Xem mẫu
- LOGO
ĐỒNG VỊ BỀN VÀ ĐỒNG VỊ
PHÓNG XẠ
GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Thành Vinh
SVTH: Trần Văn Xuân
Hồ Hoàng Việt
Huỳnh Thị Tuyết Hoàng
Nguyễn Phúc
- NỘI DUNG
1 Cấu trúc hạt nhân
Click to add Title
2 Năng lượng hạt nhân
Click to add Title
1
3 Tính bền vữngadd hạt nhân
Click to của Title
2
4 Phân rã hạt nhân
Click to add Title
1
5 PhảClick hạt nhân
n ứng to add Title
- ĐỒNG VỊ BỀN VÀ ĐỒNG VỊ PHÓNG
XẠ
Nguyên tắc của phân tích kích hoạt
phóng xạ bắt nguồn từ:
Các nguyên tắc của cấu trúc nguyên tử và hạt nhân
Các đồng vị phóng xạ bền.
Sự chuyển đổi nguyên tử
Các đặc tính bức xạ của các đồng vị phóng xạ,
và sự tương tác giữa các tia phóng xạ này với vật chất
- 1.1.1 - Cấu Trúc Hạt Nhân
• Hạt nhân là hạt nhỏ nhất của một nguyên
tố hóa học.
• Mô hình cổ điển:
• Một hạt nhân cố định được bao quanh bởi các nguyên tử
mang điện tích dương, với số lượng thích hợp của các
điện tử mang điện tích âm ở vỏ.
• Các chu kỳ của lớp điện tử về hạt nhân là nền tảng cho
các tính chất hóa học của các phần tử và các khái niệm
về điện tử hóa trị, liên kết ion, và liên kết cộng hóa trị
- 1.1.2 - Các Mô Hình Hạt Nhân
• Rutherford (1911)
• Hạt nhân gồm các proton đan xen với các
electron
• Chadwick (1932)
• Khám phá ra nơtron
• Bằng cách xem các proton và nơtron là
khối xây dựng tương đương (nucleon) và
khối lượng của hạt nhân tỉ lệ với số
nucleon hiện tại (A), chúng ta có thể hiện
được bán kính của nuclei bởi công thức
kinh nghiệm:
R = RoA1/3
- 1.1.3 - Bảo Tồn Các Nguyên
Tử:
• Một trong những định luật thành
công nhất là định luật bảo tồn số
lượng các nucleon trong:
» Các hạt nhân nguyên tử
» Các quá trình phân rã phóng xạ
» Các phản ứng hạt nhân.
• Định luật bảo toàn này cho phép
chúng ta xây dựng một bảng các chất
đồng vị từ mô hình "thực tế" hạt
nhân, tương tự như bảng tuần hoàn
các nguyên tố.
- 1.1.4 – Hóa Tính
• Hiện tượng phân rã phóng xạ:
• Các tính chất hóa học của một
nguyên tử có liên quan đến số lượng
của các điện tử hóa trị tham gia vào tổ
hợp hóa học của nó
• Công thức hóa học của một nguyên
tử có liên quan đến số lượng các điện
tử có trong nguyên tử trung tính
- Hình 1.1: Đồng vị của một vài nguyên tố, minh họa cho thành
phần hạt nhân của các nuclit phóng xạ ổn định. Các hạt nhân
được vẽ với bán kính tỉ lệ với RoA1 / 3.
• Điện tích hạt nhân (Q) :
Q = Ze
• Số khối (A) :
A= Z + N
- Bảng 1.2 Thành phần hạt nhân của đồng vị đơn ổn định của các
nguyên tố (f = 1.00)
Nguyên Số lượng Số lượng Tỉ lệ (N/Z) Số khối Ký kiệu
tố hóa nơtron
nguyên ( A) Nuclit
học tử (Z) (N)
Bery 4 5 1.250 9 Be
9
Flour 9 10 1.111 19 F
19
Natri 11 12 1.091 23 Na
23
Nhôm 13 14 1.077 27 Al
27
Phốt pho 15 16 1.067 31 P
31
Scan-đi 21 24 1.143 45 Sc
45
Mangan 25 30 1.200 55 Mn
55
Coban 27 32 1.185 59 Co
59
-- -- -- -- -- --
Đồng vị đơn của nguyên tố ổn định thể
hiện vấn đề đơn giản hơn trong phân tích
kích hoạt cho các yếu tố đó
- 1.2 – Năng Lượng Hạt Nhân
1.2.1 – Khối lượng nguyên tử:
1
1 amu = = 1.660x10 - 24 g
23
6.023 x10
1.2.2 – Tương đương giữa khối lượng và
năng lượng:
E = Mc 2 = >∆E = ∆Mc 2
Năng lượng chứa trong 1 amu được cho bởi :
E = 1.66 × 10 −24 (3 × 1010 ) 2 = 1.49 × 10 −3 erg
- 1.2.2. Tương đương giữa khối lượng và năng lượng
1.2.2.
