Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) trên máy gia tốc 5SDH-2

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus bước đầu nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10вр α trên máy gia tốc 5sdh 2 tại trường đại học khoa, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Trần Thế Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Hồng Khiêm
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Bước Đầu Nghiên Cứu Phản Ứng Hạt Nhân 10B(p,α) Trên Máy Gia Tốc 5SDH-2 Tại Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
• 1.1. Tóm lược về phản ứng hạt nhân
• 1.1.1. Phân loại phản ứng hạt nhân
• 1.2. Phản ứng hạt nhân hợp phần
• 1.3. Phản ứng hạt nhân trực tiếp
• 1.4. Phản ứng hạt nhân tiền cân bằng
• 1.5. Các định luật bảo toàn
• 1.5.1. Định luật bảo toàn điện tích và số baryon
• 1.5.2. Định luật bảo toàn năng lượng
• 1.5.3. Định luật bảo toàn moment động lượng
• 1.5.4. Định luật bảo toàn moment góc
• 1.5.5. Định luật bảo toàn chẵn lẻ
• 1.5.6. Định luật bảo toàn spin đồng vị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B p α

Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) trên máy gia tốc 5SDH-2 tại ĐH Khoa học Tự nhiên là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Phản ứng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế tạo ra năng lượng trong các ngôi sao mà còn có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục đích xác định các thông số quan trọng của phản ứng hạt nhân, từ đó đóng góp vào kho tàng tri thức về vật lý hạt nhân.

1.1. Định nghĩa và ý nghĩa của phản ứng hạt nhân 10B p α

Phản ứng hạt nhân 10B(p,α) là một trong những phản ứng quan trọng trong vật lý hạt nhân. Phản ứng này xảy ra khi proton bắn vào hạt nhân boron-10, dẫn đến sự phát sinh của hạt alpha và hạt nhân beryllium-7. Nghiên cứu phản ứng này giúp hiểu rõ hơn về các quá trình xảy ra trong các ngôi sao và có thể ứng dụng trong công nghệ hạt nhân.

1.2. Lịch sử nghiên cứu phản ứng hạt nhân tại ĐH Khoa học Tự nhiên

Tại ĐH Khoa học Tự nhiên, nghiên cứu về phản ứng hạt nhân đã được thực hiện từ nhiều năm qua. Các nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn bao gồm các thí nghiệm thực tế trên máy gia tốc 5SDH-2. Những kết quả đạt được đã góp phần quan trọng vào việc phát triển lĩnh vực vật lý hạt nhân tại Việt Nam.

II. Thách thức trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B p α

Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) gặp phải nhiều thách thức, từ việc tạo ra chùm hạt nhân phóng xạ đến việc đo đạc các thông số phản ứng. Các thách thức này đòi hỏi sự đầu tư lớn về công nghệ và thiết bị, cũng như sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước.

2.1. Khó khăn trong việc tạo ra chùm hạt nhân phóng xạ

Việc tạo ra chùm hạt nhân phóng xạ với cường độ đủ mạnh và độ tinh khiết cao là một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu phản ứng hạt nhân. Điều này đòi hỏi công nghệ tiên tiến và thiết bị hiện đại để đảm bảo chất lượng của chùm hạt.

2.2. Đo đạc và phân tích số liệu phản ứng hạt nhân

Sau khi thực hiện thí nghiệm, việc đo đạc và phân tích số liệu phản ứng hạt nhân cũng gặp nhiều khó khăn. Các số liệu thu được cần được xử lý cẩn thận để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

III. Phương pháp nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B p α trên máy gia tốc 5SDH 2

Phương pháp nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) được thực hiện thông qua việc sử dụng máy gia tốc 5SDH-2. Máy gia tốc này cho phép tạo ra các chùm proton với năng lượng cao, từ đó thực hiện các thí nghiệm cần thiết để xác định các thông số của phản ứng.

3.1. Cấu trúc và hoạt động của máy gia tốc 5SDH 2

Máy gia tốc 5SDH-2 là một thiết bị hiện đại, có khả năng gia tốc các hạt tích điện đến năng lượng cao. Cấu trúc của máy bao gồm nhiều thành phần quan trọng, giúp tối ưu hóa quá trình gia tốc và đảm bảo độ chính xác trong các thí nghiệm.

3.2. Quy trình thực hiện thí nghiệm phản ứng hạt nhân

Quy trình thực hiện thí nghiệm phản ứng hạt nhân 10B(p,α) bao gồm nhiều bước, từ việc chuẩn bị mẫu đến việc ghi nhận và phân tích số liệu. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

IV. Kết quả nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B p α tại ĐH Khoa học Tự nhiên

Kết quả nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) đã cho thấy nhiều thông tin quan trọng về các thông số của phản ứng. Những kết quả này không chỉ có giá trị trong lĩnh vực vật lý hạt nhân mà còn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

4.1. Phân tích phổ ghi nhận từ thí nghiệm

Phân tích phổ ghi nhận từ thí nghiệm cho thấy các đặc trưng quan trọng của phản ứng hạt nhân 10B(p,α). Các số liệu thu được đã được so sánh với các kết quả lý thuyết, từ đó xác định được độ chính xác của các thông số phản ứng.

4.2. Ứng dụng của kết quả nghiên cứu trong thực tiễn

Kết quả nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu thiên văn học đến phát triển công nghệ hạt nhân. Những thông tin này sẽ giúp cải thiện hiểu biết về các quá trình xảy ra trong các ngôi sao và các ứng dụng công nghệ liên quan.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B p α

Kết luận từ nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) cho thấy tầm quan trọng của việc tiếp tục đầu tư và phát triển lĩnh vực vật lý hạt nhân tại Việt Nam. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện công nghệ và thiết bị, từ đó nâng cao chất lượng và độ chính xác của các thí nghiệm.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu vật lý hạt nhân

Nghiên cứu vật lý hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu biết về các quá trình tự nhiên trong vũ trụ. Việc nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) sẽ góp phần làm sáng tỏ nhiều vấn đề trong lĩnh vực này.

5.2. Triển vọng phát triển nghiên cứu tại ĐH Khoa học Tự nhiên

Triển vọng phát triển nghiên cứu phản ứng hạt nhân tại ĐH Khoa học Tự nhiên rất khả quan. Với sự đầu tư đúng mức và sự hợp tác quốc tế, lĩnh vực này có thể phát triển mạnh mẽ trong tương lai, đóng góp vào sự phát triển của khoa học và công nghệ tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1. Tóm 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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.

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 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 Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 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, ions. Còn khi 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 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.

Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Có rất nhiều mẫu hạt nhân đã được đưa ra để giải thích cơ chế của các phản ứng hạt nhân. 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 tri 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 [4]. 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.

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) 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) Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 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 [4]. 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 đến Tmax=A/2. Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích yếu nhận giá trị spin đồng vị thấp nhất. 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 Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 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, ta có: (ma  mA )c2  Ta  TA  (mb  mB )c 2  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  (minitial  m final )c 2  Tinitial  Tfinal  Tb  TB  Ta  TA (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) 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,T b và Vật lý hạt nhân, nguyên tử và năng lượng cao 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 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.