Chương I: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1. Sơ lược về phản ứng hạt nhân 1. Phân loại phản ứng hạt nhân Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần cỡ 10-13 cm và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng lượng, xung lượng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ. Có nhiều cách phân loại phản ứng hạt nhân, có thể phân loại theo hạt tới, hạt sản phẩm hay theo cơ chế phản ứng.
Nếu xét theo các sản phẩm tạo thành ta có thể phân phản ứng hạt nhân thành các loại sau: Tán xạ đàn hồi X(a,a)X: hạt tới chỉ thay đổi hướng chuyển động (có thể cả hướng spin), sau phản ứng hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng thái cơ bản. Tán xạ không đàn hồi X(a,a’)X*: hạt tới truyền một phần động năng cho hạt nhân bia, sau phản ứng hạt nhân bia ở trạng thái kích thích, độ lớn moment của các hạt thay đổi. Tán xạ giả đàn hồi X(a,ap)Y, hoặc X(a,ad)Y.: khi năng lượng truyền trong phản ứng lớn hơn năng lượng tách các mảnh hạt nhân (như nuclôn, đơtơri.), hạt nhân sẽ phát ra một hạt. Hạt tới bị mất năng lượng ở trạng thái cuối.
Phản ứng biến đổi X(a,b)Y: là phản ứng mà hạt đạn và hạt nhân dư khác nhau số khối A. Trong phản ứng này cần kể đến phản ứng tước hạt (stripping reaction), một nucleon của hạt tới bị hấp thụ bởi hạt nhân bia, phần hạt còn lại tiếp tục chuyển động qua bia; phản ứng đoạt hạt (pickup reaction), hạt tới đoạt một nucleon của hạt nhân bia; ngoài ra còn có các phản ứng trao đổi điện tích (charge exchange) và phản ứng knock-out. Dựa trên cơ chế phản ứng ta có thể phân chia phản ứng hạt nhân thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các loại sau: Phản ứng hạt nhân hợp phần: có hai quá trình liên tiếp xảy ra. Hạt nhân bia bắt hạt đạn, hình thành nên hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích cao, năng lượng kích thích được phân bố lại cho các nuclôn.
Sau đó một hoặc một nhóm nuclôn có thể nhận được đủ năng lượng bay ra khỏi hạt nhân hợp phần. Phản ứng hạt nhân trực tiếp: là phản ứng mà giữa kênh vào và kênh ra không tồn tại trạng thái trung gian. Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng là phản ứng nằm giữa phản ứng trực tiếp và phản ứng hợp phần. Năng lượng của hạt đến được truyền cho một nhóm các nuclôn trong hạt nhân bia.
Các nuclôn này khởi xướng cho một loạt các phản ứng nối tầng, tại một tầng nào đó một hạt sẽ được phát ra (trước khi hạt nhân hợp phần đạt trạng thái cân bằng thống kê). Phản ứng hạt nhân không phải hoàn toàn là tương tác mạnh, nó tùy thuộc vào hạt tới. Phản ứng hạt nhân là tương tác mạnh nếu hạt đến là proton, nơtron, ions. Phản ứng hạt nhân có thể là tương tác điện từ nếu hạt đến là photon, electron.
Nếu hạt đến là nơtrino thì phản ứng hạt nhân thuộc loại tương tác yếu. Đối với bia và hạt tới nhất định, phụ thuộc vào năng lượng của hạt tới mà phản ứng xảy ra theo cơ chế nào đó. Bên cạnh đó, xác suất tồn tại trạng thái kích thích cao cũng phụ thuộc vào năng lượng. Sự tập trung lực kích thích trong một vùng năng lượng nào đó gọi là cộng hưởng khổng lồ.
Sau phản ứng hạt nhân thường có hai hoặc ba hạt tạo thành. Nếu rất nhiều hạt tạo thành ta có phản ứng vỡ vụn (spallation). Khi hạt nhân bia bắt nơtron, hạt nhân hợp phần tách ra thành các hạt có số khối tương đương nhau, ta có phản ứng phân hạch. Xác suất xảy ra phản ứng phân hạch tỉ lệ với Z2/A.
Phản ứng phân hạch cùng với phản ứng nhiệt hạch là những phản ứng tỏa ra năng lượng lớn. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân nhẹ. Thang thời gian của phản ứng hạt nhân cỡ 10-22 s, thời gian phản ứng trực LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tiếp có bậc độ lớn là 10-22 s, còn thời gian phản ứng hạt nhân hợp phần vào cỡ 10-16 – 10-15 s với chùm năng lượng thấp và khoảng 10-21 – 10-20 s với chùm năng lượng cao. Có rất nhiều mẫu hạt nhân đã được đưa ra để giải thích cơ chế của các phản ứng hạt nhân.
Người ta thấy rằng mỗi mẫu chỉ có thể áp dụng cho một hoặc một vài loại phản ứng hạt nhân. Các định luật bảo toàn Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, dù là trực tiếp hay hợp phần cũng đều bị chi phối bởi các định luật bảo toàn: Định luật bảo toàn điện tích và số baryon: trong phản ứng hạt nhân, tổng điện tích của hạt tới tham gia phản ứng bằng với tổng điện tích của các hạt sản phẩm. Và trong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, tổng số barion phải là một hằng số. Định luật bảo toàn số barion cho phép giải thích tính bền vững của proton [7].
