<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>Chương 4:</b>

<b>CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN</b>
<b>4.1 Các phản ứng hạt nhân</b>

<b>4.1.1 Phương trình phản ứng hạt nhân</b>

1. Phản ứng hạt nhân đầu tiên do E. Rutherford thực hiện năm 1919. Ơng dùng hạt

 có năng lượng 7,7 MeV bắn phá hạt nhân Nitơ (7N14) và thu được hạt nhân Oxy

và một hạt proton bay ra. Sở dĩ phải thừa nhận đây là một phản ứng giữa hạt  và

hạt nhân Nitơ là vì năng lượng của hạt  lớn hơn nhiều năng lượng của hàng rào

thế của hạt nhân Nitơ đối với hạt  (bằng 3,6MeV): hạt  đã thâm nhập vào trong

hạt nhân Nitơ. Kết quả của tương tác này là đã tạo nên một hạt nhân mới (Oxy –
8O17_).

Như vậy, ta có thể nói rằng phản ứng hạt nhân xảy ra khi một hạt (nơtron,
proton, đơton, hạt  hay một hạt nhân khác) đi vào miền tác dụng của lực hạt nhân

(ở khoảng cách cỡ 1015_{m). Trong q trình phản ứng có sự sắp xếp lại điện tích và}
các nuclon của hạt nhân và các hạt khác do sự xuất hiện của hạt nhân mới.

Phản ứng hạt nhân có thể viết dưới dạng một phản ứng hóa học như sau:
zXA_{+ a}

 z’YA’ + b (4.1)

hay viết gọn hơn: zXA_{(a,b) z’Y}A’ _(4.2)

Thí dụ: phản ứng hạt nhân giữa hạt  và hạt nhân Nitơ nói trên có phương trình

sau: 7N14₊_ _ _8O17_{+ p} _(4.3)

Hay 7N14₍

,p) 8O17

Để tạo ra phản ứng hạt nhân, người ta thường dùng một chùm hạt (hạt đạn)
bắn vào hạt nhân (bia) và thu được sản phẩm phản ứng.

Các hạt đạn thường dùng là các hạt nhân nhẹ, có điện tích Z lớn nhất là 18
như nơtron, proton, đơ ton (D), triton (T hay 1H3_{), hêli 3 (2He}3_{), hêli 4 (}

 hay 2He4)

v.v… Sau phản ứng thường thu được hạt nhân giật lùi và một hạt bay ra.
Phản ứng hạt nhân là một phương thức biến đổi nhân tạo hạt nhân.
<b>4.1.2 Phân loại phản ứng hạt nhân</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

<i>a. Phản ứng tán xạ: hạt tới và hạt bay ra cùng loại. Trong công thức (4.1), a và b là</i>
cùng một hạt. Phương trình phản ứng là:

zXA_{+ a}

 zXA + a (4.4)

Nếu hạt nhân giật lùi X nằm ở trạng thái cơ bản thì ta có tán xạ đàn tính.

Nếu hạt nhân giật lùi X nằm ở trạng thái kích thích thi ta có tán xạ khơng
đàn tính.

<i>b. Phản ứng trực tiếp: hạt đạn bắn một nuclon hay nhường một nuclon cho hạt</i>
nhân bia. Thí dụ:

D + 8O18 _ _9F17_{+ n} _{(phản ứng nhường)}
h + 20Ca41 _ _20Ca41₊_ _{(phản ứng bắt)}

c. Phản ứng phức hợp: hạt đạn và hạt nhân bia tạo thành một nhân phức hợp ở
trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn rồi hạt nhân phức hợp tự phân rã
thành các hạt khác. Thời gian sống của hạt nhân phức hợp khoảng 10-5_{s nên rất khó}
quan sát được trực tiếp. Tuy nhiên thời gian đó lớn hơn nhiều thời gian hạt đạn đi
vào bên trong hạt nhân (cỡ 10-21_{s). Do đó giả thiết về sự tạo thành hạt nhân phức}
hợp là có cơ sở.

Thí dụ:

Phản ứng Hạt nhân phức hợp Các kênh tạo thành

9F19_{+ p}
8O17_{+ h}
8O16₊_
7N14_{+ 3Li}6
6C12_{+ 4Be}8
5B10_{+ 5B}10

[10Ne30_]

9F19_{+ p}

8O17_{+ h}
10F19_{+ n}
9F17_{+ t}
8O17_{+ h}
8O16₊_
7N14_{+ 3Li}6
7N13_{+ 3Li}7
6C12_{+ 4Be}8
6C11_{+ 4Be}10

5B10_{+ 5B}10
5B9_{+ 5B}11

4.2 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

tổng cộng (số khối A) trong vế trái và trong vế phải của phương trình (4.1) phải
bằng nhau.

Thí dụ các phản ứng nói trong phần (4.1) đều phải thỏa mãn định luật nói trên.
2. Định luật bảo tồn năng lượng:

Xét trường hợp phản ứng thu được một hạt nhân lùi và một hạt bay ra:

zXA_{+ x} _ _z’YA’_{+ y} _(4.5)

Năng lượng bao gồm năng lượng tĩnh và động năng của các hạt. Định luật
bảo toàn năng lượng viết như sau:

<i>M</i>1<i>c</i>
2

+<i>M</i>1<i>V</i>12+m₁<i>c</i>

2

+m1<i>v</i>12=M₂<i>c</i>

2

+<i>M</i>2<i>V</i>22+<i>m</i>₂<i>c</i>

2

+m2<i>v</i>22 (4.6)

Trong đó: M1, m1, V1, v1 là khối lượng và vận tốc của hạt nhân bia và hạt đạn. M2,
m2, V2, v2 là khối lượng và vận tốc của hạt nhân giật lùi và hạt bay ra. Trong hệ
quy chiếu phịng thí nghiệm, nhân bia đứng yên, do đó V1 = 0. Động năng của hệ
trước phản ứng: <i>E</i>₁=1

2<i>m</i>1<i>v</i>12

(4.7)

Động năng của hệ sau phản ứng:
<i>E</i>₂=1

2<i>M</i>2<i>V</i>22+
1

2<i>m</i>2<i>v</i>22 (4.8)

Trong một hạt phản ứng hạt nhân năng lượng có thể bị hấp thụ hay được giải
phóng.

