên tử, vì khi biết Z và A của một nguyên tử sẽ biết đƣợc số proton, số
electron và cả số nơtron trong nguyên tử đó (N = A – Z).
23
Ví dụ : Nguyên tử Natri ( 11
Na ) có A = 23 và Z = 11, suy ra nguyên tử Na có 11
proton, 11 electron và 12 nơtron.
Cần chú ý rằng điện tích và số khối luôn luôn tuân theo định luật bảo toàn điện
tích và định luật bảo toàn số khối trong mọi biến đổi của hạt nhân cũng nhƣ trong các
phản ứng hạt nhân.
1.2.3. Khối lƣợng hạt nhân
Khối lƣợng hạt nhân mhn bằng khối lƣợng của nguyên tử mnt trừ đi khối lƣợng
Zme của Z electron.
mhn  mnt  Zme (với me là khối lƣợng của electron)
Do Zme rất nhỏ so với mnt nên không đòi hỏi chính xác lắm ta có thể coi
mhn  mnt . Nhƣ vậy khối lƣợng của hạt nhân có thể xem là khối lƣợng của nguyên tử.
Việc đo trực tiếp khối lƣợng hạt nhân rất khó bởi vì ta phải tách tất cả các
electron ra khỏi nguyên tử. Nguyên tắc đó là phải ion hóa nguyên tử rồi đo khối lƣợng,
sau đó tính toán khối lƣợng của hạt nhân khi biết khối lƣợng của nguyên tử.
Có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc dùng để xác định khối lƣợng của hạt nhân nhƣ:
- Phƣơng pháp phối phổ kế.
- Phƣơng pháp phân tích năng lƣợng của các phản ứng hạt nhân.
- Phƣơng pháp phân tích dãy phân rã  .
- Phƣơng pháp phân tích dãy phân rã  . v.v…
1.2.4. Bán kính hạt nhân nguyên tử.
Do hạt nhân là một hạt vi mô tuân theo các định luật của vật lý lƣợng tử nên vấn
đề xác định kích thƣớc hạt nhân không đơn giản. Những quan niệm đầu tiên về kích
thƣớc hạt nhân đã đƣợc Rutherford nêu ra trên cơ sở nghiên cứu sự tán xạ của hạt. Theo
SVTH: Nguyễn Văn Tiến


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


Trong đó ro là một thông số có giá trị dao động trong khoảng từ 1,2 đến 1,5 fm
4
3

4
3

(Fermi: 1fm= 10-15m). Thể tích gần đúng của hạt nhân bằng V  R 3  R03 A . Do đó
thể tích hạt nhân tỉ lệ với số các nucleon, điều này có nghĩa là khối lƣợng riêng của tất
cả các hạt đều gần nhƣ nhau và cỡ 3.1017 kg/m3 hay lớn gấp 1014 lần khối lƣợng riêng
của một khối đá điển hình. Khối lƣợng riêng có giá trị cực lớn nhƣ thế này là sự phản
ánh kích thƣớc rất nhỏ của hạt nhân.
1.2.5. Spin và mômen từ của hạt nhân
Một đặc trƣng quan trọng của nucleon là có spin (mômen động lƣợng riêng). Ta
đã biết hạt nhân đƣợc cấu tạo bởi các proton và nơtron.
Các proton và nơtron là các hạt fermion (tức là hạt có spin bán nguyên). Spin
của proton và của nơtron bằng


. Cũng giống nhƣ electron trong nguyên tử, các
2

nucleon chuyển động trong hạt nhân, chuyển động tƣơng đối của chúng trong hạt nhân
đƣợc đặc trƣng bởi mômen quỹ đạo có giá trị lƣợng tử hóa. Tổng mômen quỹ đạo của
các nucleon và spin của chúng là spin của hạt nhân.
Thực nghiệm cho thấy spin của hạt nhân phụ thuộc vào số khối A. Hạt nhân có
số khối A chẵn thì có spin nguyên (0, ,2,3 …). Hạt nhân có số khối A lẻ thì có spin
 3
,... ). Hạt nhân có số Z và số N chẵn thì có spin bằng 0.
2 2

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:

