Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYET 1.1 Lý thuyết về phóng xạ [1] Các phương pháp ghi nhận hạt nhân và tia vũ trụ được sử dụng ngày nay rat đa dang nhưng không phải là van năng. Đối với mỗi bài toán cần phải chọn một phương pháp thích hợp nhất. Muốn vậy nhà thực nghiệm phải có sự hiéu biết về tính chất vật lý của các đối tượng cần ghi nhận, về nguồn gốc của bức xạ hạt nhân và các tính chất chung của chúng. Phan này sẽ trình bày các van đẻ nói trên.1 Các hạt alpha (ơ) Các hat a là hạt hạt nhân của nguyên tử Heli (*He) do các chất phóng xạ phát ra.
Trong các hạt nhân nặng phóng xạ tự nhiên, có nhiều hạt nhân, như U, Th, Ra, v. có tính chất phóng xạ ơ. Các hạt œ cũng được phát ra từ một số chất phóng xạ nhân tạo. Những chất này năm ở giữa hoặc cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố (Gd.
Tb, Pu, Am, v. Năng lượng của các hạt œ được phat ra bởi các hat nhân phóng xạ khác nhau năm trong vùng tir 3 đến 9 MeV. Các đồng vị phóng xạ khác nhau có thé phát ra một hoặc một số nhóm hạt œ đơn năng. Năng lượng của một nhóm hạt œ đã cho thì phụ thuộc vào trạng thái năng lượng của hạt nhân phát bức xạ và hạt nhân là sản phâm phân rã.
Theo đó, các hạt « đôi khi còn được gọi là các hạt có quãng chạy ngắn hoặc quãng chạy dài so với các hạt được tạo thành khi chuyên từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con. Chang hạn, hạt a xuất hiện trong kết quả phân rã a. từ trạng thái kích thích của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con sẽ có năng lượng lớn hơn. Các hạt œ như vậy được gọi là hạt a quãng chạy dài.
Các hạt œ quãng chạy ngắn được gọi là những hạt xuất hiện trong chuyển đời từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái kích thích của hạt nhân con. positron, neutrino Các electron phát ra trong phân rã cua các hat nhân phóng xạ được gọi là các hat f°. Khác với phô năng lượng gián đoạn của các hat a, phô nang lượng của các hạt ƒ' là phỏ liên tục. Năng lượng của chúng thay đôi từ 0 đến một giá trị giới han Eg nào đó đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ.
Thí dụ, năng lượng cực đại phô ƒ* của 3?P bằng 1,7 MeV, của “C bằng 0,155 MeV. Năng lượng giới hạn nhỏ nhất được biết ngày nay là năng lượng của các hạt j3 do triti phát ra (2H, Ezi=l8 keV). Các positron do các chất phóng xạ phát ra được gọi là các hat beta cộng P* ; phô * cũng liên tục, thay đôi từ 0 đến một giá trị cực đại nao đó. đặc trưng cho mỗi đồng vị.
Thông thường các hạt Bt được các đồng vị có không đủ neutron so với đông vị bên của nguyên tố này phát ra. Người ta biết nhiều đồng vị có khả nang phát ra cả positron lẫn electron Một trong những đông vị đó là “Cu. Trong phân rã của đồng vị nay, các electron va positron được phat ra với cường độ gan như nhau. Electron va positron có khối lượng như nhau và có cùng điện tích đơn vị (của electron là điện tích âm.
của positron la điện tích đương). Khối lượng tĩnh của các hạt nảy, biêu diễn ra đơn vị năng lượng (m,c?), có giá trị bang 51 IkeV. Dạng liên tục của phô j' và B* được giải thích là, trong phân rã beta của hạt nhân phóng xạ không phải chỉ có một mà là hai hạt được phát ra. Hạt thứ hai đó là neutrino trong phân rã B*và phan neutrino trong phân rã j'.