Định luật bảo toàn năng lượng: phát biểu là năng lượng toàn phần trước phản ứng và sau phản ứng bằng nhau. Đối với quá trình (1.1) định luật bảo toàn năng lượng được viết: E01 + T1 = E02 + T2 (1.1) trong đó E01, E02 lần lượt là tổng năng lượng nghỉ của các hạt trước và sau phản ứng. Còn T1, T2 lần lượt là tổng động năng của các hạt trước và sau phản ứng [7]. Định luật bảo toàn moment động lượng: trong phản ứng A(a,b)B, gọi , , , là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toàn moment động lượng được viết: pa pA pB pb (1.2) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Định luật bảo toàn moment góc: tổng moment góc của các hạt tham gia phản ứng là bảo toàn cũng như thành phần hình chiếu lên phương được chọn.
Áp dụng cho phản ứng A(a,b)B ta có: ia I A l Aa I B ib lBb (1.3) với , , , là spin tương ứng với các hạt tham gia phản ứng. Các spin này có thể đo bằng thực nghiệm hoặc tính toán (dùng mẫu vỏ). Proton có spin là ½, các hạt nhân chẵn-chẵn có spin bằng không. Spin của hạt nhân là moment góc riêng của hạt nhân ở trạng thái cơ bản.
Các đại lượng , là moment góc quỹ đạo của các cặp hạt tương ứng, đặc trưng cho chuyển động tương đối giữa các hạt. Momen quỹ đạo góc nhận các giá trị nguyên (0,1,2.) và giá trị cụ thể được xác định thông qua bản chất chuyển động của các hạt [7]. Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ và tương tác mạnh, tính chẵn lẻ được bảo toàn. Phản ứng hạt nhân cũng thuộc vào các loại tương tác này, nên định luật bảo toàn chẵn lẻ cũng có giá trị.
Xét phản ứng A(a,b)B, định luật bảo toàn chẵn lẻ được viết: Pa PA (1)lAa PB Pb (1)lBb (1.4) Pa, PA, PB, Pb là tính chẵn lẻ riêng tương ứng với từng hạt tham gia phản ứng. Cũng như các định luật bảo toàn khác, định luật bảo toàn chẵn lẽ dẫn đến quy tắc chọn lọc làm giới hạn các phản ứng có thể xảy ra. Định luật bảo toàn spin đồng vị: Xét phản ứng A(a,b)B thuộc loại tương tác mạnh, nên cũng tuân theo định luật bảo toàn spin đồng vị. Theo định luật này thì spin toàn phần của các hạt trước và sau phản ứng bằng nhau: Ta TA TB Tb (1.5) Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, có nghĩa là các hạt nhân ở các trạng thái năng lượng khác nhau thì có spin đồng vị khác nhau, thay đổi từ Tmin=(N-Z)/2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đến Tmax=A/2.
Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng vị thấp nhất [7]. Các định luật bảo toàn đưa ra giới hạn nhất định đối với phản ứng hạt nhân, và do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra và có được các thông tin quan trọng về các đặc tính của các hạt tham gia phản ứng và các hạt sản phẩm. Nghiên cứu các phản ứng hạt nhân chính là việc đo đạc tiết diện phản ứng vi phân như là hàm của năng lượng, cũng như các thông số khác của hạt bay ra, và xác định phân bố góc và năng lượng của các hạt sản phẩm cũng như các trạng thái lượng tử của chúng. Động học phản ứng hạt nhân.
Xét phản ứng A(a,b)B, theo định luật bảo toàn năng lượng: (ma + mA)c2 +Ta +TA = (mb +mB)c2 + Tb + TB (1.6) trong đó T là động năng của các hạt, m là khối lượng nghỉ. Giá trị Q của phản ứng được định nghĩa là tổng năng lượng nghỉ trước phản ứng trừ đi tổng năng lượng nghỉ sau phản ứng: Q= (minital – mfinal) c2 = Tinital – Tfinal = Tb + TA – TB – Tb (1.7) Giá trị Q có thể là âm, dương hoặc bằng không. Nếu Q>0 ( ) phản ứng được gọi là tỏa nhiệt, khi đó năng lượng liên kết giải phóng dưới dạng động năng của các hạt sản phẩm. Nếu Q<0 ( ) phản ứng được gọi là thu nhiệt, và trong trường hợp này động năng của các hạt ban đầu chuyển thành năng lượng liên kết.
Theo thuyết tương đối, sự thay đổi giữa năng lượng và khối lượng phải thỏa mãn hệ thức ΔE=Δmc2. Các phương trình (1.7) đúng cho bất kỳ hệ quy chiếu nào. Xét trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm, khi đó coi hạt nhân bia đứng yên. Áp dụng định luật bảo toàn động lượng ta có: pa pb cos pB cos (1.8) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 0 pb sin pB sin (1.9) trong phản ứng, Q coi như đã biết, Ta là thông số điều khiển được, khi đó phương trình (1.9) lập thành hệ ba phương trình nhưng có bốn ẩn (θ,ξ,Tb và TB), vì vậy không có lời giải duy nhất.
Rút ξ và TB từ các phương trình trên ta được mối liên hệ giữa Ta và Tb: ma mbTa cos ma mbTa cos 2 (mB mb ) mBQ (mB ma )Ta Tb (1.10) mB mb Từ phương trình 1.10 có thể rút ra được các đặc điểm của phản ứng hạt nhân: - Nếu Q<0, Ta có một giá trị cực tiểu mà dưới giá trị đó phản ứng không xảy ra, giá trị đó gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng: mB mb Tth (Q) (1.11) mB mb ma Điều kiện ngưỡng luôn xảy ra với θ=0.