Z

Z

A Z

    Li    Si    Si
( p)

i 1

( p)

i 1

(n)

i 1

Số hạng thứ nhất ở vế phải của biểu thức là tổng mômen từ quỹ đạo của các
proton thứ i. Số hạng thứ hai ở vế phải của biểu thức là tổng mômen từ spin của các
proton thứ i. Số hạng thứ ba ở vế phải là tổng momen từ spin của các nơtron thứ i.
Mômen từ của hạt nhân đƣợc đo bằng manheton hạt nhân  hn . Thực nghiệm cho
biết mômen từ của proton và nơtron là:  p  2,79hn ;  n  1,9103 hn
Ðơn vị mômen từ hạt nhân có tên là magheton hạt nhân có giá trị bằng:
n 

e
1
1022


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

2,97
-1,91
0,86
-2,13
3,65
-0,55
-1,30
-1,29
-0,13

1.2.6. Đồng vị và đơn vị khối lƣợng nguyên tử
1.2.6.1. Chất đồng vị
Hạt nhân đƣợc kí hiệu nhƣ sau : ZA X hoặc Z X A
X là tên hạt nhân (tên nguyên tố), Z là số proton có trong hạt nhân nhƣng cũng là
nguyên tử số, số điện tích, số electron quay xung quanh hạt nhân và là số thứ tự của
nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn, A là số khối của nó.
+ Các nguyên tử mà hạt nhân có cùng số proton Z nhƣng khác nhau số nơtron N
(do đó khác số A) gọi là các đồng vị ( chúng ở cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn).
Ví dụ: các đồng vị của Uran 92U 233 , 92U 235 , 92U 238
+ Các hạt nhân có cùng số khối A nhƣng khác nhau số proton Z đƣợc gọi là các
nhân đồng phân.
Ví dụ: đồng phân của triti 1H3 là 2H3.
+ Các hạt nhân có số nơtron N bằng nhau gọi là các nhân đồng nơtron.
+ Hai hạt nhân đồng phân (cùng A) mà có số hạt nhân Z của hạt nhân này bằng
số nơtron N của hạt nhân kia và ngƣợc lại gọi là hạt nhân đối xứng gương.
Ví dụ: 1H3 và 2H3 ; 3Li7 và 4Be7 ; 12Mg25 và 13Al25
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35


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

electron là me= 0,000549u .
Trong vật lý hạt nhân và hạt cơ bản ngoài các đơn vị trên ngƣời ta còn dùng đơn
vị đo bằng đơn vị năng lƣợng chia cho c2 (c là vận tốc ánh sáng trong chân không), cụ
thể ngƣời ta dùng đơn vị

Mev
ev
hoặc 2 .
2
c
c

Có đơn vị này ngƣời ta dựa vào hệ thức Einstein giữa năng lƣợng và khối lƣợng
E = mc2
Từ đó có thể suy ra: 1u = 1,66058.1027kg  931,5

Mev
.
c2

Bảng 1.2. Khối lƣợng và năng lƣợng của một số hạt
Hạt
Nơtron
Proton
Đơtron
Alpha

Đơn vị khối lƣợng u
1,008665
1,007276

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

của các nucleon tăng lên một lƣợng  m bù vào độ hụt khối khối lƣợng nói trên khi ta
tổng hợp.

SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Năng lƣợng cần thiết để giữ chặt các nucleon trong hạt nhân gọi là năng lƣợng
liên kết hạt nhân (hay đƣợc định nghĩa là năng lƣợng có giá trị bằng công cần thiết để
phá vỡ hạt nhân thành các nucleon riêng biệt).
Năng lƣợng liên kết hạt nhân (ký hiệu W ) có giá trị bằng và ngƣợc dấu với
năng lƣợng cung cấp từ ngoài vào E để phá vỡ hạt nhân thành các nucleon riêng lẻ
W = - E = - mc 2 = mhn  Zmp   A  Z mn c 2
Ðể so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính năng lƣợng liên kết
riêng đối với một nucleon và ta gọi tên nó là năng lƣợng liên kết riêng hay năng lƣợng
liên kết trung bình (năng lƣợng liên kết ứng với 1 nucleon).


W
A

Năng lƣợng liên kết đặc trƣng cho mức độ bền vững của hạt nhân. Nếu năng
lƣợng liên kết riêng càng lớn, thì năng lƣợng cung cấp làm phân rã hạt nhân càng cao,
vì thế hạt nhân đó đƣợc gọi là hạt nhân bền. Ngƣợc lại, nếu năng lƣợng liên kết riêng
càng nhỏ hạt nhân đƣợc gọi là hạt nhân không bền.

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

thuận lợi về mặt năng lƣợng. Sự biến đổi này tạo ra một năng lƣợng khổng lồ.
Đƣờng cong năng lƣợng chứng tỏ về mặt năng lƣợng có hai phƣơng pháp giải
phóng năng lƣợng hạt nhân đó là phân chia các hạt nhân nặng hơn thành các hạt nhân
nhẹ hơn và tổng hợp các hạt nhân nhẹ hơn thành các hạt nhân nặng hơn. Hai loại phản
ứng này đã đƣợc thực hiện trong thực tế đối với các hạt nhân nặng là phản ứng phân
hạch và đối với các hạt nhân nhẹ là phản ứng nhiệt hạch (sẽ nghiên cứu ở chƣơng sau).

