MỞ ĐẦU Trạng thái đồng phân hạt nhân là trạng thái kích thích của hạt nhân có thời gian sống dài hơn so với trạng thái kích thích thông thường của hạt nhân (>109s) được tạo thành do sự kích thích một hoặc nhiều nucleon trong nó. Trạng thái này còn được gọi là trạng thái kích thích giả bền (meta-stable state). Hạt nhân ở trạng thái này có thể khử kích thích trở về trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản (ground state) bằng cách phát bức xạ gamma hay trải qua quá trình phân rã (ví dụ như phân rã β-…) và biến thành hạt nhân khác. Sự tồn tại của các trạng thái này đã được Weizsacker giải thích là do sự khác nhau rất lớn giữa spin của nó so với trạng thái cơ bản cũng như năng lượng dịch chuyển thấp.
Mặc dù trạng thái đồng phân là một trạng thái đơn giản (simple state) nhưng sự tồn tại của nó cũng như các đặc trưng lượng tử liên quan có thể được giải thích bằng rất nhiều mẫu cấu trúc hạt nhân khác nhau như: mẫu vỏ, mẫu biến dạng, mẫu tập thể,… Trạng thái đồng phân có thể hình thành thông qua phản ứng hạt nhân gây bởi các loại hạt khác nhau. Trong thực nghiệm, người ta thường quan tâm đến tỷ số tiết diện hình thành nên trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản ⁄ hay đối với trường hợp chùm hạt gây phản ứng có năng lượng biến đổi liên tục thì đại lượng này là tỷ số giữa suất lượng hình thành nên trạng thái đồng phân và trạng thái cơ bản ⁄ (trong nhiều trường hợp còn được tính bằng ⁄ để cập đến suất lượng hình thành nên trạng thái có spin cao và trạng thái có spin thấp), tỷ số này được gọi là tỷ số đồng phân, ký hiệu là IR. Tỷ số đồng phân có thể cho chúng ta những thông tin quan trọng về cấu trúc mức năng lượng của hạt nhân cũng như cơ chế phản ứng. Bằng việc so sánh tỷ số đồng phân xác định bằng thực nghiệm và tỷ số đồng phân tính toán bằng lý thuyết theo mẫu thống kê của Huizenga và Vandenbosch, chúng ta có thể thu được thông tin quan trọng về sự phụ thuộc vào spin của mật độ mức hạt nhân.
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân của Europium tự nhiên gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại trong vùng cộng hưởng lưỡng cực khổng lồ. Cụ thể, phản ứng mà chúng tôi quan tâm là 153Eu(, n)152m1,m2Eu gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại 17 MeV và 20. Sở dĩ, chúng tôi chọn phản ứng này là vì hạt nhân 153Eu và 152Eu là các hạt nhân biến dạng được thể hiện qua việc tiết diện phản ứng quang hạt nhân 153Eu(, n)152Eu có hai đỉnh. Ngoài ra, các trạng thái đồng phân trong hạt nhân 152Eu cũng có các tham số biến dạng khác nhau.
Chính vì thế, số liệu về tỷ số đồng phân trong phản ứng này cũng sẽ cung cấp những thông tin quan trọng về Vật lý hạt nhân 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Tốt Nghiệp Bùi Minh Huệ sự ảnh hưởng của tham số biến dạng vào xác xuất kích thích các trạng thái đồng phân. Phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu của chúng tôi là phương pháp kích hoạt. Thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc điện tử Microtron MT-25, tại phòng thí nghiệm về phản ứng hạt nhân Flerov, Viện liên hợp nghiên cứu hạt nhân Dubna, Nga. Các số liệu thực nghiệm được cung cấp bởi nhóm nghiên cứu của GS.Trần Đức Thiệp hiện đang công tác tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân - Viện Vật lý Bản luận văn với đề tài “Nghiên cứu tỷ số suất lượng đồng phân trong phản ứng quang hạt nhân của Europium tự nhiên gây bởi chùm bức xạ hãm có năng lượng cực đại trong vùng cộng hưởng khổng lồ”, gồm có 3 chương : Chƣơng 1: Tổng quan l thuyết về phản ứng quang hạt nhân, hiện tượng đồng phân hạt nhân và tỷ số suất lượng đồng phân.
