Giáo trình Cơ học lượng tử - Chương 9: Cơ sở của cơ học lượng tử vật lý nguyên tử và hạt nhân

ñồng thời. Khi xác ñịnh ñược càng chính xác vị trí của vi hạt tức là ñộ bất ñịnh về toạ ñộ càng nhỏ thì theo hệ thức bất ñịnh, ñộ bất ñịnh về ñộng lượng (hay vận tốc) của hạt càng lớn và việc xác ñịnh ñộng lượng (hay vận tốc) càng không chính xác. Ta xét ví dụ áp dụng cho trường hợp electron trong nguyên tử: Do electron chuyển ñộng trong phạm vi kích thước nguyên tử cỡ 10-10 m nên có thể lấy ñộ bất ñịnh về toạ ñộ của electron là: ∆x ≈ 10-10 m, ñộ bất ñịnh này là nhỏ. Khi ñó ñộ bất ñịnh về ñộng lượng: ∆Px ≈ x h ∆ và vận tốc ∆Vx ≈ m Px∆ = Vx.m h ∆ ≈ 7.10 6 m/s như thế ñộ bất ñịnh về vận tốc là lớn, ñiều này chứng tỏ không thể xác ñịnh chính xác vận tốc của electron trong nguyên tử và như vậy cũng không thể xác ñịnh quỹ ñạo chính xác của nó (vì theo cơ học cổ ñiển, muốn xác ñịnh quỹ ñạo phải biết ñồng thời toạ ñộ và vân tốc ở mõi vị trí). Nói một cách khác, trong thế giới hạt vi mô, khái niệm quỹ ñạo không có ý nghĩa quan trọng nữa. - Hệ thức (9.4) có nghĩa là khi vi hạt ở trang thái năng lượng có ñộ bất ñịnh nhỏ (∆w nhỏ) thì thời gian mà hạt tồn tại ở trạng thái ñó lâu (∆t lớn) và ngược lại. Hệ thức (9.4) áp dụng cho electron trong nguyên tử còn cho phép xác ñịnh “thời gian sống” của electron ở các mức năng lượng khác nhau. Thường electron ở mức năng lượng cao, có ñộ bất ñịnh về năng lương ∆w lớn nên thời gian tồn tại của electron ở trạng thái ñó là ∆t nhỏ và ngược lại, electron sẽ tồn tại lâu ở các trạng thái năng lượng thấp (như trạng thái cơ bản) có ñộ bất ñịnh ∆w nhỏ. Như vậy hệ thức (9.4) ñã phản ánh quy luật tồn tại của vi hạt trong tự nhiên. V i hoc 24 .v 116 §9.3. HÀM SÓNG. Ý NGHĨA THỐNG KÊ. ðIỀU KIỆN VỀ HÀM SÓNG 9.3.1. Hàm sóng Một sóng ánh sáng phẳng ñơn sắc (tương ứng với hạt phôton) có thể mô tả bằng hàm sóng dưới dạng hàm phức: ( )rktieA r r −ω− ⋅=Ψ (9.5) Theo phép tính về số phức thì : 2ψ = ψ.ψ * = A2 là bình phương biên ñộ hàm sóng. Tương tự hàm sóng biểu diễn sóng ðơ Brơi của vi hạt tự do có dạng: ( )rkti 0 e rr −ω− ⋅Ψ=Ψ hay ( )rpwti 0 e rr h −− ⋅Ψ=Ψ (9.6) với ψ0 là biên ñộ hàm sóng ñược xác ñịnh theo hệ thức: 2ψ = ψ.ψ * = ψ 20 ðối với vi hạt chuyển ñộng trong trường lực thế thì hàm sóng của chúng phức tạp hơn, song vẫn là hàm của toạ ñộ và thời gian: ( ) ( )tzyxtr ,,,, Ψ=Ψ=Ψ r (9.7) 9.3.2. Ý nghĩa thống kê và ñiều kiện của hàm sóng Ý nghĩa thống kê của hàm sóng - Ta xét một không gian có thể tích dV bao quanh một ñiểm M bất kỳ mà có một chùm ánh sáng ñơn sắc gửi tới. + Theo quan ñiểm sóng thì cường ñộ sáng tại M tỷ lệ với bình phương biên ñộ sóng tức là 2ψ , nên 2ψ càng lớn thì ñiểm M càng sáng. + Theo quan ñiểm lượng tử (hạt) thì cường ñộ sáng tại M lại tỷ lệ với số hạt phôton có trong một ñơn vị thể tích (gọi là mật ñộ hạt) tại ñó. Từ ñây ta suy ra mối liên hệ: Mật ñộ hạt bao quanh M tỷ lệ với bình phương biên ñộ hàm sóng 2ψ . Như vậy là mật ñộ hạt có liên quan ñến hàm sóng + Mặt khác, nếu mật ñộ hạt càng cao thì khả năng phát hiện