zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n,y)109Pd gây bởi nơtron nhiệt

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:67

Báo xấu

85
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bản luận văn “Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n,y)109Pd gây bởi nơtron nhiệt” sẽ tập trung xác định bằng thực nghiệm tiết diện của phản ứng. Trong tự nhiên Palladium (Pd) là một kim loại hiếm có màu trắng bạc, bóng, mềm và dễ uốn, có khả năng hấp thụ Hydro tới 900 lần thể tích ở nhiệt độ phòng, chống xỉn màu, dẫn điện ổn định, chống ăn mòn hóa học cao cùng chịu nhiệt tốt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n,y)109Pd gây bởi nơtron nhiệt

Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VĂN HẢI NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ )109Pd GÂY BỞI NƠTRON NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 1
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ VĂN HẢI NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ )109Pd GÂY BỞI NƠTRON NHIỆT Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. NGUYỄN VĂN ĐỖ 2
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Hà Nội – 2015 LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập và làm việc để hoàn thành được bản luận văn thạc sĩ ngành Vật lý hạt nhân tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Văn Đỗ. Nhờ sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của Thầy mà em đã học hỏi được nhiều kiến thức về lý thuyết Vật lý hạt nhân cũng như Vật lý hạt nhân thực nghiệm. Em xin gửi lời cám ơn đến TS. Phạm Đức Khuê và các cán bộ của Trung tâm Vật lý hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cám ơn đề tài nghiên cứu cơ bản NAFOSTED, mã số 103.042012.21 do GS.TS. Nguyễn Văn Đỗ làm chủ nghiệm đã cho phép sử dụng các số liệu thực nghiệm để thực hiện luận văn. Em xin cám ơn thầy cô thuộc bộ môn Vật lý hạt nhân cũng như khoa Vật lý Trường ĐHKHTN ĐHQG Hà Nội, đã dạỵ bảo em trong quá trình học tập tại trường. Cuối cùng. em xin được dành tất cả những thành quả trong học tập của mình dâng tặng những người thân yêu trong gia đình, những người luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ em vượt qua mọi khó khăn. Hà Nội, tháng........năm 2015 TÁC GIẢ LUẬN VĂN LÊ VĂN HẢI 3
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải DANH MỤC BẢNG BIỂU STT TÊN BẢNG TRANG Bảng 1.1 Các thông số đối với một số chất làm chậm 16 Bảng 2.1 Đặc trưng của các mẫu Pd, Au và In 29 Bảng 2.2 Chế độ kích hoạt mẫu 31 Bảng 2.3 Giá trị các hệ số làm khớp đối với Detector HPGe (ORTEC) 35 Giá trị thông lượng nơtron được nhiệt hóa tại các vị trí của mẫu Bảng 2.4 43 In trên hình 2.5 Các thông số của phản ứng 108Pd(n,γ)109Pd , 197Au(n,γ)198Au, và Bảng 3.1 115 46 In(n,γ)116mIn Các hệ số hiệu chỉnh chính được sử dụng để xác định tiết diện Bảng 3.2 47 bắt nơtron nhiệt Hệ số tự chắn đối với nơ tron nhiệt và hệ số tự hấp thụ của các Bảng 3.3 47 tia gamma sử dụng để đo hoạt độ của các mẫu Pd và Au Bảng 3.4 Các nguồn sai số trong xác định tiết diện nơtron nhiệt 48 Bảng Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,γ)109Pd 49 3.5. 4
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải 5
