CHƯƠNG 1: SỰ RA ĐỜI CỦA VẬT LÝ HẠT NHÂN VLHN là ngành nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử. Loại lực đặc trưng cho các tính chất của hạt nhân có nguồn gốc từ tương tác mạnh. Tuy nhiên, cả tương tác yếu lẫn tương tác điện từ cũng đóng một vai trò quan trọng. Vì những lí do này, VLHN trở thành một ngành vô cùng cần thiết để có thể kiểm chứng các đặc điểm cơ bản của hạ nguyên tử cũng như nghiên cứu các định luật nền tảng của Vật lý.
Các nghiên cứu về tính chất cơ bản của vật chất vốn đã được nhen nhóm bởi những nhà triết học người Hy Lạp từ rất lâu về trước, đặc biệt là Democritus sống ở thế kỉ thứ 4 trước công nguyên. Ông tin rằng vũ trụ này được cấu thành từ hai thực thể: nguyên tử và chân không, trong đó “nguyên tử là các hạt vật chất cực nhỏ, không nhìn thấy được, không thể phân chia nhỏ hơn được nữa”. Trong vòng 2400 năm tiếp theo, quan điểm của Democritus vẫn chỉ là một dự đoán. Cho đến tận đầu thế kỉ Hình 1.
Nhà triết học 19, khi khoa học thực nghiệm ra đời và được áp dụng, người Democritus (thế kỉ 4 TCN) ta tìm ra được các bằng chứng về sự tồn tại của nguyên tử và Nguồn: wikipedia từ đó, ý tưởng về “nguyên tử” trở thành lý thuyết khoa học toàn diện. Một khi các nhà hóa học làm sáng tỏ, hệ thống được các nguyên tử và giải thích các quy luật ảnh hưởng đến sự kết hợp của nguyên tử trong vật chất thì hiển nhiên sẽ xuất hiện nhu cầu nghiên cứu về các đặc tính cơ bản của từng nguyên tử trong nguyên tố, đó chính là Vật lý nguyên tử. Từ đó đặt nền tảng cho các công cuộc nghiên cứu nguyên tử và dần dần mở cánh cửa cho các nhà khoa học đến với VLHN. Khởi đầu của lĩnh vực VLHN (từ những năm cuối thế kỷ 19) Sự khởi đầu của VLHN được đánh dấu bằng việc khám phá ra một dạng bức xạ mới từ muối urani của Henri Becquerel.
Henri Becquerel là một nhà khoa học người Pháp, tháng 2/1896, Becquerel hi vọng sẽ chứng minh được liên hệ giữa các khoáng chất phát sáng khi tiếp xúc với ánh sáng mạnh (huỳnh quang) và một loại bức xạ điện từ mới vừa được phát hiện – tia X. Becquerel lên kế hoạch phơi một vật liệu huỳnh quang với Hình 1. Henri ánh nắng mặt trời, rồi đặt nó và một vật bằng kim loại trên một Becquerel (1852 – 1908) Nguồn: wikipedia tấm phim chưa phơi sáng. Nếu tấm phim ghi lại hình ảnh của vật thể, ông có thể kết luận rằng các vật liệu huỳnh quang thực sự phát ra tia X.
Nhưng thời tiết liên tục có mây, buộc ông phải trì hoãn thí nghiệm của mình trong nhiều ngày. Ông quấn các tinh thể huỳnh quang của mình – một hợp chất uranium có tên là potassium uranyl sulfate – trong một tấm vải màu đen, cùng với tấm phim và một cây thánh giá đồng Maltese, và chờ một ngày nắng hơn. Vài ngày sau, khi lấy dụng cụ ra khỏi ngăn kéo, Becquerel đã vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện hình ảnh cây thánh giá xuất hiện trên phim – mặc dù nó chưa từng bị phơi nắng. Kết luận duy nhất là các tinh thể tự phát ra bức xạ.