Rõ ràng, năng lượng được giải phóng khi động năng của hệ sau phản ứng E2 lớn
hơn động năng của hệ trước phản ứng E1, tức ta có:

<i>Q</i>=<i>E</i>₂<i>− E</i>₁>0 (4.9)
Ta nói rằng phản ứng toả nhiệt.

Ngược lại, nếu

<i>Q=E</i>₂<i>− E</i>₁<0 (4.10)
Tức là động năng của hệ sau phản ứng nhỏ hơn động năng của hệ trước phản ứng.
Ta nói rằng phản ứng thu nhiệt.

Từ (4-6) ta có:

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

<i>Q=E</i>2<i>− E</i>1=

[

<i>M</i>1+<i>m</i>1

]

<i>c</i>2<i>−</i>

[

<i>M</i>2+m2

]

<i>c</i>2>0 (4.11)

Hay là

[

<i>M</i>₁+<i>m</i>₁

_]

>

_[

<i>M</i>₂+m₂

_]

<i>Khối lượng nghỉ tổng cộng của hệ trước phản ứng lớn hơn khôi lượng nghỉ tổng</i>
<i>cộng của hệ sau phản ứng.</i>

b. Đối với phản ứng thu nhiệt:
Tương tự ta có:

<i>Q=E</i>2<i>− E</i>1=

[

<i>M</i>1+<i>m</i>1

]

<i>c</i>2<i>−</i>

[

<i>M</i>2+m2

]

<i>c</i>2<0 (4.11)

Hay là

[

<i>M</i>₁+<i>m</i>₁

_]

<

_[

<i>M</i>₂+m₂

_]

<i>Khối lượng nghỉ tổng cộng của hệ trước phản ứng nhỏ hơn khối lượng nghỉ tổng</i>
<i>cộng của hệ sau phản ứng.</i>

Trường hợp Q = 0 tức là động năng của hệ khơng thay đổi, ta có phản ứng tán xạ
đàn tính.

Thí dụ về phản ứng thu nhiệt là:

6 2 4

3<i>Li</i> 1<i>H</i>  2(2<i>He</i> )
Thí dụ về phản ứng thu nhiệt là:

16 15

8<i>o</i>  7<i>N</i> <i>p</i>
Định luật bảo toàn xung lượng

Trong phản ứng hạt nhân với bia đứng yên, ta có
<i>m v</i>1 1<i>M V</i>2 2 <i>m v</i>2 2

  
  
  
  

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

Đối với phản ứng phức hợp, ta có thể coi khối lượng của hạt nhân hợp phần M<i>c</i>
xấp xỉ bằng tổng khối lượng của hạt nhân ban đầu, tức là M<i>c</i>= M1+m1.

Khi đó năng lượng của hạt nhân hợp phần

2

1
2

<i>c</i> <i>c c</i>

<i>E</i> <i>M v</i>

 



 

 _{có thể tính được theo}

năng lượng của hạt đạn

2
1 1

1
2

<i>a</i>

<i>E</i> <i>m v</i>

 



 

 _.

Thực vậy, trước hết theo định luật bảo tồn xung lượng, ta có:
<i>m v</i>1 1<i>M vc c</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

Hay là (4.14)

Tiếp thêm, gọi A và là số của hạt nhân bia và hạt đạn, ta viết được:

Rồi thay (dùng đơn vị u), ta được:

(4.15)

Chú ý Nếu đòi hỏi phản ứng thỏa mãn tương dối tính thì phải sử dụng cơng thức
tương đối tính giữa năng lượng và xung lượng:

E=

4.ngồi các định luật bảo tồn nói trên, các phản ứng hạt nhân còn tuân theo các
định luật bảo tồn khác như bảo tồn mơmen xung lượng tồn phần, bảo tồn tính
chẵn lẻ, bảo tồn spin đồng vị… ta khơng trình bày ở đây.

4.3 Hiện tượng phân hạch

<i><b>4.3 .1. Nơtron</b></i>

Nơtron được phát hiện năm 1932 đã nhanh chóng được sử dụng làm hạt đạn.
do nơtron có vai trò quan trọngtrong các phản ứng phân chia hạt nhân, ta nói kĩ
hơn về hạt này.

a. Khối lượng nơtron.

Nơtron là hạt không mang điện, ta không thể đo khối lượng của nó khối phổ
kế Aston được. Một cách đo khối lượng của nơtron là dùng phản ứng hạt nhân.

Thí dụ, dùng lượng tử tác dụng lên đơtron ta sẽ thu được proton và nơtron
theo phản ứng sau: D + p +n (4.16)

Năng lượng tối thiểu để tách các nucleon ra khỏi nhân của đơtron là 2,225MeV.
Năng lượng này bằng năng lượng liên kết của hạt nhân đotoni và tương ứng với
một khối lượng 0,00239u . biết khối lượng của đơtron la =2.01355u và
của protron là =1,00727u, ta tính được khối lương của nơtron:

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

Hiện nay người ta đo được khối lượng chính xác hơi của nơtron, bằng
Mn=1,0086652u (4.18)

b/ Thời gian sống - chu kỳ bán rã của nơtron

Nơtron sẽ tự do phân rã theo công thức : n (4.19)
Phép đo chính xác chu kỳ bán rã của nơtron cho = 11,7 min (4.20)
c/ Các nguồn nơtron

• Nguồn phóng xạ từ các nhân phóng xạ tự nhiên như radi, poloni hay plutoni có
năng lượng trong khoảng 4,8 -7,7MeV nên dẽ dàng vượt qua rào thế của hạt nhân
bêrili gây ra phản ứng ( , n) theo công thức :

Be9_{( ,n)C}12

Phổ năng lươnghj của nơtron tạo bởi các ngườn là liên tục, có giá trị từ 1 đến 13
MeV, trung bình là 4,5MeV

• Chiếu tia γ ( từ nguồn phóng xạ tự nhiên) vào nhân Bểili hoặc đơtron D, ta được
các phản ứng (γ,n) theo công thức : Be9_(γ,n)Be8_{, D(γ,n)h}

•Trong một số phản ứng hạt nhân ( sẽ nói kĩ hơn dưới đây) xuất hiện nơtron.