thấy hạt càng lớn, do ñó có thể nói 2ψ tại mỗi ñiểm ñặc trưng cho khả năng phát hiện thấy hạt trong một ñơn vị thể tích không gian bao quanh ñiểm ñó (gọi là mật ñộ xác suất tìm thấy hạt tại ñiểm ñó). - Quan niệm như vậy nếu áp dụng cho vi hạt, ta có thể nói: Hàm sóng của vi hạt không mô tả một sóng thực nào cả (vì nó không phải là sóng cơ, sóng ñiện từ, ...) mà nó chỉ giúp ta Vui oc2 4h.v n 117 tính ñược xác suất tìm thấy vi hạt ở một trạng thái nào ñó. Do vậy hàm sóng mang tính thống kê. - Xác suất tìm vi hạt trong thể tích dV bao quanh một ñiểm có hàm sóng ψ là 2ψ . dV và xác suất tìm hạt trong toàn không gian sẽ là dV 2 ∫∫∫ ψ ðiều kiện của hàm sóng - Rõ ràng tìm hạt trong toàn không gian thì chắc chắn sẽ thấy hạt, tức là xác suất bằng 1. Như vậy dV 2 ∫∫∫ ψ = 1 (9.8) Hệ thức này ñược gọi là ñiều kiện chuẩn hoá của hàm sóng. - ðể hàm sóng có ý nghĩa thì nó còn phải thoả mãn các ñiều kiện: + Hàm sóng phải giới nội ( ñiều kiện này ñảm bảo cho ñiều kiện chuẩn hoá ñược thực hiện). + Hàm sóng phải ñơn trị (ñể ñảm bảo một trạng thái có một hàm sóng và có một xác suất tìm thấy hạt, ñể không mâu thuẫn với lý thuyết xác suất). + Hàm sóng phải liên tục (vì mật ñộ xác suất biến thiên liên tục). + ðạo hàm bậc nhất của hàm sóng phải liên tục (ñiều kiện này rút ra từ phương trình mà hàm sóng thoả mãn). § 9.4. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ 9.4.1. Phương trình - Ta ñã biết hàm sóng mô tả trạng thái của vi hạt tự do là hàm sóng De Broglie ( ) ( ) rp i wt i 0 rpwt i 0 eeet,r rr hh rr h r −−− Ψ=Ψ=Ψ - ðối với vi hạt chuyển ñộng trong trường lực thế, có thế năng Wŧ, người ta chứng minh ñược rằng hàm sóng ( )t,rrΨ của nó cũng có thể phân tích thành 2 hàm riêng biệt, mỗi hàm chỉ phụ thuộc một biến là thời gian hoặc toạ ñộ. Tức là: ( ) ( )ret,r wt i 0 rr h ΨΨ=Ψ − Thành phần ( )rrΨ không phụ thuộc thời gian gọi là hàm sóng dừng. - Theo Shrodinger, phương trình ñể xác ñịnh hàm sóng dừng ( )rrΨ có dạng: ( ) ( )[ ] ( ) 02 2 =Ψ−+∆Ψ rrUWmr rr h r (9.9) Vui hoc 24h .v 118 Ở ñây ∆ ( )rrΨ là toán tử Laplace tác dụng lên hàm ( )rrΨ , trong hệ toạ ñộ Descartes có dạng: ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 z r y r x r r ∂ Ψ∂ + ∂ Ψ∂ + ∂ Ψ∂ =∆Ψ rrr r Giải phương trình (9.9) ta tìm ñược các nghiệm tuyến tính của hàm sóng dừng có dạng: ψ = C1 ψ1 + C2 ψ2 với ψ1, ψ2 là các nghiệm riêng, C1, C2 là các hằng số. - Ta biết, hàm sóng ψ mô tả trạng thái của vi hạt, nếu biết ψ ta sẽ biết ñược xác suất tìm thấy vi hạt ở mỗi trạng thái. Phương trình Srôñingơ là phương trình cho phép xác ñịnh hàm sóng của vi hạt ; Ngoài ra giải phương trình Shrodinger ta còn thu ñược năng lượng của vi hạt nên phương trình Shrodinger ñược gọi là phương trình cơ bản của cơ học lượng tử 9.4.2. Ví dụ áp dụng -Ta áp dụng phương trình Shrodinger ñể xét chuyển ñộng của electron trong tinh thể và ñể ñơn giản có thể mô hình thành bài toán khi hạt chuyển ñộng trong trường thế với thế năng một chiều x có dạng như sau: ( )    ≥≤∞ << = ax hoÆc0x khi ax0 khi0 xU ðồ thị biểu diễn