Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng hạt nhân 116Cd(γ,n)115m,gCd

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng hạt nhân 116Cdy N115m G CD sau vùng năng lượng cộng hưởng khổng lồ.

• Tác giả: Lại Văn Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Khuê
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Nghiên Cứu Tỷ Số Suất Lượng Đồng Phân Của Phản Ứng Hạt Nhân 116Cd(γ,n)115m,gCd Sau Vùng Năng Lượng Cộng Hưởng Khổng Lồ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN VÀ HẠT NHÂN ĐỒNG PHÂN
• 1.1. Một số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân
• 1.2. Phân loại phản ứng quang hạt nhân
• 1.3. Hiện tượng cộng hưởng khổng lồ
• 1.4. Cơ chế giả đơtron
• 1.5. Hạt nhân đồng phân. Tỷ số đồng phân
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguồn photon hãm từ máy gia tốc Linac
• 2.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Linac
• 2.3. Cơ chế tạo photon hãm từ máy gia tốc electron
• 2.4. Máy gia tốc Linac 100 MeV Pohang, Hàn Quốc
• 3. CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH TỶ SỐ SUẤT LƯỢNG ĐỒNG PHÂN
• 3.1. Thí nghiệm xác định tỷ số suất lượng đồng phân
• 3.2. Nhận diện đồng vị phóng xạ và phản ứng hạt nhân
• 3.3. Xác định tỷ số suất lượng đồng phân bằng thực nghiệm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân 116Cd γ n 115m gCd

Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân trong phản ứng hạt nhân 116Cd(γ,n)115m,gCd là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân. Tỷ số này cung cấp thông tin về cơ chế phản ứng hạt nhân, sự phân bố năng lượng và spin của các hạt nhân kích thích. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tỷ số đồng phân có thể ảnh hưởng đến nhiều ứng dụng thực tiễn như phân tích kích hoạt và chế tạo đồng vị.

1.1. Định nghĩa và ý nghĩa của tỷ số suất lượng đồng phân

Tỷ số suất lượng đồng phân được định nghĩa là tỷ số tiết diện của phản ứng hạt nhân tạo thành trạng thái giả bền (metastable state) và trạng thái cơ bản không bền (ground state). Thông số này rất quan trọng trong việc hiểu rõ các cơ chế của phản ứng hạt nhân và sự phụ thuộc của chúng vào năng lượng.

1.2. Lịch sử nghiên cứu phản ứng hạt nhân 116Cd

Nghiên cứu về phản ứng hạt nhân 116Cd(γ,n)115m,gCd đã được thực hiện từ nhiều năm trước, nhưng thông tin hiện có vẫn còn hạn chế. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tỷ số suất lượng đồng phân có thể thay đổi theo năng lượng bức xạ gamma, nhưng chưa có nhiều dữ liệu thực nghiệm ở vùng năng lượng cao hơn.

II. Thách thức trong nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân

Một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân là sự thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm ở vùng năng lượng cao. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào vùng năng lượng thấp, trong khi vùng năng lượng sau cộng hưởng khổng lồ (>30 MeV) vẫn chưa được khai thác đầy đủ. Điều này dẫn đến việc khó khăn trong việc xác định cơ chế của phản ứng quang hạt nhân.

2.1. Thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm về tỷ số suất lượng đồng phân trong phản ứng 116Cd(γ,n)115m,gCd còn rất hạn chế, đặc biệt là ở vùng năng lượng cao. Điều này gây khó khăn cho việc xác định các cơ chế phản ứng và ảnh hưởng của chúng đến các ứng dụng thực tiễn.

2.2. Khó khăn trong việc xác định cơ chế phản ứng

Cơ chế của phản ứng quang hạt nhân ở vùng năng lượng cao vẫn chưa được hiểu rõ. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tỷ số suất lượng đồng phân, nhưng chưa có một mô hình lý thuyết nào có thể giải thích đầy đủ các hiện tượng quan sát được.

III. Phương pháp nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân

Để xác định tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng 116Cd(γ,n)115m,gCd, các phương pháp thực nghiệm hiện đại đã được áp dụng. Các thí nghiệm sử dụng máy gia tốc Linac để tạo ra chùm bức xạ gamma với năng lượng cao, từ đó ghi nhận và phân tích phổ gamma để xác định tỷ số suất lượng đồng phân.

3.1. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Linac

Máy gia tốc Linac hoạt động dựa trên nguyên lý gia tốc các hạt tích điện, tạo ra chùm bức xạ gamma có năng lượng cao. Chùm bức xạ này sau đó được sử dụng để kích thích các hạt nhân trong mẫu, dẫn đến các phản ứng hạt nhân cần nghiên cứu.