•Trong các máy gia tốc các hạt tích điện, như p, D, bắn vào bia là các nhân nhẹ có
phát ra nơtron:

Li7_(p,n)Be7_{, D(D,n)He}3_{, T(D,n)He}4
Các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của nơtron

Các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của nơtrontheer hiện dưới dạng tán xạ đàn
tính, tán xạ khơng đàn tính và hấp thụ nơtron. Một tác dụng khác của nơtron lên
hạt nhên là gây lên phân chia hạt nhân.

<b>Nơtron được chia thành 3 loại tùy theo năng lượng En : </b>

<b>+ Nơtron nhiệt (En <1eV) </b>

<b>+ Nơtron trung gian (1eV < En <0,1MeV) và</b>

<b>+ Nơtron nhanh (En > 0,1MeV).</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

Với nơtron chậm, phản ứng là tán xạ đàn tính. Khi đó chỉ có sự trao đổi năng
lượng (động năng) giữa nơtron và hạt nhân.

Trong quá trình tán xạ khơng đàn tính, nơron truyền cho hạt nhân một phần năng
lượng bằng với năng lượng kích thích của hạt nhân. Sau đó hạt nhân dính kèm theo
bức xạ . Phản ứng hấp thụ nơtron dẫn tới các trường hợp là hấp thụ nơtron và
bức xạ tia _{(tức là phản ứng (n,}_{)), hoặc là hấp thụ nơtron và bức xạ hạt}_ _(phản

ứng (n,  _{)). Có thể đồng thời xảy ra tất cả hoặc một số trường hợp nêu trên.}

<i><b>4.3.1.</b><b>Phản ứng phân hạch hạt nhân.</b></i>

<b>1. Hiện tượng phân hạch hạt nhân.</b>

Vào năm 1938, hai nhà hoá học Đức là Hahn và Strassman trong một thí nghiệm
nhằm giải thích chính xác hơn dãy phóng xạ đã phát hiện tượng ngoài mong đợi:
sự phân hạch hạt nhân urani 235 thành hhai nhân nhẹ hơn (nhân bari) nằm ở giữa
bảng tuần hoàn Mendeleev.

0
1<i>_n+</i>

92
235<i>_{U →}</i>

<i>Z</i>1

<i>A</i> <i>_X+</i>
<i>Z</i>1

<i>A_Y</i>_+k_.
0
1<i>_n+_ΔE</i>

<i><b>Hiện tượng phân hạch là hiện tượng một hạt nhân loại rất nặng , hấp thụ</b></i>
<i><b>một notron chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình.</b></i>

<b>2. Cơn chế phân hạch hạt nhân </b>

Cơ chế phân phân hạch hạt nhân được mô tả nhờ mẫu giọt hạt nhân. Hình 7.1 là sơ
đồ phân hạch hạt nhân. Theo

mẫy giọt, có hai lực tác dụng
trong hạt nhân. Theo mẫu giọt,

có tác dụng trái ngược nhau:
Coulomb của các prơtơn đẩy
nhau, có xu hướng phá vỡ giọt
hạt nhân thành các mảnh; lực
bề mặt do tương tác của

nuclơn lên nhau, có xu hướng làm co thể tích hạt nhân lại, giống như sức mạnh
căng mặt ngoài của giọt nước.

Khi hạt nhân hấp thụ một nơtron, hình dạng của nó biến đổi qua nhiều pha. Thoạt
đầu là dạng hình cầu, rồi ellipxoit. Nếu như lực căng bề mặt đủ lớn thì trạng thái

Hình 7.1. Sơ đồ
phân hạch hạt nhân
theo mẫu giọt
a. Hạt
nhân
khơng
biến dạng
b. Hạt
nhân
biến
dạng ít
d. Hai
mảnh
phân
chia
a. Hạt nhân

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

kích thích đó có thể trở về trạng thái ban đầu dạng cầu và hạt nhân bức xạ tia .

Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng ngưỡng Wn thì hạt nhân tiếp tục
biến dạng thành hình quả tạ rồi bị lực đẩy Coulomb làm vỡ ra thành hai mảnh.
<b>3. Điều kiện có sự phân hạch.</b>

Người ta xác định khả năng phân hạch của một hạt nhân (A,Z) bằn tỉ số

2

<i>Z</i>

<i>A</i> _{, gọi là}

số phân chia hạt nhân.

Điều kiện để có sự phân chia là: K =

2

<i>Z</i>

<i>A</i> _{> 18} _(4.21)

Giá trị nhỏ nhất của A đối với nhân có Z = A/2 là 72, nghĩa là chỉ có nhân có khối
lượng ít nhất bằng 72 đvklnt thì mới có thể có sự phân chia hạt nhân. Đó là với số
nhân có Z = A/2, tức là có số nơtron bằng số proton. Thực tế khi các số nhân có A
càng lớn thì số nơtron càng nhiều hơn số prơtơn. Do đó q trình phân hạch hạt

nhân bắt đầu từ nhân với A »100

Đối với nhân có hệ số phân chia càng lớn (lớn hơn 18) thì khả năng xảy ra hiện

tượng phân hạch càng nhiều: chỉ cần cung cấp cho cho nhân một năng lượng nào
đấy cũng đủ vượt năng lượng ngưỡng để có được phản ứng phân hạch hạt
nhân.Các hạt nhân có thể phân hạch do hấp thụ nơtron hoặc phân hạch tự phát. Thí

dụ: nguyên tố có Z = 107, A = 261 (Uns), tỉ số

2

<i>Z</i>

<i>A</i> _{= 43,9, có chu kỳ bán rã cỡ 10}

3

 _{s, nghĩa là rất rễ phân chia tự phát.}

<i><b>5.</b><b>Phân chia tự phát và phân chia do tác dụng của nơtron</b></i>

a/. Sự phân chia tự phát của các hạt nhân nặng bắt đầu từ A = 100 do hiệu ứng

đường hầm*)_{. Tuy nhiên xác suất xảy ra là bé đối với các nhân có hệ số phân chia}

nhỏ. Xác suất càng lớn khi hệ số phân chia k càng lớn. Giá trị của k đến một
ngưỡng (»50) thì sự phân chia tự phát hầu như tức thời.