1.5. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỰC HẠT NHÂN
Hạt nhân nguyên tử có cấu trúc khá bền vững. Sự tồn tại của hạt nhân cũng hàm
ý là có một lực tƣơng tác để giữ các nucleon ở cùng trong một vùng không gian nhỏ bé
đó. Thực tế để thắng đƣợc lực đẩy tĩnh điện do các proton tác dụng lên nhau thì lực
trong hạt nhân phải là lực hút rất mạnh, nó cũng không phải là lực hấp dẫn giữa các
nucleon vì lực này rất yếu không đáng kể. Điều đó chứng tỏ các nucleon trong hạt nhân
phải hút nhau bằng những lực rất mạnh gọi là lực hạt nhân.
Lực hạt nhân phức tạp hơn nhiều so với lực hấp dẫn và lực điện từ. Nó không thể
biễu diễn bằng một biểu thức đơn giản giống nhƣ định luật Cu-lông đối với lực điện,
mặc dù không có một biểu thức chính xác cho lực hạt nhân nhƣng chúng ta vẫn có thể
xét một số đặc điểm của nó:
+ Vì các nuclon là proton (p) và nơtron (n) nên khi chúng tƣơng tác với nhau chỉ
có thể cùng loại hoặc khác loại, tức là chỉ (p-p), (n-n), (p-n) mà thôi. Thực nghiệm
chứng tỏ rằng tƣơng tác hạt nhân giữa các cặp đó là hoàn toàn nhƣ nhau. Hay nói cách
khác, lực hút hạt nhân có đặc điểm không phụ thuộc vào điện tích.
+ Lực hạt nhân có bán kính tác dụng rất ngắn. Hai nucleon chỉ tác dụng với
nhau khi chúng cách nhau một khoảng r < 10-15 m. Ngoài khoảng này, lực hạt nhân giảm
nhanh xuống đến giá trị không.
+ Lực hạt nhân có đặc tính bão hòa: mỗi nucleon chỉ tƣơng tác với một số
nucleon khác lân cận chứ không tƣơng tác với tất cả các nucleon có trong hạt nhân.
+ Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin của các nucleon, phụ thuộc vào sự định
hƣớng tƣơng hỗ của spin các hạt tƣơng tác.
Từ đó cho thấy tƣơng tác hạt nhân là tƣơng tác rất mạnh, về bản chất khác hẳn

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

hạt nhân có hàng rào thế Cu-lông thấp. Ngày nay, nhờ các máy gia tốc hiện đại tạo ra
các hạt đạn có năng lƣợng cao nên hầu nhƣ có thể bắn phá đƣợc bất kì hạt nhân nào
bằng bất cứ hạt đạn nào khác.
Năm 1919, Rutherford đã dùng hạt  có năng lƣợng 7,7 Mev bắn phá hạt nhân
14
Nitơ ( 7 N ) thu đƣợc hạt nhân Oxi ( 178O ) và một proton 11P . Phƣơng trình của phản ứng
này là :
4
2

He147N (189F )178O11P

Khi hạt nhân  đập vào hạt nhân Nitơ ( 147 N ) thì nó lọt vào trong hạt nhân và tạo
thành một hạt nhân không bền vững 189F (đồng vị của fluo). Hạt nhân này phân rã ngay
thành proton 11P và một đồng vị của Oxi ( 178O ).
Nhƣ vậy có thể hình dung phản ứng hạt nhân xảy ra khi một hạt làm đạn (  , n, p
...hay một hạt nhân khác) đi vào miền tác dụng của lực hạt nhân ở khoảng cách 10 -15 m.
Trong quá trình phản ứng có sự sắp xếp lại điện tích và các nucleon của hạt nhân và các
hạt khác, do đó xuất hiện các hạt nhân mới.
Phƣơng trình phản ứng hạt nhân có thể viết nhƣ sau:
a+A  B+b
Ngoài ra nó còn đƣợc viết dƣới dạng : A(a,b)B. Cách viết này có đƣợc là do
nhiều khi ngƣời ta chỉ chú ý tới những hạt bắn vào và những hạt mới phát ra. Do đó,
ngƣời ta biểu diễn là (a,b) hay viết cụ thể là (p,p); (  ,n); (n,2n);...
Khi hạt nhân a tƣơng tác với hạt nhân A phản ứng có thể xảy ra nhiều cách khác
nhau. Ngƣời ta phân thành 3 loại đó là: phản ứng hạt nhân thực sự, khuếch tán không
đàn hồi, khuếch tán đàn hồi.
- Phản ứng hạt nhân thật sự là phản ứng trong đó các tính chất bên trong và thành
phần của hạt nhân bia sẽ thay đổi, đồng thời có hạt nhân mới bay ra. Hay nói cách khác
đó là quá trình trong đó các hạt nhân sau phản ứng b và B khác các hạt trƣớc phản ứng a