3.2. Phân tích phổ gamma để xác định tỷ số suất lượng

Phân tích phổ gamma là một phương pháp quan trọng trong việc xác định tỷ số suất lượng đồng phân. Các đỉnh trong phổ gamma tương ứng với các trạng thái đồng phân khác nhau, từ đó có thể tính toán tỷ số suất lượng giữa các trạng thái này.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng 116Cd(γ,n)115m,gCd đã cung cấp những dữ liệu mới, góp phần làm phong phú thêm thư viện số liệu hạt nhân. Những số liệu này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như phân tích kích hoạt và chế tạo đồng vị.

4.1. Dữ liệu mới từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã thu được các số liệu mới về tỷ số suất lượng đồng phân ở các năng lượng khác nhau, từ đó giúp làm rõ hơn cơ chế của phản ứng quang hạt nhân. Những dữ liệu này sẽ được sử dụng để so sánh với các mô hình lý thuyết hiện có.

4.2. Ứng dụng trong phân tích kích hoạt

Các số liệu về tỷ số suất lượng đồng phân có thể được áp dụng trong phân tích kích hoạt, giúp tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm và nâng cao độ chính xác của các phép đo trong nghiên cứu hạt nhân.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân trong phản ứng 116Cd(γ,n)115m,gCd đã mở ra nhiều hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo. Những kết quả thu được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Triển vọng trong tương lai là tiếp tục khai thác các vùng năng lượng chưa được nghiên cứu để làm rõ hơn cơ chế của phản ứng quang hạt nhân.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc mở rộng dữ liệu ở các vùng năng lượng cao hơn, từ đó giúp làm rõ hơn các cơ chế phản ứng và sự phụ thuộc của tỷ số suất lượng đồng phân vào năng lượng.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết mà còn có tầm quan trọng lớn trong các ứng dụng thực tiễn như chế tạo đồng vị và che chắn phóng xạ. Những kết quả này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả trong các lĩnh vực liên quan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Phản ứng quang hạt nhân và hạt nhân đồng phân: Trình bày tóm tắt mô ̣t số đặc trưng của phản ứng quang hạt nhân, hiện tươ ̣ng đồng phân hạt nhân và tỷ số đồng phân. Chương II: Nguồn photon hãm từ máy gia tốc: Trình bày nguyên lý hoạt động của máy gia tốc electron tuyế n tính , cơ chế tạo bức xa ̣ hãm từ máy gia tốc và giới thiệu về máy gia tốc Linac 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc. Chương III: Phương pháp kích hoạt và đo phổ gamma: Trình bày nguyên lý của phương pháp kích hoạt phóng xạ và ghi nhận phổ gamma, thiế t lâ ̣p mố i liên hê ̣ giữa số đế m diê ̣n tích đỉnh phổ gamma và các tham số thực nghiê ̣m. Một số biện pháp hiệu chỉnh nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo.

Chương IV: Xác định tỷ số suất lượng đồng phân thực nghiệm: Trình bày thí nghiệm và phân tích số liệu xác định tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng quang hạt nhân116Cd(γ,n)115m,gCd, nghiên cứu sự phu ̣ thuô ̣c của tỷ số đồ ng phân vào năng lượng của bức xạ hãm. Bản luận văn gồ m 52 trang, 14 hình vẽ và đồ thị, 8 bảng biểu. Thí nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Gia tốc Pohang, Hàn Quốc. Việc phân tích số liệu và hoàn thành bản luận văn được thực hiện tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý.

Lại Văn Thắng 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học CHƢƠNG 1. PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN VÀ HẠT NHÂN ĐỒNG PHÂN 1. Mô ̣t số đă ̣c trƣng của phản ƣ́ng quang ha ̣t nhân 1. Phân loại phản ứng quang ha ̣t nhân Do các bức xạ gamma là sóng điện từ không mang điện tích nên khi đi vào vật chất không xảy ra nhiều va chạm không đàn hồi như các hạt mang điện.