Năng lượng phân rã, như vậy, được phân bồ giữa ba hạt: hạt B, neutron (hoặc phản neutron va hạt nhân con 1a hạt thu một năng lượng giật lùi rất nhỏ nào đó. Neutrino là hạt không có điện tích. Giới hạn trên đo được bang thực nghiệm đôi với giá trị khối lượng của nó bằng zaanmi. trong đó me là khối lượng electron Neutrino do Pauli đưa ra dé giải thích phổ năng lượng liên tục của các hat beta, đã được Fermi sử dụng dé xây dựng lý thuyết phân ra beta.
Theo lý thuyết này, khối lượng neutrino phải bằng không. Có thé thu được các electron nhanh bằng các máy gia tốc: betatrôn cho electron nang lượng hàng chục MeV; xincrôưôn cho các electron năng lượng hang trăm - hàng nghìn MeV và các máy gia tốc thăng. Các cặp electron và positron được tạo thành trong tương tác của các tia gamma năng lượng cao (hơn 1,022MeV) với vật chất. Electron và positron luôn luôn có mặt trong thành phần mềm của tia vũ trụ.3 Tia gamma và tia Roentgen Mỗi động tác phân ra phóng xa phat ra hạt tích điện đều dan tới sự hình thành một hạt nhân mới là sản phẩm phân rã.
Thường hạt nhân mới này được hình thành ở trạng thái kích thích.Thời gian ton tại của hạt nhân ở trạng thái kích thích có thê rat khác nhau. Nó có thê có giá trị đo bằng đơn vị ngày, giờ, phút và những phan rất nhỏ của giây. Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phâm phân rã bị kích thích chuyển về trạng thái cơ bản hầu như một cách tức thời ngay sau động tác phân rã (sau 1013-10) kèm theo sự giải phóng năng lượng dư. Chuyên dời từ trạng thái kích thích thường xảy ra theo kiểu nhảy bậc qua các trang thái kích thích trung gian với năng lượng nhỏ hơn.
Hình dưới mô tả sơ 46 các mức (tức là các trạng thái) của hat nhân “Ni bị kích thích và được tạo thành trong kết quả phân rã của hạt nhân Co, 2,506 2158 1332 00 Hình 1: Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân Ni Chuyên dời vẻ trạng thái năng lượng thấp hơn có thê xảy ra hoặc bằng cách phát bức xạ điện từ (các tia ý) hoặc băng cách phát ra các electron biến hoán trong. Năng lượng các electron biến hoán trong sẽ bằng hiệu năng lượng kích thích của hạt nhân và nang lượng liên kết electron trên vỏ điện tử tương ứng của nguyên tử. Như vậy sẽ xuất hiện các electron biến hoán trong K. tương ứng với mỗi chuyên đời hạt nhân.
Nếu các hạt nhân phóng xạ phân rã và phát ra các hạt bêta thi phô electron thực nghiệm sẽ bao gồm cả phan liên tục ứng với các hạt j3 lẫn phần gián đoạn, ứng với những vạch hoàn toàn xác định của các electron biến hoán trong. Năng lượng kích thích của các hạt nhân thu duoc trong phan rã phóng xa của các đồng vị khác nhau, có thê có gia trị từ một vai keV đến một vai MeV. Khi nang lượng kích thích cao thi chuyển đời của hat nhân vẻ trang thái co ban thường xảy ra qua một số tương đối lớn những trạng thái kích thích trung gian. Điều này dẫn tới xuất hiện trong phô một số lớn các lượng tử y năng lượng khác nhau cũng như một số tương ứng các vạch electron biến hoán trong.