Becquerel quyết định lặp lại các điều kiện của thí nghiệm: Ông đặt trực tiếp một tinh thể muối uranium lên một tấm phim, đặt gián tiếp qua một tấm nhôm và kính trên hai tấm phim khác. Sau khi được đặt trong bóng tối vài giờ, tất cả ba tấm bị làm đen bởi bức xạ (tinh thể tiếp xúc trực tiếp với phim cho thấy sự đen tối mạnh nhất). “Bây giờ tôi tin rằng muối uranium tạo ra bức xạ vô hình, ngay cả khi chúng được giữ trong bóng tối” – ông viết trong nhật ký thí nghiệm của mình – Đó chính là hiện tượng phóng xạ tự nhiên. Một tấm ảnh được thực hiện bởi Henri Becquerel cho thấy những ảnh hưởng của việc tiếp xúc với phóng xạ.
Một cây thánh giá bằng kim loại đặt giữa tấm phim và muối unrni phóng xạ đã để lại một cái bóng rõ ràng trên tấm phim (nguồn: https://timeline.ch/becquerel-discovers-radioactivity) Trước cuối thế kỉ 19, phần lớn các hiện tượng Vật lý quan sát được đều được giải thích bằng Vật lý cổ điển. Tuy nhiên, phóng xạ là một những bài toán mà Vật lý cổ điển không thể giải quyết được. Và chính khát khao tìm câu trả lời cho những hiện tượng này, đồng thời thiết lập một hệ thống các định luật Vật lý đã tạo cơ hội cho Vật lý hiện đại được hình thành. Nhờ có phát minh của Becquerel, người ta quan tâm nhiều hơn về các chất phóng xạ.
Năm 1898, Pierre và Marie Curie đã phát hiện hai nguyên tố phóng xạ mới được gọi là poloni và radi (Becquerel cùng với Pierre và Marie Curie đạt giải Nobel Vật lý năm 1903). Cũng trong năm này, trong thời gian làm việc tại phòng thí nghiệm Cavendish của trường Đại học Cambridge, Ernest Rutherford đã thông báo về sự tồn tại của hai tia phóng xạ trong bức xạ urani và chỉ ra một số tính chất của chúng. Ông đặt tên cho tia dễ dàng bị chặn lại hơn (hay khó có khả năng đâm xuyên) là tia alpha (α) gồm các hạt 4He mang điện tích dương, còn tia dễ đâm xuyên hơn là tia beta (β) gồm các hạt electron hoặc positron, theo tên hai kí tự đầu tiên của bảng chữ cái Hi Lạp. Rutherford cũng chứng minh rằng phóng xạ là một hiện tượng phân rã tự phát của hạt nhân.
Năm 1900, Paul Villard (nhà khoa học 14 người Pháp) đã phát hiện thêm 1 dạng bức xạ mới. Năm 1903, Ernest Rutherford đặt tên cho nó là tia gamma (γ). Vợ chồng Marie – Pierre Curie Marie Curie là phụ nữ đầu tiên được nhận giải Nobel danh giá và đồng thời cũng là người duy nhất nhận được hai giải thưởng Nobel ở hai lĩnh vực khác nhau: hóa học và vật lý. Thí nghiệm của Rutherford (1909) Năm 1909, dưới sự chỉ đạo của Ernest Rutherford, tại phòng thí nghiệm vật lý của Đại học Manchester, Hans Geiger (phụ tá của Rutherford) và Ernest Marsden (sinh viên) thực hiện thí nghiệm chiếu dòng hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo số hạt alpha truyền qua và tán xạ.
Kết quả đáng chú ý nhất xảy ra với lá vàng dày 60 nanomet: hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướng, một số hạt bị lệch hướng, và cứ khoảng chừng 8000 hạt thì có một hạt bị tán xạ ngược lại và góc tán xạ lớn hơn 90o. Rutherford đã mô tả lại kết quả này một cách đầy hình tượng: “Đó là sự kiện đáng chú ý nhất trong cuộc đời tôi. Điều này giống như khi bạn bắn một phát súng đại bác vào một mảnh giấy và viên đạn bay ngược trở lại trúng vào bạn”. Kết quả này đã đưa ra một cái nhìn hoàn toàn khác với giả thuyết trước đó về nguyên tử, mô hình “pudding mận” (“plum pudding”) của Joseph John Thomson (đạt giải Nobel Vật lý năm 1906).