Các tương tác chủ yếu của bức xạ gamma với vật chất là: hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng Compton, hiệu ứng tạo cặp và các phản ứng quang hạt nhân. Tiết diện tương tác toàn phần    phot   Com   pair + TA, trong đó tiết Z5 diện do hiệu ứng quang điện  phot  , tiết diện do hiệu ứng tán xạ Compton E7 / 2 Z là  Com  , tiết diện do hiệu ứng tạo cặp  pair  Z 2 ln(2E ) , TA là tiết diện E tổng cộng của các phản ứng quang hạt nhân. Hiệu ứng quang điện là cơ chế chủ yếu trong tương tác của bức xạ gamma với vật chất ở vùng năng lượng thấp, tán xạ Compton chiếm vai trò chính ở vùng năng lượng trung bình, còn hiệu ứng tạo cặp và phản ứng quang hạt nhân ưu tiên đố i với vùng năng lượng cao [4]. Phản ứng quang hạt nhân là sự hấp thụ photon dẫn đến hình thành trạng thái hạt nhân hợp phần.

Các hạt nhân này có thể phân rã theo nhiều cách, ví dụ như phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác. Điều kiện để những phản ứng này xảy ra là năng lượng của lượng tử  cần phải lớn hơn năng lượng tách hạt, còn gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân (E  Eth ). Bức xạ gamma có thể t ạo ra từ các nguồ n phóng xa ̣  đồng vị, tuy nhiên các lượng tử  này thường có năng lư ợng thấp. Để có được chùm bức xạ gamma tới có năng lượng và thông lượng lớn, có thể dùng chùm bức xạ hãm trên các máy gia tốc hạt.

Lý thuyết gi ải thích phản ứng quang hạt nhân đươ ̣c d ựa vào mẫu hấp thụ photon. Mẫu phản ứng quang hạt nhân đề câ ̣p đ ến cơ chế phản ứng quang hạt nhân khác nhau bao gồm quá trình kích thích quang hạt nhân ban đầu, và cả phân rã tiếp theo của hạt nhân kích thích bằng cách phát ra các hạt và tia gamma. Cũng như các phản ứng hạt nhân dưới tác dụng của các hạt tích điện và nơtron, phản ứng quang hạt nhân phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm Lại Văn Thắng 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học lượng tử gamma tới. Tùy theo năng lượng gamma tới, phản ứng quang hạt nhân phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác tương ứng với nhiều loại phản ứng khác nhau như: phản ứng đơn giản: (,n), (,p); phản ứng sinh nhiều nơtron: (,xn), phân hạch hạt nhân: (,f); phản ứng photospallation: (,xnyp); phản ứng tạo meson (,xn), hiện tượng phân mảnh (,fr)… Các quá trình chính của ph ản ứng quang hạt nhân là : cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ (giant dipole resonance, GDR) (E<30 MeV), cơ chế giả đơtron (quasi–deutron, QDM) (30 MeVE140 MeV) và ph át xạ pion (E>140 MeV).1 biểu diễn mối liên hệ giữa tiết diện phản ứng quang hạt nhân và năng lượng của photon [6].

Tiết diện phản ứng E (MeV) 1 10 100 I II III IV Hình 1. Tiết diện phản ứng quang hạt nhân theo năng lượng photon. Trong vùng I năng lượng photon dưới ngưỡng của phản ứng (,n) do đó chỉ có các tán xạ đàn hồi và không đàn hồi của photon, đường cong tiết diện đôi khi các cực đại là do sự dịch chuyển giữa các mức của hạt nhân bia. Trong vùng II các mức năng lượng vẫn còn tách rời nhau điều này thể hiện trong cấu trúc tinh tế của tiết diện.

Vùng III tương ứng với sự chồng chập các mức của hạt nhân hợp phần. Tiết diện phản ứng quang hạt nhân đạt cực đại và có dạng hình gauss được gọi là cộng hưởng khổng lồ. Vùng IV với photon năng lượng hàng trăm MeV đây là vùng xảy ra các hiệu ứng phức tạp như hiệu ứng giả đơtron, phát xạ các photomeson, pion và các hạt cơ bản khác. Lại Văn Thắng 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học 1.