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

đo xác suất xảy ra phản ứng gọi là tiết diện hiệu dụng
của phản ứng hạt nhân (hay tiết diện hiệu dụng hạt
nhân).
Giả sử có chùm hạt  tới bia X. Ta tƣởng mỗi
hạt nhân X đƣợc gán cho một diện tích  theo hƣớng
vuông góc với phƣơng tới của hạt  (hình vẽ). Diện
tích  này đƣợc gọi là tiết diện hiệu dụng, nghĩa là hạt
 lọt vào đó thì chắc chắn xảy ra phản ứng.

Hình 2.2. Tiết diện hiệu dụng

Bia có độ dày d đủ mỏng để không có hạt nhân nào bị che khuất.
Gọi ni là số hạt đập vào bia, n là số hạt đi vào các tiết diện hiệu dụng (tức có
n phản ứng xảy ra). Khi đó xác suất gây ra một phản ứng là:
P=

n
ni

Xác suất này cũng bằng tỷ số giữa tổng tiết diện hiệu dụng của tất cả các hạt nhân
trên bia và diện tích của bia:
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh
P


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

số Z) ở vế trái bằng tổng điện tích (hay nguyên tử số Z ) ở vế phải của phƣơng trình
phản ứng.
Ví dụ:
H11  Li37  Be47  n01
Tổng điện tích (Z ) bên trái : 1+3 = 4
Tổng điện tích (Z) bên phải : 4+0 = 4
2.3.3. Định luật bảo toàn năng lƣợng toàn phần
Ta đã biết năng lƣợng toàn phần của một hạt Etp bằng năng lƣợng nghỉ E (hay
còn gọi là nội năng) cộng với động năng K của nó. Định luật bảo toàn năng lƣợng toàn
phần có nội dung nhƣ sau: “ Trong các phản ứng hạt nhân, tổng năng lƣợng toàn phần ở
vế trái bằng tổng năng lƣợng toàn phần ở vế phải của phƣơng trình phản ứng”.
Nghĩa là ta có:
(Ea+Ka)+(Ex+Kx) = (Eb+Kb)+(Ey+Ky)
Ta có thể viết lại: (Ea+Ex)+(Ka+Kx) = (Eb+Ey)+(Kb+Ky)
Đặt Et = Ea+Ex: gọi là tổng năng lƣợng nghỉ hay tổng nội năng trƣớc phản ứng.
Kt = Ka+Kx: tổng động năng trƣớc phản ứng.
Tƣơng tự nhƣ vậy, ta có Es = Eb+Ey và Ks = Kb+Ky là tổng năng lƣợng nghỉ (hay
là tổng nội năng) và tổng động năng sau phản ứng.
Do đó định luật bảo toàn năng lƣợng toàn phần ở trên có thể viết lại là:
Et+Kt = Es+Ks
Thông thƣờng thì tổng nội năng trƣớc phản ứng Et khác với tổng nội năng sau
phản ứng Es (và do đó tổng động năng trƣớc phản ứng Kt cũng khác với tổng động năng
sau phản ứng Ks). Hiệu số Q = Et-Es = Ks-Kt gọi là hiệu ứng năng lƣợng hay năng lƣợng
của phản ứng hạt nhân.
+ Nếu Q>0 nghĩa là Et>Es hay Ks>Kt , phản ứng có kèm theo sự tăng động năng
và giảm nội năng. Ta nói phản ứng tỏa năng lƣợng.
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 15