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải DANH MỤC HÌNH VẼ STT TÊN HÌNH TRANG Hình 1.1 Định luật bảo toàn xung lượng trong phản ứng a + A → b +B 7 Hình 1.2 Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần 11 Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ Hình 1.3 13 phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b) Hình 1.4 Sơ đồ tính ζ 15 Hình 1.5 Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron 19 Hình 1.6 Sự phụ thuộc của tiết diện bắt nơtron vào năng lượng 23 Hình 2.1 Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc 26 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV 26 Hình 2.3 Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron 27 Phân bố năng lượng nơtron đối với bia Ta có và không được Hình 2.4 làm mát bằng nước, và so sánh với phân bố Maxwellian tại 28 nhiệt độ hạt nhân = 0.45 MeV Hình 2.5 Sơ đồ sắp xếp vị trí mẫu 30 ̣ Bô tri thi nghiêm kích ho ́ ́ ́ ạt mâu trên bê măt h ̃ ̀ ̣ ệ làm chậm nơtron Hình 2.6 30 ̀ ươć băng n Hình 2.7 Sơ đô hê phô kê gamma ̀ ̣ ̉ ́ 31 Đường cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán dẫn Hình 2.8 36 HPGe (ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), Hình 2.9 38 thời gian phân rã (td) và thời gian đo (tc) Phổ gamma đặc trưng của mẫu Pd được kích hoạt bởi nơtron Hình 3.1 nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 376 phút, 44 thời gian đo 30 phút Phổ gamma đặc trưng của mẫu Au được kích hoạt bởi nơtron Hình 3.2 nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 330 phút, 45 thời gian đo 10 phút Phổ gamma đặc trưng của mẫu In được kích hoạt bởi nơtron Hình 3.3 nhiệt với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 344 phút, 45 thời gian đo 200 giây Hình 3.4 Sơ đồ phân rã đã đơn giản của 109Pd ( năng lượng: keV) 46 Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,γ)109Pd biểu diễn Hình 3.5 50 theo thang thời gian 6
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải MỤC LỤC M Ở Đ Ầ U Phản ứng hạt nhân làm biến đổi sâu sắc hạt nhân nguyên tử và phát ra các loại hạt/bức xạ khác nhau, mang theo những thông tin liên quan tới các đặc trưng của hạt nhân cũng như quá trình tương tác của nó với các hạt/bức xạ tới. Phân tích các thông tin thu được từ phản ứng hạt nhân có thể nhận biết về cấu trúc và các tính chất của hạt nhân, về nguồn gốc của năng lượng hạt nhân và các đồng vị phóng xạ cũng như khả năng ứng dụng của chúng. Chính vì vậy mà từ lâu phản 7
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải ứng hạt nhân đã trở thành một trong những hướng nghiên cứu quan trọng được sử dụng để khám phá hạt nhân nguyên tử. Phản ứng hạt nhân xảy ra do tương tác của các loại hạt, bức xạ khác nhau như alpha ( ), proton (p), nơtron (n), photon ( )...với hạt nhân nguyên tử. Trong thực tế nghiên cứu và ứng dụng đến nay cho thấy phản ứng hạt nhân với nơtron là phổ biến nhất mà một trong những lý do quan trọng đó là nơtron trung hòa về điện tích nên có thể tương tác với các loại hạt nhân nguyên tử có số khối từ nhỏ tới lớn mà không chịu tác dụng của lực đẩy culong. Ngoài ra, nguồn phát nơtron cũng phổ biến hơn nhiều so với những nguồn phát ra các loại hạt, bức xạ khác. Ngày nay nơtron không những chỉ được tạo ra từ các nguồn nơtron đồng vị, từ lò phản ứng hạt nhân mà còn từ nhiều loại máy gia tốc hạt khác nhau, có khả năng tạo ra nơtron trong giải năng lượng rộng, thông lượng lớn, cho phép tiến hành nghiên cứu nhiều phản ứng hạt nhân với nơtron. Trong luận văn này tác giả đã chọn phản ứng bắt nơtron (n, ) để nghiên cứu. Cho tới nay phản ứng hạt nhân (n, ) đã được nghiên cứu trên nhiều hạt nhân/đồng vị khác nhau. Các kết quả nghiên cứu đã giúp mở rộng sự hiểu biết về những bí mật của hạt nhân nguyên tử cũng như về cơ chế của phản ứng, đồng thời đã cung cấp nhiều số liệu hạt nhân có giá trị phục vụ nghiên cứu cơ bản và các lĩnh vực ứng dụng có ý nghĩa khoa học và kinh tế như tính toán thiết kế lò phản ứng hạt