Xác suất biến hoán phụ thuộc vào nhiều nhân tô: Nó giảm theo sự tăng lên của nâng lượng chuyền dời, tăng theo số Z của nguyên tố và phụ thuộc vào độ đa cực của chuyền dời. Biến hoán điện tử dan tới kết qua là, ở một trong các vỏ của nguyên tử, trong một thời gian ngắn (cỡ 10-10''5s), sẽ không có electron. Ví dụ, biến hoán trên vỏ K tạo thành một vị trí trống ở vỏ này và sau thời gian ngắn nói trên, nó sẽ được lấp day bởi các electron từ những vỏ khác. Quá trình này toa ra một năng lượng bằng hiệu năng lượng liên kết electron ở vỏ có vị trí trồng vừa xuất hiện và ở vỏ mà từ đó electron chuyên về vị trí trông nói trên.
Nang lượng này được toa ra dưới dang các tia Roentgen đặc trưng hoặc được truyền cho một hay một số electron trên các vỏ cao hơn. Electron nay thu được một động nang và đời bo nguyên tử. Hién tượng phát ra các electron thay cho các lượng tử Roentgen được gọi là hiệu ứng Auger, còn bản than các electron nay thì được gọi là các electron Auger. Năng lượng cực đại của các tia Roentgen đặc trưng có giá trị khác nhau đối với các nguyên tố hoá học khác nhau và thay đôi từ vài eV đối với các nguyên tô nhẹ đến hàng trăm keV đối với các nguyên tô nặng.
Có thể thu được bức xạ điện từ năng lượng cao không chỉ trong phân rã phóng xạ hoặc trong các phản ứng hạt nhân mà còn trong các máy gia tốc điện tử (bêtatrôn, xincrôtrôn).Trong trường hợp này, các electron nhanh bị một bia hãm lại sẽ làm xuất hiện các lượng tử của bức xạ điện từ. Ngay nay năng lượng của các lượng tử thu được bang cách nói trên có thô đạt giá trị hàng tỷ electron vôn. Bức xạ điện từ năng lượng rất lớn cũng có mặt trong thành phân của các tia vũ trụ.4 Proton và neutron (nuclon) Proton (p) va neutron (n) là những thành phan cau trúc cơ bản của hạt nhân nguyên tử. Do đó chúng được gọi bằng một tên chung là nuclon.
Proton là hạt nhân của nguyên tử hydro. Có thé thu được các proton trạng thái tự đo bằng cách ion hoá các nguyên tử hydro. Có thể thu được các proton nhanh với năng lượng hàng triệu eV trong các xyclotron, và năng lượng hàng tỷ hoặc hàng chục tỷ eV trong các máy gia tốc xincrôfazotrôn. Cũng có thể thu được những chùm proton bằng các máy gia tốc thăng.
Proton tới Trái Đất trong thành phan của bức xạ Vũ trụ so cấp. Chúng chiếm khối lượng chủ yeu (95%) của tắt cả các hạt vũ trụ sơ cấp. Neutron là hạt trung hoà về điện và có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một chút. Neutron được Chadwich khám phá vào nảm 1932 khi dùng hạt œ bắn vào bia berili.
Cac neutron được tạo thành trong phản ứng *Be + œ—> *C + n. Ngày nay phan ứng này thường được sử dụng dé thu neutron (Các nguồn: Ra+Be: Po+Be). Cũng có thé thu được các chùm hạt neutron tự do bằng những phan ứng hạt nhân khác. Ví dụ, trong máy phát neutron thì neutron được tạo thành trong các phản ứng: D(d,n) "He hoặc T(d,n)*He.
Năng lượng neutron thu được trong phản ứng T(d,n)*He bằng 14MeV. Những nguồn neutron khác ngày nay là các lò phản ứng hạt nhân, trong đó neutron được tạo thành từ quá trình phan chia hạt nhân uranium hoặc plutonium. Neutron có mặt với một lượng không lớn trong thành phan của các hat vũ tru thứ cấp, được tạo thành trong quá trình tương tác của bức xạ vũ trụ sơ cấp với khí quyên. Như đã nhắc tới ở phan trên, khối lượng neutron lớn hơn khôi lượng proton chút.