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

+ Nếu Q<0 nghĩa là Etvà tăng nội năng. Ta nói phản ứng thu năng lƣợng.
+ Nếu Q=0 thì cả động năng và nội năng đều không đổi, ta nói có sự va chạm đàn
hồi.
Ta cũng có thể nhận biết phản ứng tỏa năng lƣợng, phản ứng thu năng lƣợng và
đàn hồi qua khối lƣợng nghỉ của các hạt trƣớc và sau phản ứng.
Thật vậy, từ công thức Q = Et - Es ta có: Q = (Ma+Mx)c2 – (Mb+My)c2 hay:
Q = (Mt-Ms)c2
Trong đó Mt = Ma+Mx là tổng khối lƣợng nghỉ của các hạt trƣớc phản ứng.
Ms= Mb+My là tổng khối lƣợng nghỉ của các hạt sau phản ứng.
Phản ứng tỏa năng lƣợng Q>0  Mt-Ms > 0  Mt>Ms 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<0  Mt-Ms< 0  Mtthu năng lƣợng, tổng khối lƣợng nghỉ của các hạt trƣớc phản ứng nhỏ hơn tổng khối
lƣợng nghỉ của các hạt sau phản ứng.
Phản ứng đàn hồi Q=0  Mt-Ms= 0  Mt=Ms nghĩa là tổng khối lƣợng nghỉ của
các hạt trƣớc và sau phản ứng bằng nhau.
2.3.4. Định luật bảo toàn động lƣợng (hay xung lƣợng)
Định luật bảo toàn động lƣợng yêu cầu tổng số động lƣợng của các thành phần
trƣớc phản ứng phải bằng tổng số động lƣợng của các hạt thành phần sau phản ứng.
Pa  PA  Pb  PB

Trong đó Pa , PA , Pb , PB lần lƣợt là động lƣợng của các hạt a, A, b, B.
2.3.5. Định luật bảo toàn mômen động lƣợng toàn phần

Ta hãy xét quá trình a+A  b+B khi các hạt có spin. Giả sử hạt a có spin i,
mômen động lƣợng  tƣơng đối so với hạt nhân A, hạt nhân A có spin I, hạt b có spin i’,
mômen  ’ tƣơng đối so với hạt nhân B, hạt nhân B có spin I’. Mômen động lƣợng toàn
phần J của hệ trƣớc phản ứng là tổng mômen quỹ đạo  và các spin i, I:
J  i I

Mômen động lƣợng toàn phần J’ của hệ sau phản ứng là tổng của mômen quỹ
đạo  ’, và các spin i’, I’:
J '  'i' I '

Định luật bảo toàn mômen động lƣợng toàn phần yêu cầu mômen động lƣợng
toàn phần J ' sau phản ứng phải bằng mômen động lƣợng toàn phần J trƣớc phản ứng.
J'= J
2.3.6. Định luật bảo toàn độ chẵn lẻ
Giả sử hạt a có độ chẵn lẻ  a , mômen động lƣợng  tƣơng đối so với hạt nhân A,
hạt nhân A có độ chẵn lẻ  A , hạt b có độ chẵn lẻ là  b , mômen động lƣợng  ’ tƣơng
đối so với hạt nhân B, hạt nhân B có độ chẵn lẻ là  B.
Độ chẵn lẻ của hệ trƣớc phản ứng là:
 =  a  A (-1) 
Độ chẵn lẻ của hệ sau phản ứng là:
'
 ’=  b  B (-1) 
Định luật bảo toàn độ chẵn lẻ yêu cầu độc chẵn lẻ  ’ sau phản ứng phải bằng độ
chẵn lẻ  trƣớc phản ứng .
 ’= 
SVTH: Nguyễn Văn Tiến

Lớp: Sư phạm Vật lý-Tin học K35 16

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).

4

Be9  2 H 4 (6 C13)* 6 C12 0 n1

Nơtron không mang điện nên ít tƣơng tác với các nguyên tử ở cạnh đƣờng bay
của nó, vì vậy nó có độ xuyên sâu lớn và khả năng ion hóa kém.
Nơtron là một loại hạt không mang điện, nên muốn phát hiện ra nó phải dùng
phƣơng pháp gián tiếp bằng cách từ nơtron tạo ra hạt mang điện, và sự ion hóa xuất hiện
do tác dụng của các hạt mang điện này sẽ đƣợc ghi nhận. Đây là nguyên tắc hoạt động
của ống đếm nơtron. Ví dụ: ống đếm chứa đầy hợp chất hơi Bo: BF3 (tri fluorid Bo)
hoặc một hợp chất rắn của Bo. Khi nơtron vào ống đếm sinh ra phản ứng
B510 (n,  )  Li73 và có sự ion hóa do hạt nhân gây ra đƣợc ghi nhận.
Va chạm đàn hồi giữa nơtron và một hạt nhân nhẹ mang điện nhƣ proton có thể
làm căn cứ cho sự phát hiện nơtron: một nơtron va chạm trực diện với một proton, do
khối lƣợng của hai vật gần nhƣ bằng nhau nên nơtron dừng lại và trao năng lƣợng cho
proton, proton chuyển động về phía trƣớc với năng lƣợng bằng năng lƣợng của nơtron,
proton này sẽ đƣợc phát hiện là dựa vào phản ứng bức xạ nơtron.
108
Ví dụ
n01  Ag 107
47  Ag 47  
108
0
Ag 108
47  Cd 48  e1  
2.4.2. Phƣơng pháp sản sinh nơtron
Có nhiều phƣơng pháp tạo ra nơtron nhƣng đơn giản nhất là dùng nguồn Ra-Be
dƣới dạng hỗn hợp. Các hạt  phóng xại từ Radi va chạm với Be của hỗn hợp tạo thành
phản ứng: Be49 ( , n)C612 và các nơtron với một dãy năng lƣợng rộng sẽ đƣợc phát xạ.
Một phản ứng quang hạt nhân cũng có thể cho ta nơtron: Be49 ( , n) Be 48 với điều