nhân, che chắn an toàn phóng xạ, chế tạo đồng vị phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ, phân tích kích hoạt xác định hàm lượng các nguyên tố,…Tuy nhiên, đối tượng nghiên cứu và nhu cầu hiểu biết về hạt nhân nguyên tử, về cơ chế phản ứng cùng khả năng ứng dụng của phản ứng hạt nhân nói chung và phản ứng bắt nơtron nói riêng là không có giới hạn, độ chính xác của các số liệu hạt nhân đòi hỏi ngày càng cao. Ngoài ra, phản ứng bắt nơtron còn là một kênh quan trọng tổng hợp các hạt nhân từ sau các nguyên tố sắt (Fe) và niken (Ni). Chính vì vậy mà phản ứng bắt nơtron vẫn luôn thu hút sự quan tâm nghiên cứu cả ở trong và ngoài nước. Bản luận văn “Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 108Pd(n, )109Pd gây bởi nơtron nhiệt” sẽ tập trung xác định bằng thực nghiệm tiết diện của phản ứng. Trong tự nhiên Palladium (Pd) là một kim loại hiếm có màu trắng bạc, bóng, mềm và dễ 8
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải uốn, có khả năng hấp thụ Hydro tới 900 lần thể tích ở nhiệt độ phòng, chống xỉn màu, dẫn điện ổn định, chống ăn mòn hóa học cao cùng chịu nhiệt tốt. Do những tính chất đặc biệt của Palladium (Pd) nên kim loại này là vật liệu quan trọng trong việc chế tạo bộ chuyển đổi xúc tác để xử lý các loại khí độc hại trong khói của ô tô, sản xuất linh kiện điện tử, công nghệ sản xuất và lưu trữ Hydro... Ngoài ra Palladium còn được sử dụng trong ngành nha khoa và y học. Đồng vị 109Pd được sinh ra từ phản ứng 108Pd(n, )109Pd với chu kỳ bán dã 13.7 h có tiềm năng ứng dụng trong y học phóng xạ. Cho tới nay đã có một số tác giả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n, )109Pd. Tuy nhiên, các số liệu đã công bố khác nhau tương đối lớn, nằm trong khoảng từ 5.95±0.08 barn đến 14±2 barn, chênh lệch lên tới 135%. Do đó, khó có thể đánh giá và tìm ra được một số liệu tốt nhất để sử dụng. Vì vậy việc xác định thêm những số liệu tiết diện mới để bổ xung vào thư viện số liệu hạt nhân đối với phản ứng hạt nhân 108Pd(n, )109Pd là rất cần thiết. Cho tới nay hầu hết các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân 108Pd(n, )109Pd đều sử dụng nơtron phát ra theo chế độ liên tục từ các nguồn nơtron đồng vị hoặc lò phản ứng phân hạch. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng nơtron được phát ra theo chế độ xung từ máy gia tốc electron tuyến tính, năng lượng cực đại 100 MeV. Tiết diện của phản ứng hạt nhân 108Pd(n, )109Pd được xác định bằng phương pháp kích hoạt kết hợp với kỹ thuật năng phổ gamma. Hoạt độ của đồng vị phóng xạ 109Pd được đo bằng phổ phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết, HPGe. Tiết diện phản ứng được xác định bằng phương pháp tương đối, nghĩa là so sánh với tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 197Au(n, )198Au đã biết là o,Au = 98.65 0.09 barn. Nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu đã thực hiện một số hiệu chính nhằm giảm sai số gây bởi hiệu ứng tự hấp thụ của các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia gamma trùng phùng thác và hiệu ứng tự chắn của chùm nơtron nhiệt. Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108 Pd(n,γ)109Pd thu được trong luận văn là 8.57±0.79 barn. Kết quả này sẽ được phân tích và đánh giá trong chương 3. Bản luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục. Chương 1 trình bày tóm tắt về phản ứng hạt nhân, nhiệt hóa nơtron và tiết diện 9