U(x) có dạng như một hố sâu (hình 9.2) nên gọi là hố thế năng một chiều . Như vậy hạt chỉ chuyển ñộng tự do trong hố thế mà không vượt ra khỏi hố. Phương trình Shrodinger cho vi hạt trong hố thế có dạng: ( ) ( ) 0x dx xd 2 2 2 =Ψω+Ψ ðặt ω2 = 2 mw2 h ta có: ( ) ( ) 02 22 2 =Ψ+Ψ xWm dx xd h Giải phương trình và sử dụng các ñiều kiện về hàm sóng ta ñược hàm sóng ψ(x) và năng lượng của vi hạt W ñều phụ thuộc số nguyên n là: Vui hoc 24h .vn 119 ( )       pi =Ψ x a n Sin a 2 xn và 2 2 22 2 n ma Wn hpi = với n = 1, 2, 3 ... Từ kết quả trên ta rút ra một số nhận xét: + Mỗi trạng thái của vi hạt ứng với một hàm sóng ψn (x). + Năng lượng của vi hạt trong hố thế Hình 9..2 phụ thuộc số nguyên n (gọi là số lượng tử) có nghĩa là biến thiên một cách gián ñoạn, ta nói năng lượng của vi hạt bị lượng tử hoá. + Biểu diễn sơ ñồ năng lượng, mỗi giá trị năng lượng gián ñoạn ứng với một mức năng lượng (hình 9.3), ta có khoảng cách giữa hai mức liên tiếp: ( )12 2 2 22 1 + pi =−=∆ + n ma WWW nnn h Như vậy m, a nhỏ thì khoảng cách các mức năng lượng lớn còn các hạt vĩ mô có m, a lớn thì khoảng cách các mức năng lượng Hình 9.3 nhỏ ñến mức có thể coi như liên tục. Nói một cách khác: Tính chất lượng tử (gián ñoạn) chỉ thể hiện rõ ở hạt vi mô. Như ñã nói ở §.9.2, trong cơ học lượng tử thì không thể xác ñịnh quỹ ñạo của hạt vi mô mà chỉ có thể dựa vào hàm sóng ñể tính mật ñộ xác suất tìm thấy hạt ở một trạng thái nào ñó. - Mật ñộ xác suất tìm vi hạt trong hố thế: 2ψ =       pi x a n Sin a 2 2 Biểu diễn mật ñộ xác suất ở các trạng thái ta thấy: x a O U 2Ψ n =3 n =2 n =1 x a/2 O Vui hoc 24h .vn 120 n = 1 Thì xác suất cực ñại tại x = 2 a n = 2 thì xác suất cực ñại tại x = 4 a , 4 a3 n = 3 thì xác suất cực ñại tại x = 6 a , 2 a , 6 a5 ,... §9.5. VẬT LÝ NGUYÊN TỬ 9.5.1. Nguyên tử Hydro Do nguyên tử Hydro có cấu tạo ñơn giản nhất so với nguyên tử của nguyên tố khác nên nguyên tử hydro ñã ñược nghiên cứu rất kỹ cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Những kết quả thu ñược về nguyên tử hydro có thể dùng làm cơ sở ñể nghiên cứu các nguyên tử khác phức tạp hơn. Trong nguyên tử , thế năng của các electron là U = r kZe2 Với z là ñiện tích hạt nhân, r là khoảng cách từ electron ñến hạt nhân, k = 04 1 piεε Nguyên tử hyñrô có Z=1 nên phương trình Srôñingơ cho nguyên tử hydro có dạng: 0 r ke W m2 2 2 =Ψ      ++∆Ψ h Do nguyên tử hydro có ñối xứng cầu, vì vậy sử dụng toạ ñộ cầu với các biến số r,θ, ϕ ta ñược phương trình Shrodinger dạng: +      ∂ Ψ∂ ∂ ∂ +      ∂ Ψ∂ ∂ ∂ θ θ θθ sin sin 11 2 2 2 rr r rr 02 sin 1 2 22 2 22 =Ψ      ++ ∂ Ψ∂ + r keWm r hϕθ (9.10) Phương trình này có nghiệm với năng lượng W nhận giá trị gián ñoạn và bằng: 22 42 n 1 . 2 W n mek h −= hay 222 42 n 1 . 