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9>

c2_{(M238 + mn – M239) = 6MeV nhỏ hơn ngưỡng phân hạch, quá trình phân chia hạt}
nhân 92U238_{khơng xảy ra. Muốn có phân chia hạt nhân 92U}238_{phải dùng nơtron}
nhanh có năng lương lớn hơn 1MeV. Trái lại, với hạt nhân 92U235_{có năng lượng}
ngưỡng Wn = 6,6MeV, chỉ cần dùng nơtron nhiệt là đủ vì: c2_{(M235 + mn – M236) =}
6,8MeV.

<i><b>5.Các mảnh hạt nhân phân hạch</b></i>

Khi hạt nhân bị phân hạch, có nhiều kênh phản ứng đực tạo thành vì những xác
suất khác nhau. Hình 8-2 cho ta đường cong ứng với các mảnh khác nhau của phân
hạch hạt nhân urani 235 do hấp thụ nơtron nhiệt. Trục tung ứng với xác suất bắt
gặp mảnh phân chia trong lần phân chia. Các mảnh phân chia có số khối A nằm
trong khoảng từ 70 đến 160. Đồ thị cho thấy có hai mảnh phân chia ứng với xắc
suất lớn nhất: nhóm hạt nhẹ với A từ 80 đến 110 và nhóm có số khối từ 125 đến
155. Các mảnh nhẹ và nặng chiếm chiếm tới 99% số mảnh bị phân chia. Tỉ lệ các
mảnh phân chia đối xứng (phân chia thành hai mảnh khối lươngj xấp xỉ bằng nhau)
là rất nhỏ (A = 100  125), chỉ cỡ 1%.

Như vậy thông thường nhân bị phân thành một nhân nặng và một nhân nhẹ.
Số kênh phân hạch có thể đến 30. Các mảnh

có hoạt tính phân rã -_{cao bởi vì nó q}
bão hoà nơtron.

Các mảnh vỡ thường rất thừa electron 

phóng xạ <i>β−</i> _{liên tiếp.}

Thí dụ trường hợp phân chia 92U235_thành
38Sr94_{và 54Xe}140_{(xác suất khoảng 7%). Nhân}
38Sr94_{có số nơtron nhiều hơn proton là 6,}
cịn nhân 54Xe140_{số đó là 4.}

92
235

<i>U</i>+01<i>n →</i>23692<i>U →</i>14054Xe+9438Sr+2.01<i>n</i>

Cả hai mảnh vỡ đều phóng xạ <i>β−</i> theo

chuỗi sau:

Các phân rã - _{tiếp tục của 54Xe}140_{để trở thành Lantan 57La}140_là

54
140_Xe_⃗<i>_β−</i>

55
140_Cs_⃗<i>_β−</i>

56
140_Ba_⃗<i>_β−</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

38
94_Sr_⃗<i>_β−</i>

39
94<i>_Y</i>_⃗<i>_β−</i>

40
94_Zr_⃗<i>_β−</i>

41
94_Nb_⃗<i>_β−</i>

42
94_Mo

Các mảnh của phân hạch hạt nhân gọi là sản phẩm phân chia.
Hai chuỗi phóng xạ <i>β−</i> này tận cùng bằng các đồng vị bền

57
140

La và 42
95

Mo
- ∆E tỏa ra cực kỳ lớn

- Số notron thứ cấp lớn hơn số notron sơ cấp

 là cơ sở để thực hiện phản ứng dây chuyền

<i><b>4.3.2.</b><b>Phản ứng dây chuyền.</b></i>

a. Nhận xét chung:

- Không phải mọi notron đi vào hạt nhân đều gây nên sự phân hạch hạt nhân.
- Những hạt nhân không phân hạch phát ra tia gamma chứ không phóng xạ notron.

 Sự phát triển của phản ứng dây chuyền không phải phụ thuộc vào số notron

sinh ra trong phản ứng vỡ hạt nhân, mà phụ thuộc vào hệ số “Tái sản xuất” notron
là n:

Số notron của thế hệ thứ (m +1)
Số notron của thế hệ thứ m

Không phải mọi notron thứ cấp sinh
ra đều có thể sử dụng được vì:

- Một số notron bị các hạt nhân U
khác bắt (vd: U238_).

- Một số notron thoát ra khỏi khối
urani

- Một số nowtron bị mất do tạp chất

 Mặc dù phản ứng phản ứng phân

hạch hạt nhân sinh ra nhiều notron
nhưng phản ứng dây chuyền chỉ thực
hiện được với nhưng điều kiện nhất
định.

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

f = e.n.p.k.

f: hệ số nhân notron

e: hệ số phân chia do notron nhanh (hệ số phân chia nhanh) (» 1,03  1,1)

n: hệ số tái sản xuất notron

P: Xác xuất thoát cộng hưởng (xác suất để notron chậm không bị bắt bởi U238₎
K: hệ số sử dụng notron nhiệt trong lị

* Điều kiện để duy trì phản ứng dây chuyền f ≥ 1
- Nếu f < 1 phản ứng dây chuyền không xảy ra.