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải bắt nơtron nhiệt. Trong phản ứng hạt nhân đi sâu vào phản ứng bắt nơtron cùng với các quá trình vật lý đi kèm. Chương 2 trinh bay thi nghiêm va phân tich sô liêu ̀ ̀ ́ ̣ ̀ ́ ́ ̣ ́ ̣ ́ ̣ ́ ơtron của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd. Chương 3 nhăm xac đinh tiêt diên băt n ̀ trình bày kết quả thực nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd cùng với các ý kiến đánh giá, bình luận về kết quả. Bản luận văn dài 59 trang, có 20 hình vẽ và đồ thị, 10 bảng biểu và 40 tài liệu tham khảo. Bản luận văn được hoàn thành tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 10
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG (n,γ ) VÀ NHIỆT HÓA NƠTRON 1.1. Phản ứng hạt nhân 1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên được tạo ra từ phòng thí nghiệm của Rutherford năm 1919 khi bắn chùm hạt alpha ( ) từ nguồn đồng vị vào hạt nhân Nitơ (N) tạo ra 17O và Proton (p). + 14N → 17O + p Ngày nay, có thể gây ra rất nhiều loại phản ứng hạt nhân khác nhau do sự đa dạng của các chùm hạt/bức xạ tới được tạo ra từ lò phản ứng và các máy gia tốc khác nhau. Một phản ứng hạt nhân thường được viết như sau: a + A → B + b (1.1) Trong đó a là hạt/bức xạ tới, A là hạt nhân bia tham gia phản ứng, B và b là các sản phẩm của phản ứng. Sau phản ứng hạt nhân cũng có thể xuất hiện nhiều hơn 2 hạt và bay ra theo các phương khác nhau. [2] Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần (cỡ 10 13cm) và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ. Hạt hoặc bức xạ kích thích hạt nhân (hạt/bức xạ tới) gây ra phản ứng có thể là alpha ( ), proton (p), nơtron (n), bức xạ gamma ( ),… Trong quá trình xảy ra phản ứng hạt nhân thì trạng thái tương tác ban đầu a + A còn được gọi là kênh lối vào và trạng thái cuối b + B còn gọi là kênh lối ra. Một phản ứng hạt nhân cũng thường được viết dưới dạng rút gọn như sau: A(a,b)B Ký hiệu này tiện lợi vì ta có thể dùng nó để phân loại các phản ứng dựa vào những tính chất chung, ví dụ: phản ứng ( ,n) hoặc phản ứng ( ,n). Các phản ứng hạt nhân sinh nhiều hạt thường được ký hiệu dựa vào những đặc trưng riêng của mỗi loại phản ứng, ví dụ: (n,2n), (n,np), ( ,2n), ( ,2np), ( , xnyp), (p,xnyp),.. 11
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải 1.1.2. Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản Phản ứng hạt nhân hay quá trình tương tác hạt nhân xảy ra giữa hạt tới a và hạt nhân bia A thông thường xảy ra theo một trong các quá trình sau đây: a. Tán xạ đàn hồi Tán xạ đàn hồi là quá trình xảy ra được mô tả như sau: a+A a+ A hay A(a,a)A (1.2) Trong quá trình tán xạ đàn hồi thì nhận dạng và trạng thái nội tại của hạt tới và bia không thay đổi, nhưng động năng và tốc độ của các hạt tới thay đổi, hạt có thể thay đổi hướng chuyển động. Sản phẩm của phản ứng là hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản. Ví dụ: n+208Pb n+208Pb hay 208Pb(n,n)208Pb b. Tán xạ không đàn hồi Tán xạ không đàn hồi là quá trình xảy ra có dạng như sau: a+A a' + A* hay A(a,a')A* (1.3) Trong quá trình tán xạ không đàn hồi thì nhận dạng các hạt không đổi. Tuy nhiên, quá trình này thay đổi trạng thái nội tại với hạt nhân bia chuyển lên trạng thái kích thích và hạt tới a thường phát ra với năng lượng giảm, ký hiệu là a'. Ví dụ: α +40Ca α' +40Ca* hay 40Ca(α,α')40Ca* Nếu hạt tới a là một hạt nhân phức tạp (ion nặng) thì nó có thể chuyển sang trạng thái kích thích thay cho hạt nhân bia hoặc cả hạt tới và hạt nhân bia đều bị kích thích. Ví dụ 12C +208Pb 12C*+208Pb* hay 208Pb(12C,12C*)208Pb* c. Phản ứng biến đổi hạt nhân Phản ứng biến đổi hạt nhân hay còn gọi là phản ứng hạt nhân thực sự là quá trình tương tác tạo ra các hạt ở kênh ra khác các hạt ở kênh vào, nghĩa là các hạt sau phản ứng b và B khác các hạt trước phản ứng a và A: a+A b + B hay A(a,b)B (1.4) Nhiều trường hợp cùng một kênh vào có các kênh ra phản ứng khác nhau hoặc kênh vào khác nhau nhưng có cùng sản phẩm phản ứng. Ví dụ: p + 7Li 7Be + n và p + 7Li 2α 12