Nếu cấu trúc nguyên tử giống như bánh pudding mận, khi mà điện tích 15 âm và điện tích dương trộn lẫn với nhau, giống như quả mận được trộn lẫn trong bánh, nó sẽ trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa các nguyên tử và các hạt alpha, thì các hạt alpha sẽ đi xuyên qua lá vàng. Rutherford suy luận rằng sự phản xạ của hạt alpha đã cho minh chứng nguyên tử có một lõi nhỏ giống như là những lá chắn cứng đối với các hạt alpha. Hạt alpha có tốc độ rất lớn, khoảng 10. Để đẩy bật ngược được nó, thì phải có một lực đẩy tĩnh điện rất mạnh từ các điện tích dương của nguyên tử trong lá vàng.
Điều đó chỉ có thể xảy ra khi mà toàn bộ điện tích dương tập hợp lại trong một thể tích rất nhỏ. Năm 1911, Rutherford đã giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên giả thuyết về “mẫu hành tinh nguyên tử”: nguyên tử có cấu tạo rỗng chứa một hạt nhân nhỏ mang điện tích dương trong lõi với các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, giống như các hành tinh quay xung quanh Mặt trời. Phần lõi này được gọi là hạt nhân nguyên tử. Do những giới hạn mà thời điểm đó, người ta chưa thể hiểu biết nhiều về cấu trúc của thế giới vi mô như ngày nay.
Mô hình nguyên tử của Rutherford là mô hình đầu tiên đề xuất một hạt nhân nhỏ bé nằm tại tâm của nguyên tử, có thể coi là sự khai sinh cho khái niệm hạt nhân nguyên tử. Sau khám phá này, việc nghiên cứu về nguyên tử được tách ra làm hai nhánh, Vật lý hạt nhân nghiên cứu về hạt nhân nguyên tử và Vật lý nguyên tử nghiên cứu về cấu trúc của các electron bay quanh. Ernest Rutherford (1871 – 1937) và thí nghiệm tán xạ hạt alpha Ernest Rutherford là một nhà Vật lý người New Zealand hoạt động trong lĩnh vực phóng xạ và cấu tạo nguyên tử - “cha đẻ” của VLHN. Nhờ làm sáng tỏ hiện tượng tán xạ trong thí nghiệm với lá vàng mà ông được giải Nobel hóa học vào năm 1908.
(nguồn: https://www.cat/moodle) Có thể nói, khám phá của Rutherford vô cùng quan trọng và chính là tiền đề cho sự phát triển của VLHN hiện đại sau này vì vậy, Ernest Rutherford được mệnh danh là “cha đẻ” của VLHN. 17 CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC NUCLEON – NUCLEON Lực hạt nhân (hay là sự tương tác giữa nucleon với nucleon hoặc là phần thặng dư của lực tương tác mạnh) là lực tương tác giữa hai hay nhiều nucleon. Nó là nguyên nhân gây ra sự gắn kết của các proton và các neutron ở trong hạt nhân nguyên tử. Những đặc điểm cơ bản của lực hạt nhân: Lực hạt nhân có cường độ rất lớn.
Tương tác hạt nhân là tương tác mạnh. Ví dụ, năng lượng liên kết do lực hạt nhân gây ra đối với hạt nhân deutron bằng 2,23 MeV, trong khi năng lượng liên kết do lực điện từ gây ra đối với hydrogen bằng 13,6 eV. Lực hạt nhân có tầm tác dụng ngắn cỡ fermi, tức là cỡ 1013 cm. Điều này suy ra từ thí nghiệm của Rutherford vè tán xạ của hạt alpha trên hạt nhân.
Lực hạt nhân có tính bão hòa, mỗi nucleon trong hạt nhân chỉ tương tác với một số nucleon quanh nó mà thôi, điều này thể hiện ở năng lượng liên kết trung bình trên nucleon hầu như giống nhau đối với các hạt nhân khác nhau. Lực hạt nhân có tính độc lập điện tích.