- Nếu f = 1 phản ứng dây chuyền duy trì với tốc độ không đổi

- Nếu sau một phân hạch có f notron có thể gây phân hạch tiếp, ta có phản ứng dây
chuyền

+ Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ nhất là f1
+ Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ hai là f2
+ Số hạt nhân bị phân hạch sau mắt xính thứ n là fn

Nếu f > 1 thì số hạt nhân bị phân hạch tăng lên rất nhanh, năng lượng giải phống
rất lớn.

* Nhận xét: Từ cơng thức: f = e.n.p.k.
Þ để tăng f ta có thể: - tăng p

- tăng k
- tăng p: + Dùng khối urani lớn
+ có thành phản xạ notron.

- tăng k: + loại tạp chất hấp thụ nhiều notron chậm trong urani.
+ dùng chất làm chậm ít hấp thụ notron (như doteri, graphit,...)

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12>

§ LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN – NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
1. Lò phản ứng hạt nhân:

a. Cấu tạo:

Gồm 7 bộ phận chính:

+ thanh nhiên liệu ( U, Pu,...)
+ Chất làm chậm.

+ Vỏ lò.

+ Thành phản xạ notron.
+ Chất tải nhiệt

+ thanh điều khiển và bảo vệ.
+ kênh thí nghiệm.

b. Hoạt động

Tùy theo mục đích sử dụng:
- Lị sản xuất năng lượng

- Lị chế tạo đồng vị phóng xạ.
- Lị nghiên cứu.

*). Chú ý:

- Cơng suất của lị được khống chế bởi các
thanh điều khiển.

- Hệ số nhân notron xấp xỉ lớn hơn 1 chút ít,

và năng lượng phân hạch tỏa ra từ từ.

</div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

Nhà máy điện nguyên tử là một lò phản ứng hạt nhân kết hợp với nhà máy nhiệt
điện thông thường.

Sơ đồ nguyên tắc:

- Nhiên liệu: thường là 235_U
đã được làm giàu.

- Sự tái sản xuất nhiên liệu
nguyên tử.

92
238

<i>U</i>+₀1<i>n</i>❑⃗239₉₂<i>U</i>⃗<i>β−</i>239₉₃Np⃗<i>β−</i>239₉₄Pu

90
232

Th+₀1<i>n</i>❑⃗233₉₀Th⃗<i>β−</i>233₉₁Pa⃗<i>β−</i>233₉₂<i>U</i>

§ PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
1. Phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng kết hợp hai nucleon hay hai hạt nhân nhẹ với nhau để tạo thành một hạt
nhân nặng hơn và giải phóng ra năng lượng gọi là phản ứng nhiệt hạch ( hay sự
tổng hợp hạt nhân) VD: 1

1<i>_H</i>

+₀1<i>n</i>❑⃗₁2<i>D</i>+2<i>,</i>23 MeV

1
2<i>_D+</i>

1
2<i>_D</i>_⃗

❑₂4He+23<i>,</i>8 MeV

* Đặc điểm của phản ứng nhiệt hạch:

Nhiên liệu
hạt nhân

Lò (hệ cung cấp
hơi)

Hệ Tuốc
Bin phát

Hòa mạng Vào lưới
điện

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

- Tuy một phản ứng kết hợp hạt nhân tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân
hạch, nhưng năng lượng tỏa ra trên một đơn vị khối lượng thì phản ứng nhiệt hạch
(hay sự tổng hợp hạt nhân).

- Phản ứng tổng hợp hạt nhân khó xảy ra hơn nhiều so với phản ứng phân hạch, vì
lực đẩy Cu lơng  Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao (ví dụ: trong

lịng các sao, mặt trời,...)

- Phản ứng nhiệt hạch là một trong những nguồn năng lượng của mặt trời và các
sao.

2. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển và điều khiển được
a. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển

- Phản ứng nhiệt hạch xảy ra chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn ( cỡ 10-6s) rồi
tắt hẳn gọi là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển.

- Ứng dụng làm bom nhiệt hạch (hay cịn gọi là bom khinh khí – bom H)
b. Phản ứng nhiệt hạch điều khiển được

*) Nhận xét:

Muốn tạo được một lò phản ứng nhiệt hạch duy trì và điều khiển được là điều là
cực kì khó khăn....Phản ứng theo chu trình proton – proton chỉ thành cơng ở trong
mặt trời vì ở đó mật độ proton là cực kì lớn. Phản ứng này khơng phù hợp đối với
một lò phản ứng nhiệt hạch ở mặt đất vì mật độ proton khơng lớn, làm phản ứng
xảy ra rất chậm chạp.

Các phản ứng đáng chú ý nhất để có sử dụng trên trái đất là các phản ứng :
1

2<i>_D</i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

1
2

<i>D</i>+₁2<i>D</i>❑⃗₁3<i>T</i>+₁1<i>H</i>+4 MeV

1
2

<i>D</i>+₁3<i>T</i>❑⃗4₂He+₀1<i>n+</i>17<i>,</i>59 MeV

Hy vọng về nguồn năng lượng trên là lớn vì sự tổng hợp các Dowterowerri ( hạt
nhân của nó gọi là Đơtron ) được lấy từ nước biển là vơ hạn.

- Điều kiện để một lị phản ứng nhiệt hạch hoạt động thành công.

+ Mật độ hạt (n) cao: Mật độ các hạt (ví dụ Doterron) cần đủ lớn để tần số va chạm
tương tác Dotron – Dotron là bảo đảm đủ lớn.

+ Nhiệt độ plama (T) cao: Khi ở nhiệt độ cao, khí Đơteri sẽ bị ion hóa hồn tồn
thành plama trung hịa gồm các hạt nhân Doteron và các electron (trạng thái gồm
các hạt nhân thuần túy và các electron tự do gọi là plama).

Khi plasma ở nhiệt cao thì các Dotetron va chạm sẽ có đủ năng lượng xuyên qua
bờ rào thế culong. Trong các phịng thí nghiệm, người ta tạo ra được plama ở nhiệt
độ cỡ 23.107_K.

