Luận văn thạc sĩ về phản ứng hạt nhân 10B(p,α) tại ĐH Khoa học Tự nhiên

Luận văn thạc sĩ phân tích bước đầu nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10вр α trên máy gia tốc 5sdh 2 tại trường đại học khoa học tự, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
• 1.1. Tóm lược về phản ứng hạt nhân
• 1.2. Phản ứng hạt nhân gây ra bởi các hạt tích điện nhẹ
• 1.3. Một vài điểm cơ bản về thiên văn học hạt nhân
• 2. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Giới thiệu về máy gia tốc thẳng 5SDH-2
• 2.2. Giới thiệu về buồng phân tích
• 3. THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU
• 3.1. Thí nghiệm xác định suất lượng phản ứng hạt nhân
• 3.2. Xác định suất lượng của phản ứng
• 3.3. Ghi nhận và phân tích phổ của các mẫu sau khi chiếu
• 3.4. Một số hiệu chỉnh để nâng cao độ chính xác
• KẾT LUẬN
• 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) là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân, đặc biệt trong việc hiểu biết về các quá trình xảy ra trong các ngôi sao. Phản ứng này không chỉ giúp giải thích nguồn gốc của các nguyên tố mà còn cung cấp thông tin về năng lượng hạt nhân. Việc nghiên cứu phản ứng này trên máy gia tốc 5SDH-2 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển công nghệ và ứng dụng vật lý hạt nhân tại Việt Nam.

1.1. Đặc điểm của phản ứng hạt nhân 10B p α

Phản ứng hạt nhân 10B(p,α) diễn ra khi proton tương tác với hạt nhân boron-10, dẫn đến sự phát sinh hạt alpha và hạt nhân beryllium-7. Phản ứng này có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và các quá trình hạt nhân trong thiên văn học.

1.2. Vai trò của máy gia tốc trong nghiên cứu hạt nhân

Máy gia tốc 5SDH-2 được sử dụng để tạo ra các chùm hạt proton với năng lượng cao, cho phép thực hiện các thí nghiệm về phản ứng hạt nhân. Việc sử dụng máy gia tốc giúp nâng cao độ chính xác trong việc đo lường và phân tích các sản phẩm của phản ứng.

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, bao gồm việc tạo ra các chùm hạt nhân phóng xạ với cường độ đủ mạnh và độ tinh khiết cao. Ngoài ra, việc đo tiết diện phản ứng ở năng lượng thấp cũng là một vấn đề khó khăn. Những thách thức này đòi hỏi sự đầu tư lớn về công nghệ và thiết bị.

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

Để nghiên cứu phản ứng hạt nhân, cần tạo ra các chùm hạt nhân phóng xạ có cường độ mạnh và độ tinh khiết cao. Điều này đòi hỏi công nghệ tiên tiến và thiết bị hiện đại, điều mà không phải cơ sở nào cũng có thể đáp ứng.

2.2. Vấn đề đo tiết diện phản ứng ở năng lượng thấp

Tiết diện phản ứng của các phản ứng hạt nhân thường rất nhỏ, đặc biệt là ở năng lượng thấp. Việc đo lường chính xác các tiết diện này là một thách thức lớn trong nghiên cứu, đòi hỏi các phương pháp và thiết bị đo lường tinh vi.

III. Phương pháp nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B p α

Để nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α), có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp chính là sử dụng máy gia tốc để tạo ra chùm proton và thực hiện các thí nghiệm đo lường. Phương pháp này cho phép thu thập dữ liệu chính xác về các sản phẩm của phản ứng.

3.1. Phương pháp thí nghiệm trên máy gia tốc 5SDH 2

Máy gia tốc 5SDH-2 được sử dụng để bắn phá mẫu boron-10 bằng chùm proton. Các sản phẩm của phản ứng được ghi nhận và phân tích để xác định suất lượng phản ứng và các thông số hạt nhân khác.

3.2. Phân tích số liệu và xác định suất lượng phản ứng

Sau khi thực hiện thí nghiệm, số liệu thu được sẽ được phân tích để xác định suất lượng phản ứng hạt nhân. Việc phân tích này thường sử dụng các phương pháp lý thuyết và mô phỏng để so sánh với dữ liệu thực nghiệm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B p α

Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các kết quả từ nghiên cứu này có thể được áp dụng trong lĩnh vực thiên văn học, giúp hiểu rõ hơn về các quá trình xảy ra trong các ngôi sao và nguồn gốc của các nguyên tố trong vũ trụ.

4.1. Ứng dụng trong thiên văn học

Kết quả từ nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) có thể giúp giải thích cơ chế tạo thành các nguyên tố trong các ngôi sao. Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu biết về sự hình thành và biến đổi của vũ trụ.

4.2. Tác động đến nghiên cứu vật lý hạt nhân

Nghiên cứu phản ứng này cũng có thể cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu khác trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, từ đó mở rộng hiểu biết về cấu trúc hạt nhân và các phản ứng hạt nhân khác.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu 10B p α

Nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) là một lĩnh vực đầy tiềm năng và thách thức. Những kết quả đạt được từ nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều khám phá mới trong vật lý hạt nhân và thiên văn học.

5.1. Tương lai của nghiên cứu phản ứng hạt nhân

Với sự phát triển của công nghệ máy gia tốc và các phương pháp phân tích hiện đại, nghiên cứu phản ứng hạt nhân 10B(p,α) sẽ tiếp tục được mở rộng và phát triển. Điều này sẽ giúp nâng cao hiểu biết về các quá trình hạt nhân trong vũ trụ.

5.2. Khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Kết quả từ nghiên cứu này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y học đến công nghệ năng lượng, mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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  (1.10) mB  mb Hình 1.