2 W n Rh n mek −=−= h (9.11) Vui hoc 24h .vn 121 Trong ñó n là số nguyên thoả mãn n ≥ 1; R gọi là hằng số Rydberg: 153 42 10.27,3 4 == hpi mekR )( 1−s Năng lượng của electron trong nguyên tử hydro nhận các giá trị gián ñoạn, ta nói là bị lượng tử hoá. Nghiệm của phương trình (9.10), tức là hàm sóng của electron trong nguyên tử hydro phụ thuộc vào các số nguyên (số lượng tử) n, l , l m và có dạng ),,( ϕθψ rmn ll Với n là số lượng tử chính, nhận các giá trị: n = 1,2,3,... l là số lượng tử quỹ ñạo, l = 0, 1, 2,..., (n-1) l m là số lượng tử từ , l m = 0, ±1, ±2, ±3,..., ± l Vậy ứng với một giá trị n có thể có một số hàm sóng khác nhau về l , l m . ðiều này có nghĩa là nguyên tử hydro có thể ở các trạng thái khác nhau k có cùng một giá trị năng lượng. Các trạng thái có cùng năng lượng ñược gọi là trạng thái suy biến. Do một giá trị n có n giá trị l , một giá trị l lại có 2 l + 1 giá trị l m nên mỗi mức năng lượng Wn của nguyên tử hydro có bậc suy biến là 2 1n 0 n)12( =+∑ − =l l Người ta ký hiêu các trạng thái của electron có l khác nhau như sau: Trạng thái với l = 0 là trạng thái s Trạng thái với l = 1 là trạng thái p Trạng thái với l = 2 là trạng thái d,... và số lượng tử chính ñặt trước chữ; Như vậy sẽ có các trạng thái là 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d,... Cơ học lượng tử cũng chứng tỏ ñược rằng khi electron chuyển ñộng theo quỹ ñạo quanh hạt nhân sẽ có mô men ñộng lượng quỹ ñạo L và số lượng tử quỹ ñạo l cho phép xác ñịnh ñộ lớn mô men ñộng lượng quỹ ñạo L của electron trong nguyên tử theo hệ thức: hll r ⋅+== )1(LL (9.12) Còn số lượng tử từ l m cho phép xác ñịnh ñộ lớn của hình chiếu mô men ñộng lượng quỹ ñạo theo một hướng z cho trước, theo hệ thức: Lz = l m .h ( 9.13) Vui hoc 24h .vn 122 Các hệ thức (9.12), (9.13) chứng tỏ với electron thì mô men ñộng lượng quỹ ñạo và hình chiếu của nó cũng là những ñại lượng bị lượng tử hoá. Khi nguyên tử hấp thụ hay phát xạ năng lượng thì electron sẽ chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Tuy nhiên sự chuyển mức ñó không phải là bất kỳ. Trong cơ lượng tử người ta rút ra ñược rằng sự chuyển mức của electron chỉ xảy ra khi thoả mãn các quy tắc lựa chọn sau: ∆ l = ± 1, ∆ l m = 0, ± 1 (9.14) Các kết quả nghiên cứu của cơ học lượng tử còn xác nhận rằng electron ngoài chuyển ñộng trên quỹ ñạo quanh hạt nhân còn chuyển ñộng tự quay quanh trục của nó, do vậy có mô men ñộng lượng riêng (gọi là mô men spin S ) ứng với chuyển ñộng quay ñó và ñộ lớn ñược xác ñịnh theo hệ thức: )1( += ssS . h với giá trị s = 2 1 (9.15) Hình chiếu của S lên một hướng z ñược xác ñịnh theo hệ thức: SZ = mS.h (9.16) với ms = ± 2 1 gọi là số lượng tử hình chiếu spin. 9.5.2. Sự sắp xếp electron trong nguyên tử Trạng thái của electron trong nguyên tử Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: Trạng thái của electron trong nguyên tử ñược mô tả bởi 4 số lượng tử: - Số lượng tử chính n xác ñịnh năng lượng của electron trong nguyên tử. Các electron có cùng số lượng tử chính tạo nên một lớp electron hay một lớp vỏ nguyên tử. - Số lượng tử quỹ ñạọ xác ñịnh mô men ñộng lượng quỹ ñạo của electron. Số lượng tử quỹ ñạo cũng xác ñịnh ñộ hiệu chỉnh về năng lượng do ảnh hưởng của các electron khác trong nguyên tử. Các electron cùng l tạo thành một lớp con. - Số lượng tử từ l m xác ñịnh hình chiếu của