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

đƣợc 1P1 và 0n1.
2
0
1
1
1 D  0  1 P  0 n
Năng lƣợng tối thiểu để tách đơtôn (1D2) của  là 2,225 Mev.
Theo hệ thức E = mc2 thì năng lƣợng này ứng với khối lƣợng  m = 0,00239u,
khối lƣợng của 1D2 là m0 = 2,01355u và của 1P1 là mp=1,00727u nên từ công thức trên ta
suy ra:
mn  mD  mP  m  1,00866u

Hiện nay ngƣời ta đo đƣợc chính xác là mn= 1,0086652u
2.4.4. Thời gian sống, chu kì bán rã của nơtron
Nơtron tự do sẽ phân rã theo công thức sau: 0 n1 1 p1  1e0  v~
Phép đo chính xác chu kì bán rã của nơtron cho biết: T = 11,7 phút
Từ đó có thể tính đƣợc hằng số phân rã  và thời gian sống  của nơtron:


T
 16,88 phút
0,693

2.4.5. Các nguồn nơtron
Nơtron đƣợc tạo ra nhờ các phản ứng hạt nhân (  ,n),(  ,n) hoặc phân chia tự
phát các hạt nhân nặng , hoặc trong máy gia tốc các hạt tích điện...
Ví dụ: 4Be9 (  ,n)6C12
(bắn  vào Be)
9
8

(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

+ Phản ứng phân hạch: dùng nơtron bắn phá vào hạt nhân Urani (U235 ) ta thu
đƣợc chính nơtron với số lƣợng nhiều hơn ban đầu 2-3 lần. Phản ứng này cung cấp cho
ta một nguồn năng lƣợng khổng lồ mà con ngƣời có thể sử dụng vào mục đích có ích.
Cũng cần chú ý rằng khả năng xảy ra các phản ứng tùy thuộc vào rất nhiều vào
năng lƣợng của nơtron.
Ngƣời ta chia nơtron ra thành 3 loại tùy theo năng lƣợng của nó:
+ Nơtron nhiệt (E<1ev)
+ Nơtron trung gian (1ev+ Nơtron nhanh (E>0,1Mev)
Ngƣời ta gọi nơtron nhiệt và nơtron trung gian là nơtron chậm. Nơtron chậm
thƣờng gây ra phản ứng hạt nhân với tiết dụng hiệu dụng lớn, vì vậy ngƣời ta thƣờng
làm chậm nơtron trƣớc khi cho chúng gây phản ứng.

2.5. PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Từ đồ thị năng lƣợng liên kết hạt nhân, theo quan điểm năng lƣợng các hạt nhân
bền nhất là các hạt nhân ở phần trung bình của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Các hạt nhân nhẹ và các hạt nhân nặng kém bền vững hơn. Điều đó có nghĩa là sự biến
đổi các hạt nhân nặng và các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân trung bình là một quá
trình thuận lợi về mặt năng lƣợng, trong sự biến đổi này phải có tỏa ra một năng lƣợng
khổng lồ mà ta có thể tính đƣợc dễ dàng nếu biết đƣợc sản phẩm ban đầu và cuối cùng.
Đƣờng cong năng lƣợng riêng chứng tỏ rằng về nguyên tắc có thể có hai phƣơng
pháp giải phóng năng lƣợng hạt nhân khác nhau đó là: phân chia các hạt nhân nặng
thành các hạt nhân nhẹ hơn và tổng hợp các hạt nhân nhẹ thành các hạt nhân trung bình.
Hai loại phản ứng này hiện nay thực tế đã đƣợc thực hiện đối với các hạt nhân
nhẹ nhất và các hạt nhân nặng nhất và ngƣời ta gọi đó là phản ứng phân hạch (phân chia
hạt nhân) và phản ứng nhiệt hạch (phản ứng tổng hợp hạt nhân).
2.5.1. Phản ứng phân hạch (phản ứng phân chia hạt nhân)
2.5.1.1. Hiện tượng phân hạch
Sau khi Chadwick phát hiện nơtron, Fermi và các cộng sự của ông ở Roma phát
hiện đƣợc rằng nếu các nguyên tố bị bắn phá bởi hạt đạn nơtron thì xuất hiện các

