Xem mẫu
- B GIÁO D C VÀ ÀO T O
TRƯ NG I H C SƯ PH M TP. H CHÍ MINH
TI U LU N PHƯƠNG PHÁP GHI O B C X
TÀI:
NG V PHÓNG X
GVHD : TS. TR N QU C DŨNG
H c viên : NG SA LY
Chuyên ngành : V t lý nguyên t K22
Thành ph H Chí Minh – 2013
- 1. BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Cũng gi ng như B ng H Th ng Tu n Hoàn, B ng Các ng V Phóng X là hình
th c thu n ti n trình bày m t s lư ng l n thông tin khoa h c theo l i có t ch c.
Hình 3. M t ph n nh c a m t b ng ng v phóng x i n hình
- 1.1 BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
M t b ng ng v phóng x li t kê các thông tin v các ng v b n và ng v không
b n. Hình 3 là m t ph n nh c a m t b ng ng v phóng x i n hình. B ng này v
m t ô cho m i ng v phóng x riêng bi t, v i s proton (Z) theo tr c ng và s
neutron (N = A – Z) theo tr c ngang.
Hình vuông màu xám bi u th ng v b n. Các hình vuông màu tr ng bi u th các
phóng x nhân t o, nghĩa là chúng ư c s n xu t theo k thu t nhân t o và không t
nhiên xu t hi n. B ng cách tra c u m t b ng hoàn ch nh, ta có th tìm th y các lo i
ng v khác, ch ng h ng như các lo i ng v xu t hi n trong t nhiên (nhưng không
có ng v nào ư c tìm th y trong vùng c a b ng hình 3)
Các ô n m v bên trái c a m i hàng ngang trong b ng là thông tin chung c a m i
nguyên t . M i ô ch a ký hi u hóa h c c a nguyên t kèm theo nguyên t kh i trung
bình c a ch t phóng x xu t hi n trong t nhiên và ti t di n h p th neutron nhi t trung
bình. Các ng v (các nguyên t có cùng s Z nhưng khác s A) c a m i nguyên t
ư c li t kê phía bên ph i.
1.2 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ BỀN
i v i các ng v b n, i kèm v i ký hi u và s nguyên t kh i là ph n trăm c a m i
ng v xu t hi n trong t nhiên cũng như ti t di n h p th neutron nhi t và kh i lư ng
theo ơn v amu. Hình 4 là m t kh i i n hình c a m t ng v b n t b ng các ng
v phóng x .
- 1.3 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ KHÔNG BỀN
i v i các ng v không b n, ngoài các thông tin trên thì còn có thông tin v th i
gian bán rã, lo i phân rã (ví d như phân rã β- , α,...), năng lư ng phân rã t ng c ng
theo ơn v MeV và kh i lư ng theo ơn v amu. Hình 5 là m t kh i i n hình c a m t
ng v không b n t b ng các ng v phóng x .
- 1.4 TỈ SỐ NEUTRON – PROTON
Hình 6 cho th y s phân b c a các ng v b n ư c bi u di n trên cùng các tr c như
b ng các ng v phóng x . Khi s kh i tăng thì t s s neutron trên s proton cũng
tăng theo. Ví d Helium-4(2 proton và 2 neutron) và Oxygen-16(8 proton và 8 neutron)
thì t s này là 1; Indium-115(49 proton và 66 neutron) thì t s này tăng lên 1,35; và
i v i Uranium-238(92 proton và 146 neutron) thì t s này là 1,59.
N u m t h t nhân n ng b tách thành hai ph n, thì m i ph n s t o thành m t h t nhân
con, có t s s neutron trên s proton x p sĩ như t s c a h t nhân m . Các h t nhân
có t s s neutron trên proton cao n m dư i v phía ph i c a ư ng bi u di n các h t
nhân b n ư c bi u di n trên Hình 6. Tính không b n c a h t nhân là do s neutron
quá l n, s không b n này nói chung s ư c i u ch nh b ng s liên ti p phát các b c
x beta- β, và trong m i phát x β thì m t neutron chuy n thành m t proton và chuy n
h t nhân n t s s neutron trên s proton b n hơn.
- 1.5 ĐỘ PHONG PHÚ TRONG TỰ NHIÊN CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
nhi u tương ic am t ng v trong t nhiên so v i các ng v khác c a cùng
m t nguyên t thư ng là không i. B ng ng v phóng x bi u di n nhi u tương
i xu t hi n trong t nhiên c a các ng v c a cùng m t nguyên t theo ơn v ph n
trăm nguyên t . Ph n trăm nguyên t là t l ph n trăm c a các nguyên t c a m t lo i
ng v c a m t nguyên t . Ph n trăm nguyên t vi t g n là a/o. Ví d nhi u ng
v c a ng v oxygen-18 là 0,20%, gi s trong m t c c nư c ch a 8,23 x 1024
nguyên t oxygen thì s có 1,65 x 1024 nguyên t ng v oxygen-18 trong c c nư c
ó.
Kh i lư ng nguyên t c a m t nguyên t ư c nh nghĩa là kh i lư ng nguyên t
trung bình c a các ng v c a nguyên t ó. Kh i lư ng nguyên t c a m t nguyên t
có th ư c tính b ng cách l y t ng các tích nhi u ng v c a m i ng v v i kh i
lư ng nguyên t c a ng v ó.
Ví d :
Tính kh i lư ng nguyên t c a nguyên t lithium n u bi t lithium có hai ng v
là lithium-6 có nhi u nguyên t là 7,5% và kh i lư ng nguyên t là 6,015122
amu và lithium-7 có nhi u nguyên t là 92,5% và kh i lư ng nguyên t là
7,016003 amu.