mô men ñộng lượng quỹ ñạo và mô men từ của electron lên một hướng tuỳ ý hay lên hướng của từ trường. -Số lượng tử hình chiếu spin mS dùng ñể xác ñịnh hình chiếu của spin S lên một hướng z nào ñó b) Sự sắp xếp electron trong nguyên tử Vui hoc 24h .vn 123 Theo lý thuyết, khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, các electron phải ñược phân bố ở các mức năng lượng thấp nhất; Nhưng thực nghiệm chứng tỏ không phải như vậy. Sự sắp xếp electron trong nguyên tử tuân theo nguyên lý Pauli như sau: Trên một mức năng lượng không thể có quá 2 electron có spin ngược nhau. Như vậy trong nguyên tử sẽ không có quá 2n2 electron cùng ứng với một giá trị n cho trước. Chẳng hạn: Với n = 1 chỉ có thể có tối ña 2 electron n = 2 chỉ có thể có tối ña 8 electron n = 3 chỉ có thể có tối ña 18 electron Tập hợp các electron có n như nhau còn gọi là một lớp ñầy, các lớp ñầy ñược ký hiệu bằng các chữ : K, L, M, N, O, P, ...ứng với n =1, 2, 3, 4, 5, 6, ... §9.6. VẬT LÝ HẠT NHÂN 9.6.1. Thành phần cấu tạo hạt nhân Hạt nhân ñược cấu tạo bởi hai loại hạt là prôton và nơtron, gọi chung là nuclon. Prôton (p) có khối lượng tĩnh mP = 1,67239. 10-27 kg và ñiện tích e = 1,6.10-19 C. Nơtron (n) có khối lượng tĩnh mn = 1,67470.10-27 kg và không mang ñiện. Số Prôton trong hạt nhân là Z (gọi là nguyên tử số ), chính bằng số thứ tự trong bảng tuần hoàn Mendeleiev. Số nơtron N =A – Z, với A là số khối. Một hạt nhân nguyên tử của nguyên tố X có Z prôton và N = A – Z nơtron thường ñược ký hiệu là XAZ . Ví dụ: H11 , O168 ,... Các hạt nhân có cùng Z và khác nhau A gọi là các ñồng vị. Ví dụ: O168 , O 17 8 hay C 12 6 , C 13 6 , C 14 6 ... Các hạt nhân có cùng A nhưng khác nhau Z gọi là ñồng khối. Ví dụ: Li73 và Be 7 4 ,... Các hạt nhân có cùng N và khác nhau A gọi là ñồng nơtron. Ví dụ: Li63 và Be 7 4 ,... Bằng thực nghiệm người ta xác ñịnh ñược bán kính hạt nhân có số khối A là: R = r0.A1/3 với r0 có giá trị từ 1,2.10-15 ñến 1,5.10 –15 m Do vậy có thể tính khói lượng riêng của hạt nhân: ρ= Khối lượng hạt nhân / thể tích hạt nhân ≈ 3/R4 m.A 3 P pi ≈ 10 17 kg/m3 Vui hoc 24h v 124 9.6.2. Lực hạt nhân Hạt nhân có cấu trúc rất bền vững, do vậy lực hút giữa các nuclon phải rất mạnh. Bản chất lực hạt nhân rất phức tạp nên ñến nay vẫn chưa ñưa ra ñược biểu thức cụ thể; Tuy nhiên có thể biết ñược một số ñặc ñiểm của lực hạt nhân là: - Lực hạt nhân không phụ thuộc vào ñiện tích của các nuclon: F(n,p) = F(n,n) = F(p,p) - Lực hạt nhân có phạm vi tác dụng gần, cỡ 1,5.10 -15 m, gọi là phạm vi bán kính tác dụng. - Lực hạt nhân có tính chất bão hoà, tức là một nuclon không tương tác với tất cả các nuclon khác mà chỉ tương tác với một số nuclon trong phạm vi bán kính tác dụng. - Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin của nuclon. Thực nghiệm cho thấy lực tương tác giữa hai nuclon có spin song song, cùng chiều lớn hơn khi hai spin ngược chiều. - Lực tương tác hạt nhân là lực tương tác trao ñổi hạt pi (pimeson) tương tự như liên kết trao ñổi electron giữa các nguyên tử. Theo Yukawa (1935) có ba loại hạt pi là +pi , −pi , 0pi và tương tác giữa prôton với nơtron có thể là: n + p = (p + pi -) + p = p + ( pi - + p) = p + n n + p = n + (n + pi+) = (n + pi+) + n = p + n p + p = (p + pi0 ) + p = p + (p + pi0 ) = p + p n + n = (n + pi0 ) + n = n + (n + pi0 ) = n + n 9.6.3. ðộ hụt khối và năng lượng liên kết hạt nhân - ðể ño khối lượng các nuclon, trong vật lý hạt nhân người ta thường dùng ñơn vị khối lượng nguyên tử (u), có trị số bằng 12 1 khối lượng nguyên tử các bon, tức là 1u = 1,660531.10 –27 kg. - Thực nghiệm cho thấy nếu các nuclon ở trạng thái tự do có tổng khối lượng là Mo thì khi liên kết thành hạt nhân sẽ có khối lượng M nhỏ hơn Mo. Hiệu số Mo – M = ∆M ñược gọi là ñộ hụt khối. Theo phương trình Einstein, năng lượng tương ứng với ∆M là: ∆W = ∆M . c2 ñược gọi là năng lượng liên kết hạt nhân; Bởi vì muốn phá hạt nhân thành các nuclon tự do ta phải tốn năng lượng ñúng bằng như vậy ñể thắng sự liên kết của các nuclon. Vui hoc 24h .vn 125 Ví dụ: ðể tạo thành một hạt nhân He42 từ 2p và 2n tự do thì ñộ hụt khối ∆M = Mo – M = 0,031u và năng lượng liên kết là ∆W = ∆M .c2 = 0,46.10 -11 J. 9.6.4. Sự biến ñổi hạt nhân Sự biến ñổi hạt nhân ñược phân chia thành sự phóng xạ và phản ứng hạt nhân. a) Sự phóng xạ * Hiện tượng: - Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân tự ñộng phát ra các bức xạ (gọi là tia phóng xạ) và biến ñổi thành hạt nhân khác. - Có 4 loại phóng xạ: + Phóng xạ anpha (α): Hạt nhân tự phát ra hạt α (hạt nhân He42 ), sơ ñồ quá trình phóng xạ α như sau: XAZ → He 4 2 + /4A 2Z X − − Thực nghiệm cho thấy quá trình này chỉ xảy ra với các hạt nhân có Z > 82 Ví dụ: Hạt nhân Rañi phóng xạ α tạo thành Rañon: RnHeRa 22286 4 2 226 88 +→ + Phóng xạ β gồm −β (phát ra electron e- ) và +β (phát ra pôsitron e+ ). Sơ ñồ: e/A1Z 0 1 A Z XeX ν++→ + − − và e /A 1Z 0 1 A Z XeX ν++→ − + + Với eν và eν là hạt nơtrinô và phản nơtrinô . Ví dụ: e 1 1 0 1 1 0 pen ν++→− và e 1 0 0 1 1 1 nep ν++→ Thực tế cũng có các phóng xạ β mà không phát hay eν và eν Ví dụ: ZneCu 6430 0 1 64 29 +→− hay NieCu 64 28 0 1 64 29 +→ + Phóng xạ gamma ( γ) : Phát ra sóng ñiện từ có bước sóng rất ngắn. Ví dụ: BaCs 1375613755 → −β (không bền)  → =γ MeV662,0 Ba13756 (bền) + Phóng xạ prôton: Phát ra prôton; Lần ñầu tiên phát hiện ra phóng xạ này là năm 1970, thấy Co5328 phát ra e + và prôton có năng lượng 1,57 MeV, với chu kỳ 0,24s. * Quy luật và những ñại lượng ñặc trưng về phóng xạ : Vui hoc 24h .vn 126 - Quy luật phân rã: Nếu ở thời ñiểm ban ñầu (t = 0), một mẫu chất phóng xạ có No nguyên tử thì theo thời gian, số nguyên tử phóng xạ của chất ñó giảm dần theo quy luật hàm luỹ thừa và ở thời ñiểm t , số nguyên tử phóng xạ là: N = No. e -λ t (9.17) Với λ là hằng số phóng xạ, phụ thuộc vào chất phóng xạ. - Chu kỳ bán rã của một chất phóng xạ (T): Là khoảng thời gian mà sau ñó số nguyên tử phóng xạ của chất giảm ñi còn một nửa so với ñầu chu kỳ. Như vậy, sau thời gian t = T thì N = 2 No = No. e -λ t Do ñó : T = λ ≈ λ 693,02lg (9.18) - Thời gian sống trung