- Thời gian giữ plama (t) dài: Nếu plama được giữ nóng đủ lâu thì bảo đảm cho
mật độ và nhiệt độ của nó đủ cao nhằm tạo đủ số nhiên liệu được tổng hợp.

Một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động cần phải thỏa mãn điều kiện – gọi là tiêu

chuẩn Lawson: n.t > 1020_sec.m-3_{và cần phải có nhiệt độ plama T cao hơn 10}8_K
(k.T » 9keV)

Nhận xét: Từ tiêu chuẩn Lawson: n.t > 1020_sec.m-3

 Có thể lựa chọn hoặc việc giữ được nhiều hạt trong thời gian ngắn hoặc giữ

được ít hạt trong thời gan dài.

- Phương pháp giữ và cách nhiệt plama:

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16></div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

PHẦN III: HẠT SƠ CẤP (HẠT CƠ BẢN)
I. Định nghĩa hạt cơ bản

Có nhiều cách định nghĩa hạt cơ bản sau đây là 4 định nghĩa:

- Các hạt cơ bản là các hạt không thể tách thành các hạt thành phần

- Các hạt cơ bản là các đối tượng có mặt trong bảng “Dữ liệu các hạt” của Ủy hội
đặc biệt các nhà vật lí xuất bản 2 năm một lần.

- Hạt sơ cấp là những hạt rất nhỏ cấu tạo nên vật chất.

- Các hạt cơ bản là các hạt mà trong những hiện tượng đã biết, các hạt ấy sinh, hủy,
biến đổi như một thể đơn nhất (một hạt nguyên vẹn).

II. Những đặc trưng của các hạt sơ cấp
1. Khối lượng

Các hạt sơ cấp đều có khối lượng tĩnh khác 0, trừ photon () có khối lượng tĩnh

bằng 0 và notrino (n) có khối lượng tĩnh coi như bằng 0.

Khi nói khối lượng của một hạt ta hiểu đó là khối lượng tĩnh. Khối lượng các hạt
sơ cấp thường tính ra đơn vị bằng khối lượng electron (me) hay tính ra MeV/ c2_.
Ví dụ: Khối lượng medon p0 = (264,2 ± 0,1) me = (135,01 ± 0,05) MeV/ c2

Khối lượng proton p = (1836,0 9 ± 0,01) me = (928,256 ± 0,005) MeV/ c2

2. Thời gian sống và thời gian phản ứng phân rã

Cho đến nay trong số các hạt sơ cấp, người ta chỉ thấy có một số ít hạt bền vững:
(), (n), e+, e-, p (bền có nghĩa là thời gian sống rất lớn, có thể coi như vơ tận). Cịn

các hạt sơ cấp khác chỉ sống một thời gian ngắn rồi phân rã thành các hạt khác.
Ví dụ: Notron có thời gian sống (1013 ± 26). 10-8 s và phân rã theo phản ứng:

n  p +e- + ne (phân rã β-)

Medon p+ có thời gian sống (2,551 ± 0,26). 10-16 s và phân rã theo phản ứng:

p0  2

3. Điện tích

Một số hạt sơ cấp trung hòa về điện: , n, p0, n,... . Một số hạt khác mang điện tích
dương hay âm.

Nói chung trị số tuyệt đối các điện tích ấy đều bằng: e = 1,602.10-19_C.
4. Spin

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

Nói cách khác với một trị số xác định của s có 2s + 1 trị số của ms; s có thể là
ngun hay bán ngun.

Ví dụ: Photon () có spin = 1; electron (e-) có spin = 1/2; medon p có spin = 0.

5. Đối hạt

Thực nghiệm và lí thuyết chứng tỏ rằng mỗi hạt sơ cấp đều có đối hạt tương ứng.
Đối hạt có cùng khối lượng, thời gian sống, spin, nhưng có điện tích, momen từ
ngược với dấu với hạt.

Ví dụ: Đối hạt của e-_{là e}+_{có cùng khối lượng, cùng thời gian sống, spin, như e}
-nhưng có điện tích ngược dấu. Đối hạt của p là p- _{, của n là n}- _{, của}_p+_là_p- _{. Đặc}
biệt có hai hạt trùng với đối hạt của chúng là phôton và medon p0... <i>π</i>0

=~<i>π</i>0 ;  =
~

<i>γ</i>
6. Số lạ

Từ những năm 1947 trở đi, người ta tìm thấy một loại hạt sơ cấp mới. Đó là các hạt
medon K: K+_{, K}0 _{(khối lượng vào khoảng 956 lần khồi lượng electron), epon Y có}
khối lượng lớn hơn nuclon: Lamda (L0), xigma ( ❑

+¿<i>,</i>∑❑0<i>_,</i>

∑

❑<i>−</i>

∑

¿ ), ksi ( X, X

-_),
Omega (W-). Người ta gọi chúng là các hạt lạ vì chúng có hai đặc điểm sau đây:

a. Chúng sinh ra trong những quá trình rất nhanh (thời gian xảy ra quá trình » 10

-23_{s) và phân rã trong những quá trình chậm (}

» 10-8s).

b. Bao giờ cũng sinh ra đồng thời hai ba hạt lạ nhưng không bao giờ chỉ sinh lẻ loi
một hạt lạ hay vài hạt lạ cùng loại.

Ví dụ: Có thể xảy ra các phản ứng sau:

p- + p L0 + k0 (1)

p- + p 

_∑

❑<i>−</i> + k+ (2)
p- + p X- + k+ +k0 (3)

Nhưng không thể xảy ra các phản ứng

p- + p  n + k0 (4)

n+ nL0 + L0 (5)

Để đặc trưng cho các đặc điểm trên của hạt lạ người ta đưa ra một số lượng tử mới
gọi là số lạ s:

Hạt k+ _k0

L0 ❑+¿

∑

¿

∑

❑0

∑

❑<i>−</i> X+ X- W

Số lạ s 1 1 -1 -1 -1 -1 -2 -2 -3

Các hạt khác (không lạ) như p,n, p... có s = 0. Các đối hạt có số lạ ngược dấu với

số lạ của hạt tương ứng. Để giải thích các q trình sinh hạt lạ người ta nêu ra định
luật sau đây gọi là định luật bảo toàn số lạ: trong các quá trình sinh hạt lạ tổng (đại
số) số lạ của hệ được bảo toàn (∆S =0).