Chƣơng 2: Trình bày phương pháp và kỹ thuật thực nghiệm sử dụng trong việc xác định tỷ số suất lượng đồng phân. Chƣơng 3: Kết quả thu được về tỷ số suất lượng đồng phân của phản ứng quang hạt nhân153Eu(,n)152m1,m2Eu gây bởi chùm bức xạ hãm năng lượng cực đại 20,3MeV và 17MeV. Vật lý hạt nhân 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Tốt Nghiệp Bùi Minh Huệ CHƢƠNG I: PHẢN ỨNG QUANG HẠT NHÂN 1. Phản ứng quang hạt nhân 1.
Khái niệm trạng thái đồng phân hạt nhân 1. Dịch chuyển gamma 1. Cấu trúc hạt nhân và sự hình thành trạng thái đồng phân 1. Tỷ số suất lƣợng đồng phân hạt nhân 1.
Phản ứng quang hạt nhân 1. Khái niệm về phản ứng quang hạt nhân Bức xạ gamma là bức xạ điện từ. Tùy thuộc vào năng lượng của nó khi đi vào môi trường vật chất, tia gamma tương tác với hạt nhân hay nguyên tử trong môi trường vật chất và có thể gây ra các hiện tượng khác nhau như: quang điện, Compton, tạo cặp…hay gây ra phản ứng hạt nhân và thường được gọi là phản ứng quang hạt nhân. Xét phản ứng quang hạt nhân: A B b (1.1) Trong đó hạt tới là lượng tử gamma, A là hạt nhân bia, B là hạt nhân sản phẩm hay còn gọi là hạt nhân dư và dừng lại trong bia, b là các hạt nhẹ hoặc bức xạ phát ra.
Phản ứng quang hạt nhân là phản ứng ngưỡng, tức là chỉ xảy ra khi năng lượng của photon tới lớn hơn một giá trị nào đó, hay còn gọi là năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân. Vì vậy cần phải có các chùm photon có năng lượng và cường độ đủ lớn để gây phản ứng. Trong thực tế người ta thường dùng chùm bức xạ hãm sinh ra khi các electron được gia tốc với năng lượng lớn tương tác với các bia nặng (ví dụ như W, Pb, Ta…). Đặc điểm của chùm bức xạ hãm là có phổ liên tục, thông lượng lớn.
Năng lượng cực đại của bức xạ hãm bằng năng lượng của chùm hạt tích điện được gia tốc, vì vậy có thể tạo ra chùm bức xạ hãm có thông lượng lớn và năng lượng có thể lên tới hàng GeV bằng các máy gia tốc. 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 lượng tử gamma tới. Tùy theo năng lượng photon 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: (γ, n), (γ, p); phản ứng sinh nhiều nơtron (γ,xn); phản ứng photospallation (γ, xnyp); phản ứng tạo pion (γ,πxn); phân hạch hạt nhân (γ, f); hiện tượng phân mảnh (γ,fr)…[16,23]. Vật lý hạt nhân 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Tốt Nghiệp Bùi Minh Huệ 1.
Các định luật bảo toàn trong phản ứng quang hạt nhân Khi một phản ứng quang hạt nhân xảy ra sẽ bị chi phối bởi các định luật bảo toàn [4,13]: Định luật bảo toàn điện tích và số baryon: trong phản ứng quang 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 quang hạt nhân nào, tổng số baryon phải là một hằng số. Định luật bảo toàn số baryon cho phép giải thích tính bền vững của proton. Định luật bảo toàn năng lượng: 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 (1.2) 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(γ,b)B, gọi ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ là moment động lượng của các hạt tham gia phản ứng, định luật bảo toàn moment động lượng được viết: ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ (1.3) 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(γ,b)B ta có: ⃗⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗ + ⃗⃗⃗⃗⃗ =⃗⃗⃗ +⃗⃗⃗ +⃗⃗⃗⃗⃗ (1.4) 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, notron 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. Định luật bảo toàn chẵn lẻ: Trong tương tác điện từ và tương tác mạnh, tính chẵn lẻ được bảo toàn. Phản ứng quang 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(γ,b)B, định luật bảo toàn chẵn lẻ được viết: (1.5) Vật lý hạt nhân 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Tốt Nghiệp Bùi Minh Huệ Pγ, 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: Phản ứng A(γ,b)B 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: ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ (1.6) Spin đồng vị đặc trưng cho mức hạt nhân, 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 quang hạt nhân, và do đó cho phép chúng ta viết ra được chính xác các phản ứng quang 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. Tiết diện và suất lƣợng của phản ứng quang hạt nhân 1. Tiết diện phản ứng quang hạt nhân Tiết diện phản ứng là thước đo xác suất để phản ứng hạt nhân xảy ra.