bình của nguyên tử (τ): Là khoảng thời gian sau ñó số nguyên tử chất phóng xạ giảm ñi e lần so với ban ñầu: Tức là: t = τ thì N = No. 1e.Noe −λτ− = nên τ = λ 1 * Hoạt ñộ của nguồn phóng xạ -Khái niệm: Hoạt ñộ của nguồn phóng xạ (H) là ñại lượng ñăc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của nguồn, ñược ño bằng số phân rã trong một ñơn vị thời gian - Hoạt ñộ của nguồn phóng xạ có quy luật giảm theo thời gian tương tự quy luật phân rã: H = Ho.e -λ t (9.19) Với Ho =λ.No gọi là hoạt ñộ phóng xạ ban ñầu ðơn vị ño H thường dùng là Beccơren (Bq): 1Bq = 1phân rã/giây Hoặc dùng Cuiri (Ci): 1Ci = 3,7.1010 Bq . b)Phản ứng hạt nhân * Khái niệm: -Phản ứng hạt nhân là là sự tương tác của hai hạt nhân ñể tạo thành các hạt nhân khác. Mọi phản ứng hạt nhân ñều tuân theo các ñịnh luật bảo toàn sau: + Bảo toàn ñiện tích (Z): Tổng ñại số ñiện tích các hạt nhân tham gia phản ứng bằng tổng ñại số ñiện tích các hạt nhân sinh ra sau phản ứng. Vui oc2 4h.v n 127 + Bảo toàn số khối (A): Tổng số khối của của một hệ hạt nhân trước và sau phản ứng là không ñổi. + Bảo toàn ñộng lượng (P r ): Trong phản ứng hạt nhân, tổng ñộng lượng của hệ trước và sau phản ứng là như nhau (P r = const). + Bảo toàn năng lượng: Năng lượng toàn phần của hệ (gồm năng lượng tĩnh và ñộng năng) trong phản ứng hạt nhân ñược bảo toàn. Ví dụ: Ta xét một phản ứng của hai hạt nhân x và X tạo thành hai hạt nhân mới là y và Y theo sơ ñồ: x + X → y + Y thì theo ñinh luật bảo toàn năng lượng, ta có: Wñx + mX.c2 +WñX + MX.c2 = Wñy + my.c2 +WñY + MY.c2 Nếu gọi Q là hiệu ñộng năng của các hạt trứơc và sau phản ứng, ta có: Q = (Wñy + WñY) - (Wñx + WñX) = [ ]) M (m - ) M (m YyXx ++ .c2 Nếu Q > 0 phản ứng là toả năng lượng Nếu Q < 0 phản ứng là thu năng lượng * Phân loại phản ứng hạt nhân toả năng lượng: Phản ứng hạt nhân toả năng lượng ñược phân thành phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch Phản ứng phân hạch: Là quá trình một hạt nhân nặng hấp thụ nơtron và biến ñổi thành các hạt nhân khác. Phản ứng phân hạch có một số ñặc ñiểm sau: + Sản sinh ra năng lượng lớn + Tạo ra các mảnh phân hạch có khối lượng gần bằng nhau + Phát ra nơtron nhanh, vì vậy có thể tạo ra các phản ứng phân hạch mới, dẫn ñến phản ứng dây truyền rất mạnh mẽ. Ví dụ: Phản ứng phân hạch của Uran: Mev 200 (nhanh) k Y Y U cham)( 10AZAZ2359210 +⋅+′+→+ ′′ nn Với Y và Y / gồm khoảng 30 cặp khác nhau, nhưng xác suất xuất hiện các cặp mảnh có số khối A A ′≈ là nhiều nhất; k có giḠtrị từ 2 ñến 3. - Phản ứng nhiệt hạch: Là quá trình tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn. Ví dụ: Mev03,4HHHH 11 3 1 2 1 2 1 ++→+ Vui hoc 24 .vn 128 hay : Mev18,6 H H He H 11 4 2 3 2 2 1 ++→+ Nếu xét từng phản ứng thì phản ứng nhiệt hạch toả năng lượng ít hơn phân hạch, nhưng xét về mặt khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch toả năng lượng nhiều hơn. Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra trong ñiều kiện môi trường có nhiệt ñộ cao (vài chục triệu ñộ) và khối lượng nhiên liệu ñủ lớn (ñạt khối lượng tới hạn) §9.7. ỨNG DỤNG PHÓNG XẠ TRONG SINH HỌC 9.7.1. ðồng vị phóng xạ và ứng dụng Các hạt nhân ñồng vị có tính phóng xạ (gọi là ñồng vi phóng xạ) gồm hai loại, một loại có sẵn trong tự nhiên và một loại nhân tạo. Cả hai loại ñều có nhiều ứng dụng trong thực tế. Ứng dụng nhiều nhất là phương pháp ñồng vị ñánh dấu, dựa vào nghiên cứu sự di chuyển của ñồng vị phóng xạ thích hợp trong một hệ có thể biết ñược thông tin về các hệ ñó. - Chẳng hạn trong ñịa chất, thuỷ văn, ñồng vị phóng xạ Se46 ñược dùng ñể nghiên cứu sự vận ñộng của sa bồi ở các cửa sông. ðồng vị I131 lại dùng trong nghiên cứu sự thấm nước ở các ñập thuỷ ñiện. Dùng các ñồng vị phóng xạ Cs,Pb 137210 , có thể nghiên cứu quá trình bồi lắng ở các sông, hồ. ðồng vị của U và Th lại ñ-ợc sử dụng trong nghiên cứu chống sói mòn. Với các ñồng vị phóng xạ thích hợp khác người ta có thể nghiên cứu sự chuyển ñộng của của nước trong các ñịa tầng hay sự vận ñộng ñịa chất ở các vùng khác nhau. -Trong khảo cổ học, ñồng vị C14 ñược dùng ñể xác ñịnh tuổi của các mẫu vật. -Trong lĩnh vực nông, lâm, ngư nghiệp, phương pháp ñồng vị phóng xạ cũng ñược ứng dụng nhiều: Các ñồng vị phóng xạ I,Zn,Mn,Ca,P 13165544532 ,...ñược ứng dụng ñể tìm hiểu quá trình tích luỹ vi lượng các kim loại trong cơ thể ñộng vật hoang dã, hay tuyển chọn các loại tảo thích hợp làm thức ăn cho trai lấy ngọc,...ðồng vị phóng xạ P,N 3215 lại ñược ứng dụng trong nghiên cứu vi sinh vật cố ñịnh ñạm và quá trình phân giải lân nhằm tìm ra thời ñiểm thích hợp cho quá trình bón phân ở cây trồng, cũng như chọn ra các giống lúa, cây trồng chịu thâm canh cao,... 9.7.2. Bức xạ ion hoá và ứng dụng a) Tác dụng của bức xạ ion hoá lên hệ sinh vật Bức xạ ion hoá là những bức xạ khi ñi qua vật chất sẽ xảy ra tương tác với nguyên tử và phân tử của chất, kết quả dẫn ñến sự ion hoá hoặc làm kích thích các nguyên tử, phân tử của môi trường vật chất ñó. Vui hoc 24h .vn 129 Người ta chia thành hai loại bức xạ ion hoá: Loại thứ nhất có bản chất sóng ñiện từ bước sóng ngắn như tia Rơn ghen (X), tia γ, ...Loại thứ hai là các tia hạt như α, β, prôton, nơtron,... Khi bức xạ ion hoá tác dụng lên cơ thể sinh vật thì nó có thể tác dụng gián tiếp thông qua các phân tử nước chứa trong hệ hoặc tác dụng trực tiếp lên phân tử hữu cơ của hệ. - Trong cơ thể sinh vật, nước chiếm từ 60 ñến 90% trọng lượng; Chẳng hạn ở các tế bào, nước chiếm từ 65 ñến 75%, trong não là 83%, trong huyết tương là 90%,...Do tác dụng của bức xạ ion hoá, nước sẽ bị phân ly, tách ra các gốc tự do −+ OH,H hay các phân tử H2O2 , H2O2*,...ở trạng thái kích thích. Chính các sản phẩm này tác dụng lên phân tử hữu cơ của hệ sinh vật bị chiếu xạ và gây biến ñổi về cấu trúc cũng như ñặc tính hoá học của nó. - Bức xạ ion hoá có thể tác dụng trực tiếp lên các phân tử hữu cơ như prôtein, làm ñứt mạch dẫn tới giảm trọng lượng phân tử hoặc làm khâu mạch bên trong hay giữa các phân tử với nhau. Bức xạ ion hoá cũng có thể làm thay ñổi cấu hình phân tử, như làm ñứt chuỗi xoắn kép ADN, làm thay ñổi cấu