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải hoặc p + 63Cu 63Zn + n và α + 60Ni 63Zn + n Trong thực tế có nhiều loại phản ứng biến đổi hạt nhân như: phản ứng với hạt tích điện, phản ứng với ion nặng, phản ứng bắt nơtron, phản ứng chuy ển đổi, phản ứng quang hạt nhân,...Bởi vậy tên gọi “phản ứng hạt nhân” dành cho cả quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và quá trình phản ứng thực sự. 1.1.3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng Phản ứng hạt nhân a+A b + B tuân thủ các định luật bảo toàn sau đây: a. Bảo toàn điện tích Định luật bảo toàn điện tích yêu cầu tổng số điện tích trước phản ứng phải bằng tổng số điện tích sau phản ứng, tức là: Za + ZA = Zb + ZB (1.5) Trong đó Za , ZA , Zb , ZB lần lượt là điện tích của các hạt a, A, b, B. b. Bảo toàn số nucleon Định luật bảo toàn số nucleon yêu cầu tổng số các nucleon trước và sau phản ứng phải bằng nhau. Aa + AA = Ab + AB (1.6) Trong đó Aa , AA , Ab , AB lần lượt là số nucleon của các hạt a, A, b, B. c. Bảo toàn năng lượng Định luật bảo toàn năng lượng yêu cầu tổng số năng lượng của các thành phần trước phản ứng phải bằng tổng số năng lượng của các thành phần sau phản ứng. (mac2+ Ea) + (mAc2 + EA) = (mbc2 + Eb) + (mBc2 + EB) (1.7) Trong đó ma, mA, mb, mB; mac2, mAc2, mbc2, mBc2 và Ea, EA, Eb, EB lần lượt là khối lượng, năng lượng tĩnh và động năng của các hạt a, A, b, B. d. Bảo toàn động lượng Định luật bảo toàn động lượng yêu cầu tổng số động lượng của các thành phần trước phản ứng phải bằng tổng số động lượng của các thành phần sau phản ứng. + = + (1.8) Trong đó ,, , lần lượt là động lượng của các hạt a, A, b, B. 1.1.4. Năng lượng của phản ứng Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần cho phản ứng (1.1) được viết dưới dạng: 13
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải (1.9) với Mi và Ki là khối lượng nghỉ và động năng của hạt i, c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Năng lượng phản ứng, kí hiệu là Q, được xác định như sau: (1.10) Kết hợp với (1.9), biểu thức tính Q được viết dưới dạng khác: (1.11) Nếu Q > 0, phản ứng (1.1) là phản ứng tỏa nhiệt (tỏa năng lượng): năng lượng nghỉ và năng lượng liên kết của các hạt nhân ban đầu chuyển thành động năng của sản phẩm. Nếu Q
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải (1.13) Kết hợp (1.11) và (1.12) ta có: (1.14) Nếu một phản ứng đã biết khối lượng của các hạt ban đầu và khối lượng các sản phẩm thì năng lượng phản ứng có thể tính theo công thức (1.10). Còn với phản ứng mà khối lượng của một sản phẩm chưa biết thì thông qua việc đo được động năng hạt tới và hạt phát ra (Ka và Kb) cùng với góc giữa chúng, phương trình (1.14) chỉ còn chứa một ẩn là Mb hoặc MB. Khi đó, thay Q này vào (1.10) ta có thể tính được khối lượng của sản phẩm đó. Phương trình (1.13) cũng có thể viết lại được dưới dạng phương trình bậc hai của như sau: (1.15) Đặt thì nghiệm của (1.14) có dạng: (1.16) Biểu thức (1.15) cho ta giá trị động năng của hạt b phát ra theo góc . Biểu thức này cũng có thể áp dụng cho hạt nhân dư B bằng cách thay chỉ số b bằng chỉ số B. Để biểu thức dưới dấu căn của (1.15) có nghĩa thì: Với phản ứng tỏa nhiệt ta luôn có > 0, do đó u2 + > 0. Với phản ứng thu nhiệt, nếu > Q/c2 thì biểu thức (1.18) đơn giản thành: (1.20) 15