Hiê ̣n tượng cộng hưởng khổ ng lồ Ở vùng năng lượng photon dưới 30 MeV, sự hấp thụ photon dẫn đến hình thành trạng thái hạt nhân hợp phần, các hạt nhân này có thể phân rã theo nhiều cách như phát xạ nơtron, proton hoặc các loại hạt khác: (,xn), (,p), (,pn); (,f). Khi nghiên cứu sự phu ̣ th uô ̣c của tiế t diê ̣n phản ứng (γ,n) và (γ,p) vào năng lươ ̣ng photon thì thấ y các tiế t diê ̣n này tăng châ ̣m từ năng lươ ̣ng ngưỡng của phản ứng và có giá trị khoảng 1 mb khi Eγ ≈ 10 MeV; tuy nhiên khi Eγ ≈ 15 – 25 MeV thì quan sát thấ y có cộng hưởng khá phổ biến ở các hạt nhân nghiên cứu. Đặc trưng tiêu biểu của cộng hưởng này là độ rộng nửa cực đại Γ lớn và năng lươ ̣ng cô ̣ng hưởng, (Eγ)res, phụ thuộc vào số khối A: ( E ) res  A0.1) Hiê ̣n tươ ̣ng này đươ ̣c go ̣i là cô ̣ng hưởng khổ ng lồ , vùng năng lượng photon 10 ÷ 20 MeV đươ ̣c go ̣i là vùng năng lươ ̣ng cô ̣ng hưởng khổ ng lồ (giant dipole resonance – GDR). Cho đế n nay phầ n lớn các thông tin liên quan tới phản ứng quang hạt nhân tập trung ở vùng năng lượng này (E < 30 MeV).

Có thể giải thích cộng hưởng hiê ̣n tươ ̣ng cô ̣ng hưởng khổng lồ trên cơ sở các dao động hạt nhân do trường điện từ của lượng tử . Goldhaber và Teller giả thiết nơtron và proton của hạt nhân như là hai chất lỏng riêng biệt, hạt nhân nhận năng lượng do hấp thụ các photon tạo ra sự dao động của hai loại chất lỏng này. Hiện tượng cộng hưởng khổng lồ tương ứng với tần số cực đại của dao động. Sau đó Wikinson xem cộng hưởng khổng lồ như là một sự chồng chập (superposition) do sự đóng góp của tất cả các nucleon riêng lẻ.

Mỗi một nucleon nhận một phần năng lượng từ sự hấp thụ photon. Cộng hưởng khổng lồ là tổng tất cả các cộng hưởng nhỏ đó [4]. Hiện tượng này có thể hình dung như sau: Lượng tử gamma với năng lượng E có bước sóng: hc 1, 2x10-10   (1.2) E E trong đó  có đơn vị cm và E (MeV). Điều này có nghĩa là đối với năng lượng E = 10 ÷ 20 MeV thì lượng tử có bước sóng  >> Rnucl.

Xem xét hai cơ chế sau, hai cơ chế có một chút khác nhau: Lại Văn Thắng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học Theo như cơ chế thứ nhất (Goldhaber-Teller model), toàn bộ proton của hạt nhân được thay thế bởi toàn bộ nơtron, do đó gây nên sự phân cực trong hạt nhân (hình 1. Dưới tác dụng của lực đàn hồi hạt nhân bị biến đổi thành các pha đối lập. Tập hợp của các dao động lưỡng cực trong hạt nhân có tần số dao K động được đánh giá qua công thức   , với K là suất đàn hồi và M là khối M lượng của hạt nhân. Trong cơ chế này, vai trò của lực đàn hồi được thực hiện bởi tương tác của các nucleon với hạt nhân bia.

Khi suất đàn hồi tỉ lệ với diện tích bề K R2 1 mặt của hạt nhân, K R và khi đó   2  3   A1/ 6. Goldhaber và M R R Teller đưa ra công thức (E)res = 35 A-1/6 (MeV). Theo như cơ chế thứ hai (Steinwedel-Jensen model), cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ có thể được hình dung như sự thay thế xen kẽ lần lượt của các proton và nơtron, trong khi mật độ các nucleon không thay đổi (hình 1. Trong trường hợp này lực đàn hồi tỉ lệ với khoảng cách, K  R  A1/3.

Do đó tần K 1 số dao động thu được theo công thức     A1/ 3. Migdal đưa ra giá trị M R (E)res = 60 A-1/3 (MeV). So sánh các kết quả với thực nghiệm chỉ ra rằng sự phụ thuộc của năng lượng kích thích vào số khối có thể mô tả một cách chính xác hơn bằng cách kết hợp hai cơ chế này, hay W = 31,2 A-1/3 + 20,6 A-1/6 (MeV). Sự phân cực hạt nhân Theo như công thức xấp xỉ này thì vị trí của cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ vào thang năng lượng kích thích thay đổi từ 25,5 đến 13,5 MeV đối với các hạt Lại Văn Thắng 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc si ̃ khoa học nhân có số khối từ 16 -> 250.

Có thể biểu diễn đơn giản hơn W = 78 A-1/3 (MeV) cho trường hợp đối với hạt nhân nặng. Tiết diện phản ứng (xác suất xảy ra phản ứng trên một hạt nhân trong một giây khi thông lượng của dòng hạt tới bằng 1 hạt/cm2.