VD: với phương trình (1) ở trên: 0 = -1 +1; (∆S =0).
Với phương trình (2): 0 = -1+1 (∆S =0)

Với phương trình (3): 0 = -2+1+1 (∆S =0)

Nhờ có định luật bảo tồn số lạ, ta giải thích được tại sao khơng xảy ra các q
trình (4) và (5). Bởi vì:

Ở (4): 0 = +1(∆S =±1)

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

Vậy các quá trình này khơng xảy ra vì chúng khơng thỏa mãn định luật bảo tồn số
lạ.

7. Số barion:

Các hạt sơ cấp có khối lượng lớn hơn hay bằng khối lượng proton (p) có tên chung
là các barion.Thành thử các barion gồm các nuclon và các hyperon. Điều đặc biệt
là trong các quá trình biến đổi, người ta thấy mỗi khi mất đi một barion bao giờ
cũng có một barion mới xuất hiện.

Ví dụ: p+ p  p + ❑
+¿

∑

¿ + k

0_.

L0  p + p- (1)
p- + p  k0 + L0

Để mô tả quá trình barion tham gia người ta đưa ra một số lượng tử mới gọi là số
Barion B: Số barion B của các hạt barion (p, n, L, X,

∑

❑ ) đều bằng 1 và các

quá trình trên được giải thích bằng định luật gọi là định luật bảo toàn số barion.
Định luật bảo toàn số barion: Trong quá trình biến đổi tổng (đại số) barion của hệ
không thay đổi (∆B = 0)

8. Spin đồng vị

Ta biết rằng tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân có một đặc tính là
khơng phụ thuộc diện tích. Cụ thể tương tác giữa p – p, n – n, p – n là như nhau
( nếu các nucleon đó ở những trạng thái như nhau). Nói cách khác, trong tương tác
hạt nhân hai hạt proton và notron khơng gì khác nhau. Người ta cho rằng khối
lượng của proton khác khối lượng của notron là do proton có mang điện tích (nghĩa
là do tương tác điện tử).

Như vậy trong tương tác hạt nhân, người ta có thể coi proton và notron là hai
trạng thái của cùng một hạt nucleon (N). Nếu khơng để ý đến tương tác điện từ thì
hai trạng thái đó tương ứng với cùng một khối lượng, do đó cùng một năng lượng.
Nếu để ý đến tương tác điện từ thì hai trạng thái đó tương ứng với hai khối lượng
khác nhau chút ít, do đó tương ứng với hai mức năng lượng gần nhau. Ta có thể so
sánh tính chất này với tính chất của electron trong ngun tử. Nếu khơng để ý đến
spin thì mỗi trạng thái electron trong nguyên tử tương ứng với một mức năng
lượng. Nếu để ý đến spin thì mức năng lượng đó tách thành hai mức gần nhau ,
tương ứng với hai trạng thái của electron khác nhau về sự định hướng của momen
spin (SZ = + 1₂<i>h</i> _{và Sz =} <i>−</i>1

2<i>h</i> )

Đối với nucleon, để tiện tính tốn, người ta cũng đưa ra một đại lượng gọi là
spin đồng vị I. Ta đã biết nếu hệ có spin thơng thường là S thì hệ sẽ có 2S + 1 trạng
thái ứng với các hình chiếu khác nhau của spin. Tương tự nếu hệ có spin đồng vị I
thì hệ sẽ có 2I + 1 trạng thái ứng với các giá trị khác nhau của hình chiếu spin đồng
vị trên trục z nào đó.

Thành thử khái niệm spin đồng vị cho phép ta mô tả các trạng thái điện khác
nhau của cùng một hạt.

</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

Tương tự ba hạt p+, p0, p- có thể coi là ba trạng thái của cùng một hạt, nghĩa là 2I +

1 = 3. Do đó I = 1 vậy hạt medon p có spin đồng vị: I = 1.

Ba trạng thái p+, p0, p- ứng với ba giá trị hình chiếu Iz khác nhau của spin đồng vị

của p.

p+ có Iz = 1, p0 có Iz = 0, p- có Iz = - 1

Người ta nói (p, n) hợp thành một bộ đơi đồng vị, (p+, p0, p-) hợp thành một bộ ba

đồng vị. Đặc biệt ❑0 hợp thành một bộ đơn đồng vị (I = 0, Iz = 0). Đối hạt có

cùng I và có Iz ngược dấu so với hạt.
9. Số lepton

Hiện nay ta biết được có 6 hạt lepton xếp thành 3 cặp (e-_,_n_{e), (}_m-_,_n

m), (t-, nt).

Trong các phản ứng biến đổi bao giờ cũng sinh lepton theo từng cặp trên, hoặc
nếu một lepton mất đi thì xuất hiện một lepton khác cùng cặp.

Để mơ tả tính chất đó của lepton người ta đưa ra một số lượng tử gọi là số lepton
L: Cặp lepton electron (e-_,_n_{e) có số lepton Le = 1, cặp lepton Muy (}_m-_,_n

m) có Lm =

1, cặp lepton Tau (t-, nt) có Lt = 1 (có phản Lepton có số lepton ngược dấu với

lepton) và trong các phản ứng, tổng đại số của số lepton electron Le hay số lepton
muy Lm hoặc số lepton tau Lt của hệ các hạt tham gia phản ứng được bảo toàn.