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

236
144
n01  U 92
 (U 92
)*  Ba56
 Kr3689  3n01  E

Vì hai mảnh Ba144 và Kr89 không bền nên chúng tiếp tục phân rã   đến sản
phẩm cuối cùng:
144
144
144
144
144
Ba 56
 La57
 Ce58
 Pr59
 Nd 60
89
Kr3689  Rb37
 Sr3889  Y3989

Phản ứng phân hạch hạt nhân (còn gọi là phản ứng phân chia hạt nhân) là một
quá trình vật lý mà trong đó hạt nhân nguyên tử bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt
nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác. Vì thế, sự phân hạch là một dạng của sự
chuyển hoá căn bản. Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt nơtron, photon tồn tại dƣới
dạng các tia gamma γ, tia beta β và tia alpha α. Sự phân hạch của các nguyên tố nặng là
một phản ứng toả nhiệt và có thể giải phóng một lƣợng năng lƣợng đáng kể dƣới dạng
tia gama γ và động năng của các hạt đƣợc giải phóng (đốt nóng vật chất tại nơi xảy ra

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

giọt chất lỏng mang điện tích dƣơng. Giọt chất lỏng này tồn tại do cân bằng lực giữa lực
đẩy Cu-lông của các proton (có xu hƣớng phá vỡ giọt hạt nhân thành các mảnh) với lực
hút hạt nhân và sức căng bề mặt (do tƣơng tác của các nucleon lên nhau có xu hƣớng
làm co thể tích hạt nhân lại giống nhƣ sức căng mặt ngoài của nƣớc). Chúng ta sẽ coi
rằng trƣớc khi bị phân hạch, hạt nhân có dạng hình cầu và đƣợc phân bố đều điện tích.
Nếu nơtron bị hạt nhân chiếm thì năng lƣợng đƣợc phân bố theo cả thể tích, do đó có thể
xuất hiện các dao động của hạt nhân giọt, sự biến dạng của hạt nhân có thể dẫn đến kết
quả là các điện tích (proton) dịch chuyển ra xa nhau đến hết mức. Nhƣng nồng độ của
các điện tích dƣơng dẫn đến các ứng suất gẫy của các lực Cu-lông, các lực này không
còn có thể bị bù trừ bởi các lực hạt nhân tác dụng tầm ngắn, do đó hạt nhân bị đứt thành
hai phần. Hai mảnh đƣợc tạo thành bay về hai phía khác nhau dƣới tác dụng của lực đẩy
Cu-lông.

Hình a
Hình b
Hình c
Hình 2.4. Ảnh mô tả sự biến đổi “giọt” hạt nhân.
Xét một hạt nhân nặng, trƣớc khị bị bắn phá nó có dạng hình cầu điện tích dƣơng
phân bố đều (hình a). Lúc này trong hạt nhân tồn tại hai loại lực tác dụng đó là lực đẩy
Cu-lông và lực căng bề mặt, lực căng bề mặt lúc này lơn hơn lực đẩy Cu-lông nên hạt
nhân có dạng hình cầu.
Sau khi hấp thụ nơtron nhiệt, nơtron này rơi vào một giếng thế gắn với lực hạt
nhân mạnh tác dụng bên trong hạt nhân. Khi đó thế năng của nó đƣợc chuyển hóa thành
năng lƣợng kích thích nội tại làm cho hạt nhân dao động mạnh giống nhƣ giọt chất lỏng
dao động, từ đó phát triển thành hình thắt cổ chai (hình b).
Lực Cu-lông làm nó duỗi dài ra, lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn nên “ lực
căng mặt ngoài” giảm dần đến nhỏ hơn lực Cu-lông thì hạt nhân sẽ bị đứt tại chỗ thắt cổ
chai tạo thành hai hạt nhân con (hình c). Hai mảnh hạt nhân này còn mang năng lƣợng
kích thích nên bay xa nhau và phát ra các nơtron, nhƣ vậy sự phân hạch đã xảy ra.
2.5.1.3. Điều kiện phân hạch