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải 1.2. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích 1.2.1. Phản ứng hạt nhân Hạt nhân hợp phần * Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tương tác (a và A) tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần này phân rã thành các hạt thứ cấp ( b và B ) a + A C và C b + B (1.21) N. Bohr giả thuyết rằng, 2 giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C và phân rã hạt nhân này là độc lập với nhau. Khả năng phân rã hạt nhân hợp phần không phụ thuộc vào cách tạo nên hạt nhân hợp phần mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng, mômen động lượng và tính chẵn lẻ của hạt nhân này. Điều này có thể minh họa bằng thời gian xảy ra phản ứng hạt nhân qua giai đoạn hạt nhân hợp phần. Nếu hạt nhân có kích thước cỡ 1012 cm và hạt vào bay qua hạt nhân với tốc độ 1010 cm/s thì thời gian để hạt đó đi qua hạt nhân là 1012 /1010 = 1022 sec . Thời gian này gọi là thời gian đặc trưng của hạt nhân. Đối với phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần có thể tồn tại hàng triệu hay hàng tỷ lần lâu hơn thời gian đặc trưng nói trên trước khi phân rã thành các hạt thứ cấp. Chính vì vậy mà hạt nhân hợp phần, khi phân rã, “quên” mất cách mình được tạo nên [2; tr80]. Tương tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử rất mạnh nên khi hấp thụ một nơtron thì năng lượng của hạt tới được phân bổ một cách nhanh chóng trong toàn hạt nhân. Hạt nhân sau đó trở thành trạng thái kích thích trong khoảng thời gian 10141015 s. Có thể nói hạt nhân đã bắt neutron và trở thành hạt nhân hợp phần [13, tr3]. Các hạt nhân hợp phần này bị kích thích mạnh do năng lượng liên kết của nơtron, cộng thêm động năng của nó. Năng lượng kích thích được giải phóng bằng cách phát ra các hạt như (p, n, 2n, d, α…) hoặc bức x ạ điện từ (γ). Mỗi quá trình có một xác suất nhất định và độc lập với sự hình thành nên hạt nhân hợp phần (do sự phân bố rất nhanh của năng lượng tới trên tất cả các nucleon), tuy nhiên xác suất đó lại phụ thuộc vào mức kích thích. Ta có thể viết một cách tổng quát như sau: (1.22) 16
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải trong đó C* : Hạt nhân hợp phần a, A : Hạt/bức xạ tới và hạt nhân bia Q : Nhiệt lượng tỏa ra sau phản ứng Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α), σ(n,p), σ(n,γ),…Vậy σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và hạt nhân hợp phần phát ra hạt/bức xạ nào đó. 1.2.2. Trạng thái kích thích Xem xét các mức kích thích của hạt nhân hợp phần có thể phân biệt được các trạng thái liên kết mà năng lượng của nó nhỏ hơn năng lượng liên kết của các nucleon liên kết yếu nhất và từ đó mà hiện tượng giải phóng kích thích xảy ra khi phát ra tia gamma hay các nucleon. Cùng với sự tăng năng lượng kích thích thì mật độ mức cũng tăng. Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các mức kích thích này được tìm thấy trong khi bắt nơtron của các nucleon. Hạt nhân hơp phần C* được hình thành có một mức năng lượng kích thích tương ứng với sự khác biệt về khối lượng của phản 17
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải ứng a+A→C* cộng thêm động năng của các nơtron bị bắt (hình 1.3). Hình 1.2. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần Năng lượng tổng trên có thể trùng khớp tuyệt đối với mức năng lượng đang có của hạt nhân hợp phần. Trong trường hợp này, phản ứng sẽ xảy ra với suất lượng cao (cộng hưởng). Từ năng lượng cộng hưởng này, có thể tính toán được các mức năng lượng hạt nhân. Như đã đề cập, giải phóng năng lượng kích thích từ một mức năng lượng đã biết có thể diễn ra theo một vài cách: phát ra hạt (p, n, α…) hoặc một photon. Xác 18