III. Các hạt sơ cấp
1. Hạt electron (điện tử)

Electron được Thomson phát hiện ra năm 1897 khi ông chứng minh bằng thực

nghiệm rằng: Tia catot có vận tốc nhỏ hơn vận tốc ánh sáng và bị lệch khi qua điện
trường, tức là tia catot gồm các hạt mang điện âm, đồng thời ơng đã đo được tỉ số
điện tích và khối lượng (e/m) của mỗi hạt đó. Hạt này được Stoney gọi là electron.
* Các đặc điểm của electron

a. Khối lượng (tĩnh): m = 9,1093897.10-31_{kg = 0,51099906 MeV/ c}2

b. Điện tích: Millien đã xác định vào năm 1909, sau này được đo bằng các phương
pháp hiện đại. Giá trị hiện nay đo được là: e = - 1,6217733.10-19_C

c. Spin (hay là mô men động lượng riêng).

Khái niệm spin của electron đã được Unlenbeck và Goudsmit đưa ra năm 1925 để
giải thích sự cấu tạo bộ (tế vi) của các vạch quang phổ.

- Trị số của vecto spin electron là
<i>j=h</i>

_√

<i>j</i>(<i>j+</i>1) với j = ½

- Hình chiếu của véc tơ spin electron lên một trục cho trước (Trí dụ trục Z) chỉ có
hai giá trị là: j = + 1₂<i>h</i> _{và jz =} <i>−</i>1

2<i>h</i> .

d. Thời gian sống : coi như ¥

e. Mơ men lưỡng cực từ riêng

Khi electron chuyển động quanh hạt nhân thì nó có momen động lượng quỹ
đạo, đồng thời nó cũng có momen lưỡng cực từ gọi là momen từ quỹ đạo.

Cơ học lượng tử đã chứng minh rằng giữa momen từ và momen động lượng có sự
liên hệ chặt chẽ với nhau.

</div>
<span class='text_page_counter'>(21)</span><div class='page_container' data-page=21>

Xét riêng cho mơ men động lượng spin thì momen từ tương ứng gọi là momen từ
spin hay momen từ riêng.

Đối với electron, hiện nay người ta đo được momen từ riêng của nó là: m =

1,001159652193 mB
mB = eh/2me gọi là Manheto Bohr

Khi đặt một electron đứng n ( để khơng có mơmen từ quỹ đạo) trong từ
trường có cảm ứng từ ⃗<i>_B</i> _{(khơng đổi) thì năng lượng tương tác của (mo men từ}
riêng) electron với từ trường là: - mB

Chính năng lượng này xác nhận sự tồn tại momen từ riêng của electron (cũng như
của các hạt sơ cấp khác)

f. Mômen lưỡng cực điện riêng

Hiện nay người ta thấy rằng, cùng với momen từ riêng, mỗi electron (hoặc
một hạt sơ cấp khác) cịn có momen lưỡng cực điện riêng ( ⃗<i>_d</i> _{). Gọi là riêng vì,}
cũng như momen từ riêng, momen lưỡng cực điện riêng địa phương theo spin của
nó. Giá trị của ( ⃗<i>_d</i> _{) là khơng đổi.}

Đối với electron d ~ 1026 e cm

Năng lượng tương tác của momen lưỡng cực điện riêng với điện trường có cường
độ ⃗<i>_E</i> là - ⃗<i>_d</i>⃗<i>_D</i>

Các thí nghiệm hiện nay đều dựa vào năng lượng tương tác này để đo ⃗<i>_d</i> _.
Sự tồn tại momen lưỡng cực điện riêng ở hạt sơ cấp chứng tỏ rằng:
- Mỗi hạt sơ cấp có cấu trúc khơng gian phức tạp.

- Có sự vi phạm tính đối xứng đối với phép nghịch đảo kết hợp (phép phản chiếu
gương kết hợp với phép đổi hạt thành phản hạt, thường gọi là phép biến đổi CP)
trong các hiện tượng có mặt hạt đang xét.

Electron có vai trị quan trọng đối với cấu trúc nguyên tử: Các electron
chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ của nguyên tử, do đó chúng
quyết định các tính chất của nguyên tử , sự kết hợp các nguyên tử thành phân tử
( hóa trị của các nguyên tố liên hệ trực tiếp với spin electron)

2. Hạt proton

Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo bởi hai hạt: proton và notron

Proton (p) được Ruther Ford tìm thấy năm 1919 khi bắn phá hạt nhân bằng các hạt

.

Các đặc điểm của proton

a. Khối lượng: m = 938,27231MeV/c2

» 1836,15me

b. Điện tích: Iudotxo đã thực hiện phép đo điện tích q của proton như sau:
Giả sử rằng q/e = 1+ d và đo d, ông nhận thấy d < 10- 20

Vậy điện tích proton được coi được coi bằng: q =|e|

c. Spin (hay là mô men động lượng riêng): j = 1/2
d. Thời gian sống : coi như ¥

e. Mơ men từ riêng

Theo phương trình Dirac thì momen từ riêng (momen từ spin) của proton là bằng
Manheto hạt nhân . mN = |e|h/2mp

Nhưng thực nghiệm lại đo được momen từ riêng của p như sau:

</div>
<span class='text_page_counter'>(22)</span><div class='page_container' data-page=22>

Phần momen từ sai khác với kết quả của phương trình Dirac gọi là momen từ dị
thường, nó bằng: ma = 1,79284739 mN

Sự tồn tại momen từ dị thường cho thấy proton có cấu phức tạp.
f. Mômen lưỡng cực điện riêng

d ~ - 4.10-23e cm

g. Phản hạt của proton

Là hạt có khối lượng bằng proton nhưng có điện tích ngược dấu, tức là bằng e.
Phản hạt của proton được quan sát thấy năm 1955 ở Đại học Cilifornia (Mĩ).

3. Hạt notron

Notron (n) được chadwick tìm ra năm 1932, có đặc điểm:
a. Khối lượng: m = 939,56563MeV/c2

» 1838,68me

Khối lượng notron lớn hơn khối lượng
b. Điện tích:

c. Spin (hay là mô men động lượng riêng).
d. Thời gian sống : coi như ¥

e. Mơ men lưỡng cực từ riêng
f. Mômen lưỡng cực điện riêng
g. Phản hạt của notron

</div>

<!--links-->