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

Ek=0,18.A2/3(5,2-0,117

Z2
)MeV
A

Với Z là nguyên tử số, A là số khối. Tỷ số

Z2
đƣợc gọi là hệ số phân chia hạt
A

Z2
nhân. Nếu
lớn thì hạt nhân có năng lƣợng kích hoạt nhỏ, hạt nhân có thể phân hạch
A

khi hấp thụ nơtron chậm hoặc có thể phân hạch tự phát.
Z2
Ngƣời ta tính toán đƣợc rằng khi hệ số phân chia
 18 thì sẽ có sự phân hạch
A
A
xảy ra. Đối với các hạt nhân có Z=N= thì từ điều kiện trên ta suy ra A  72, nghĩa là
2

chỉ những hạt nhân có khối lƣợng ít nhất bằng 72u mới có sự phân chia hạt nhân. Trong
thực tế những hạt nhân có số nơtron lớn hơn số proton (khi A càng lơn). Quá trình phân
hạch hạt nhân chỉ bắt đầu từ hạt nhân với A  100. Hạt nhân có hệ số phân chia càng lớn

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

U235
U238
U239

Năng lƣợng kích
hoạt (MeV) Ek
5,90
5,50
5,75
5,85
5,50

Hạt nhân hợp phần
Th233
U234
U236
U239
Pu240

Năng lƣợng kích
thích En (MeV)
5,07
6,77
6,40
4,76
6,38

2.5.1.4. Các bức xạ trong quá trình phân hạch
Trong quá trình phân hạch các hạt nhân có thừa nơtron, do đó sau thời gian
khoảng 10-12 (s) có thể xảy ra “sự bay hơi”của các nơtron năng lƣợng khoảng 200 MeV.

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

GVHD: Ths.GVC.Hoàng Xuân Dinh

nơtron này sẽ phá vỡ các hạt nhân urani khác và cứ thế phản ứng phá vỡ hạt nhân tiến
hành theo dây chuyền.
2.5.1.6. Phản ứng dây chuyền
Sau khi phản ứng phân hạch hạt nhân sinh ra vài nơtron thứ cấp, các nơtron này
có thể gây ra các phản ứng phân chia hạt nhân của các hạt nhân khác.
Giả sử trong môi trƣờng có chứa U235, sau mỗi phản ứng phân chia hạt nhân có 3
nơtron mới sinh ra chẳng hạn, nhƣ vậy sau lần thứ nhất bị phân chia có 3 nơtron mới.
Đến lần phân chia thứ hai sẽ có 32 = 9 nơtron sinh ra. Đến lần phân chia thứ ba sẽ có
33=27 nơtron mới,…cho đến lần phân chia thứ n có 3n nơtron sinh ra. Và cứ nhƣ thế quá
trình phân hạch xảy ra nhƣ dòng thác gọi là phản ứng phân hạch dây chuyền (hay gọi là
phản ứng dây chuyền).

Hình 2.6. Ảnh minh họa phản ứng dây chuyền.
Cần chú ý rằng phản ứng phân hạch tỏ ra một năng lƣợng rất lớn, phản ứng dây
chuyền làm năng lƣợng này tăng lên gấp bội. Nếu quá trình xảy ra không điều khiển
đƣợc thì kết quả sẽ là một vụ nổ hạt nhân. Còn nếu điều khiển đƣợc thì có thể lấy năng
lƣợng ra để sử dụng một cách hiệu quả.
2.5.1.7. Điều kiện phản ứng dây chuyền.
2.5.1.7.1. Điều kiện phản ứng dây chuyền.
Trong thực tế thì việc phản ứng dây chuyền phức tạp nhiều vì những lí do sau:
+ Không phải mọi nơtron đi vào hạt nhân đều gây nên sự phân hạch hạt nhân.
Một số chỉ làm cho hạt nhân phát ra tia  mà không phát xạ nơtron. Do đó phản ứng
dây chuyền không phải phụ thuộc vào số nơtron sinh ra trong phản ứng phân hạch mà
phụ thuộc vào “hệ số tái sản xuất” nơtron, tức là tỉ số giữa nơtron sinh ra do phân hạch
và số nơtron chậm bị bắt.
Ví dụ: Trong số hạt nhân U235 bắt đƣợc nơtron thì chỉ có 85% hạt nhân bị phân
hạch, còn đối với hạt nhân Plutoni (Pu239) thì lại chỉ có 63% hạt nhân bắt đƣợc nơtron
chậm để bị vỡ ra mà thôi.

+ 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