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải suất xảy ra của mỗi quá trình này có thể được biểu diễn như là các độ rộng mức riêng phần: (1.23) Xác suất tương đối khi phát α, p, n, γ là: (1.24) Xác suất tổng cộng σ(n, x) cho phản ứng (n, x): (1.25) trong đó σc : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần, Гx/Г: đã được định nghĩa ở công thức (1.24). 1.3. Nhiệt hóa Nơtron 1.3.1. N ơ tron Hạt nhân nguyên tử được tạo nên bởi các proton và nơtron. Trong đó, A là số khối (A=Z+N), Z là số proton và N là số nơtron. Tổng số khối A là số khối lượng, gần bằng khối lượng hạt nhân được biểu thị trong đơn vị khối lượng nguyên tử 1.660×1027 kg. Proton là hạt mang điện tích dương đơn vị bằng +1.6×10 C và có khối lượng là 1.6726×1027 kg hay 938.279 MeV. Nơtron không có điện 19 tích, khối lượng của nó bằng 1.675×1017 kg hay 989.573 MeV, tức là lớn hơn khối lượng của proton. Proton là hạt cơ bản bền còn nơtron chỉ bền trong hạt nhân bền vững. Quá trình phân rã của nơtron trong hạt nhân bền vững bị cấm về mặt năng lượng vì khi phân rã cần thắng năng lượng liên kết trong hạt nhân. Ở trạng thái tự do, nơtron phân rã với thời gian bán rã là 11.7 phút theo sơ đồ phân rã β như sau: n→ p + e + trong đó e là electron còn là phản notrino. Tuy nhiên, sự không bền của nơtron tự do không đóng vai trò quan trong khi nghiên cứu các quá trình vật lý của nơtron. 1.3.2. Đ ặ c đi ể m c ủ a các n ơ tron nhi ệ t Các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi trường. Mật độ nơtron nhiệt phụ thuộc vào năng lượng nơtron theo quy luật MaxwellBoltzmann: n(E)= (1.26) 19
Luận văn Thạc sĩ Lê Văn Hải Trong đó, N=; k=8,61×105 eV/K là hằng số Boltmann và T là nhiệt độ môi trường. Do năng lượng E và vận tốc của nơtron liên hệ với nhau theo biểu thức E=mv2/2 nên biểu thức (1.26) có thể viết lại như sau: n(E)= (1.27) Với vT= là vận tốc có xác xuất lớn nhất. Theo phân bố (1.26), năng lượng có xác suất lớn nhất còn năng lượng trung bình là . Tuy nhiên người ta coi năng lượng nhiệt là năng lượng ứng với vận tốc có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.27). Năng lượng này bằng kT và được coi là thông số của phân bố Maxwell theo năng lượng. Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm T = 2930K thì v T = 2200m/sec và năng lượng nơtron nhiệt bằng ET = 0.025eV [3]. Tuy nhiên, thực tế năng lượng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn một ít so với năng lượng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử môi trường. Điều đó có nghĩa rằng các nơtron thực tế không đạt được sự cân bằng nhiệt với môi trường. Đó là do sự hấp thụ liên tục của nơtron trong môi trường, sự hấp thụ càng mạnh khi vận tốc của nó càng thấp. 1.3.3. Cơ chế làm chậm nơtron Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền một phần năng lượng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa là được làm chậm. Quá trình làm chậm nơtron đóng vai trò quan trọng vì độ dày của chất làm chậm được sử dụng trong thí nghiệm [3]. Xét quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron khối lượng 1, vận tốc v lên hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau va chạm nơtron có vận tốc v' và hạt nhân có vận tốc V'. Trong hệ tâm quán tính (hình 1.3), nơtron và hạt nhân có vận tốc trước va chạm là v1 và V1, sau va chạm là v1' và V1'. V' Hình 1.3. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b) 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.