Năm 1905, Einstein trong việc phát triển lý thuyết tương đối của mình đã
đi đến kết luận rằng tính chất của khối lượng M và năng lượng E là
tương đương với nhau. Sự tương đương đó được thể hiện bởi ph ương
trình:
E = Mc2 (6)
Năng lượng sinh ra trong công thức trên đó là năng lượng được dự trữ
trong khối lượng M. Từ công thức trên ta thấy sự biến đổi về khối lượng
thì tương đương với sự biến đổi về năng lượng:
(7)
∆E = ∆Mc 2
Năng lượng chứa trong 1 amu được cho bởi:
(8)
E =1.66 × −24 (3 × 10 ) 2 =1.49 × −3 erg
10 10 10
Trong vật lý hạt nhân, các đơn vị năng lượng được biểu diễn bằng
electron Volt (eV), eV là năng lượng thu được do một electron tạo ra điện
năng 1V. Sự thay đổi năng lượng của các quá trình hạt nhân th ường
được tính theo đơn vị Kilo electron Volt.
- Bảng 1.3 Khối lượng hạt nhân cho các đồng vị phóng xạ
Số Nguyên tố hóa học Số khối Đồng vị phóng xạ Khối lượng hạt nhân
nguyên ( A) (amu)
nguyên
tử (Z)
(Z)
0 Neutron 1 n 1.008665
1
1 Hydrogen 1 H 1.007825
1
1 Hydrogen 2 H 2.014102
2
1 Hydrogen 3 H 3.016049
3
2 Helium 3 He 3.016030
3
2 Helium 4 He 4.002604
4
3 Lithium 6 Li 6.015126
6
6 Carbon 11 C 11.011433
11
6 Carbon 12 C 12.000000
12
6 Carbon 13 13C 13.003354
6 Carbon 14 C 14.003242
14
7 Nitrogen 14 N 14.003074
14
8 Oxygen 16 O 15.994915
16
11 Sodium 23 23 Na 22.899773
11 Sodium 24 Na 23.990967
24
12 Magnesium 24 Mg 23.985045
24
12 Magnesium 27 Mg 26.984345
27
13 Aluminum 27 27 Al 26.981535
15 Phosphorous 32 P 31.973908
32
16 Sulfur 32 S 31.972074
32
17 Chlorine 35 Cl 34.968854
35
- 1.2.3. Năng lượng liên kết
1.2.3.
Sự thay đổi
thành phần hạt
nhân (Z + N) kết 2. Lực hạt nhân phải
1. Lực hạt nhân
quả là lam thay
̀ có khoảng cách ngắn
phải đủ mạnh để
đổi năng lượng trong kích thước hạt
vượt qua các lực
bởi vì các lực liên nhân nếu không sẽ
đẩy Coulomb của
kết hạt nhân thay không tồn tại.
nhiều proton tích
đổi. Khi quan sát
điện dương trong
các đồng vị
hạt nhân.
phóng xạ bền
trong tự nhiên thì
các lực hạt nhân
đáp ứng hai yêu
cầu:
- Do đó, lực giữa một neutron tự do và proton tự do không quá lớn
như các lực giữ neutron và proton liên kêt với nhau trong một hạt
́
nhân Đơteri. Tương tự, các lực giữa hai hạt nhân Đơteri tự do
này nhỏ hơn các lực liên kêt giữ các hạt nhân Heli với nhau.
́
Trong thực tế, phản ứng hạt nhân là sự "hợp nhất" của hai Deuteron để
tạo thành một hạt nhân lớn hơn với số lượng có ích có kiêm soat để phát
̉ ́
điện là những mục tiêu của điện nhiệt hạch.
Năng lượng phát ra trong sự kết hợp của một số lượng các hạt proton và nơtron
tự do trong việc hình thành một hạt nhân nguyên tử được gọi là năng lượng liên
kết (BE). Phương trình Einstein tỉ lệ với khối lượng và năng lượng giải phóng của
năng lượng liên kết tỉ lệ với độ hụt khối của sự "hợp nhất" cac đồng vị phóng xạ.
́
Vì vậy khối lượng của 4He nhỏ hơn tổng khối lượng của hai proton và hai
neutron. Sự hình thành đồng vị phóng xạ có thể được viết là.
(16)
2 H + 2 n → He + BE
1 1 4
1 0 2
- Độ hụt khối: ∆ M = 2M (1H) + 2M (1n) - M (4He) (17)
∆ M = 2 (1.0078252) + 2 (1.0086654) - 4.0026036 = 0.0303776 amu (18)
Năng lượng liên kết:
∆ E = BE = 0.0303776 amu × 931.4 MeV/amu= 28.22 MeV (19)
Một chỉ số liên quan đến sự bền của các đồng vị phóng xạ là do năng lượng
liên kết trung bình mỗi nucleon trong hạt nhân; 4He, là một trong những đồng
vị phóng xạ bền, có một năng lượng liên kiết trung bình của mỗi nucleon là:
BE 28.22 (20)
= = 7.05MeV / nucleon
A 4
Ngược lại, deuterium, 2H, một trong những đồng vị phóng xạ bền nhỏ nhất,
có năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon là:
BE 2.2
= = 1.1MeV / nucleon (21)
A 2
- Mối quan hệ của năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon với s ố kh ối
được thể hiện trong hình 1.2. Trên giá trị cực đại t ại A ∼ 60 (giới hạn các đồng
vị) giá trị trung bình giảm dần từ 8.7 - 7.8 MeV/nucleon.
Một chỉ số liên quan đến sự bền tương đối là năng lượng liên k ết tăng c ần
thiết để thêm một neutron đối với một đồng vị phóng xạ bền. Như vậy, n ếu m ột
neutron đã được thêm vào, sự thay đổi trong khối lượng sẽ là:
∆ M = [11M (1H) + 12M (1n) - M (23Na)] - [11M (1H) + 13M (1n) - M (24Na)].
= M (24Na) - [M (23Na) + M (1n)].
= 23.990967 - 23.998.438 = - 0.007471amu (22)
Na + n → Na + ∆ BE
23 24
Và đối với việc bổ sung các (23)
11 11
neutron:
Sự thay đổi năng lượng liên kết được:
∆ BE = - 0.007471 amu × 931. 4 MeV / amu= - 7 MeV (24)
- Đồng vị phóng xạ và đồng vị phóng xạ bền
Năng
lượng
liên kết
trung
bình mỗi
nuleon
(MeV/A)
Số khối
Hình 1.2 Năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon như là một hàm số c ủa s ố
(A)
khối của các đồng vị phóng xạ bền đối với các đồng vị phóng xạ phổ biến lớn hơn
50%.
Dấu trừ có nghĩa rằng 24Na có năng lượng liên kết là 7 MeV đối với 23Na
và một neutron tự do. Bổ sung nguồn năng lượng neutron liên k ết t ừ kho ảng -2
đến -12 MeV.
- 1.3. Tính bền vững của hạt nhân
1.3. Tính
Trái đất luôn tồn tại các nguyên tố trên đó. Hầu hết các nguyên tử hiện
có trong vật chất là bền theo thời gian, còn lại là phóng xạ.
Trái đất bị bắn phá liên tục bởi các tia phóng xạ từ không gian bên ngoài,
đã làm chuyển đổi một số các nguyên tử bền thành những nguyên tử
phóng xạ. Một số các nguyên tử phóng xạ sinh ra có thời gian rất ngắn,
dao động xuống thấp hơn 10-20 giây, một số tạo thành có thời gian rất dài,
lên đến hơn 1018 năm. Đồng vị phóng xạ như vậy được coi là bền; với
, từ lâu được coi là nặng nhất của các đồng vị phóng xạ bền, so với
83Bi
209
một vài đồng vị phóng xạ khác.
Tiêu chí để xác định sự bền hạt nhân là dựa vào độ phân rã của h ạt
nhân. Với các kỹ thuật đo lường có độ nhạy tối đa như hiện nay thì các
đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã quá 1018 năm có thể được coi là
bền.
- Sự giải phóng khối lượng giống như năng lượng bức
xạ trong quá trìnhphân rã. Một quá trình phân rã phóng
xạ có thể được viết dưới dạng:
A →B + b (25).
Trong đó các đồng vị phóng xạ A phân hủy để tạo thành
đồng vị phóng xạ B với việc giải phóng các tia bức xạ b. Vì
thế sự phân hủy xảy ra một cách tự nhiên trong sự thay đổi
độ hụt khối:
∆ M = MA - (MB + Mb) (26).
Phải lớn hơn số không. Tuy nhiên, khi ∆ M > 0 quá trình phân rã là mạnh
mẽ nhất, đó là cách duy nhất để xác định các phân rã tự phát, nó sẽ
không phân rã hoặc khi. Cho ∆ M
nguon tai.lieu . vn