Gi i:
Kh i lư ng nguyên t Lithium = (0,075)(6,015122 amu) + (0,925)(7,016003
amu) = 6,9409 amu
M t i lư ng o khác c a nhi u ng v là ph n trăm kh i lư ng (w/o). Ph n trăm
kh i lư ng là ph n trăm kh i lư ng c a m t ng v riêng bi t. Ví d m t m u v t li u
- ch a 100 kg uranium trong ó thành ph n uranium-235 có ph n trăm kh i lư ng là 28
w/o có nghĩa là có 28 kg ng v uranium-235.
2. QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM
2.1 URANIUM GIÀU
Uranium ư c khai thác t t có ch a các ng v uranium-238, uranium-235 và
uranium-234. Trong ó uranium-238 trong t nhiên chi m nhi u nh t (99,2745%),
ph n còn l i thì ch y u là uranium-235 (0,7200%) và m t s lư ng nh uranium-234.
M c dù t t c các ng v c a uranium có chung các tính ch t hóa h c, nhưng m i
ng v l i có nh ng tính ch t thu c v h t nhân khác nhau áng k . ng v uranium-
235 thư ng là nguyên li u chính dùng trong nhà máy i n h t nhân t o ra i n h t
nhân; ch t o vũ khí h t nhân. Quá trình làm giàu uranium t o ra uranium giàu.
Uranium giàu là uranium trong ó ng v uranium-235 có n ng cao hơn giá tr
n ng có trong t nhiên. Quá trình làm giàu cũng s d n n s n ph m ph uranium
nghèo. Uranium nghèo là uranium trong ó ng v uranium-235 có n ng th p hơn
giá tr n ng có trong t nhiên. M c dù uranium nghèo ư c xem như là s n ph m
- ph c a quá trình làm giàu, nhưng nó th c s có giá tr trong lĩnh v c h t nhân và công
nghi p thương m i và qu c phòng.
2.2 QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM
Vì tính ch t thương m i và qu c phòng c a m i qu c gia òi h i làm giàu uranium.
U235 ư c làm giàu b ng phương pháp tách ng v .
2.2.1 KHUẾCH TÁN KHÍ
Quy trình làm giàu uranium b ng phương pháp khu ch tán khí, bên trong thi t b , khí
uranium-6-flour(UF6) ư c ưa ch m vào các ư ng ng d n, t i ây UF6 ư c bơm
qua các b l c c bi t g i là các “barrier” (còn g i là các màng t ong – Porous
Membrane). Các l tr ng c a barrier r t nh các phân t khí UF6 i qua ư c. Quá
trình làm giàu x y ra khi mà các phân t khí UF6 nh hơn(ch a các nguyên t U234 và
U235) ti n t i khu ch tán qua các barrier nhanh hơn các phân t khí UF6 n ng ch a U238
Quá trình khu ch tán khí s d ng phương pháp
khu ch tán phân t tách m t lo i khí ra kh i
h n h Dĩ hai lo ilà s Sc n hàng ng v barrier xc p
p nhiên khí. tách trăm ư c th
hi n btheo cách khu cho tánnUraniumUF6 ch khí
ng t ng l p ch khi khí (trong a
UF6 ) qua “màng t ong” nh vào tính khác
nhau c a v n t c phân t c a hai ng v .
- U235 c n s d ng trong lò ph n ng. ph n cu i c a quá trình UF6 giàu s ư c l y ra
kh i ng d n và ư c ngưng t thành d ng l ng rót vào thùng ch a.
2.2.2 LI TÂM KHÍ
Quá trình làm giàu uranium b ng
phương pháp li tâm s d ng m t s
lư ng l n các xi-lanh quay, ư c x p
thành m t dãy n i ti p. Trong quá trình
này, khí UF6 ư c ưa vào m t xi-lanh
và ư c quay t c cao. S quay này
t o m t l c li tâm m nh cho các
238
phân t khí n ng(ch a U ) chuy n
ng ra phía ngoài c a xi-lanh và các
phân t khí nh (ch a U235) t p trung
vào g n tâm hơn. Dòng uranium giàu
ư c l y ra và ti p t c ưa vào t ng cao
hơn k ti p, trong khi ó dòng uranium
nghèo ư c tái s d ng và ư c ưa
xu ng t ng th p hơn k ti p. Quá trình
x y ra s cho lư ng uranium giàu áng
k .
2.2.3 LASER PHÂN TÁCH
S tách ng v uranium có th t ư c d a trên nguyên lý quang kích thích (kích
thích phân t s d ng ánh sáng laser). K thu t như v y có tên là AVLIS (Atomic
Vapor Laser Isotope Separation), MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), SILEX
(Separation of Isotopes by Laser Excitation). Nói chung, quá trình làm giàu s d ng ba
h th ng chính, ó là h th ng laser, h th ng quang h c, và h th ng module phân
tách. Laser i u hư ng ư c có th phát tri n b n ra m t b c x ơn s c (ánh sáng
m t màu). Các m u ng v ch u nh hư ng c a tia laser ơn s c sau ó s b bi n i
lý tính ho c hóa tính, mà i u này làm cho nguyên li u có kh năng phân tách. AVLIS
s d ng h p kim U-Fe trong khi ó SILEX và MLIS s d ng UF6.
- 3. ĐỘ HỤT KHỐI. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
Hai nh lu t riêng bi t là nh lu t b o toàn kh i lư ng và nh lu t b o toàn năng
lư ng không ư c áp d ng ch t ch trong ph m vi h t nhân. Có th chuy n i gi a
kh i lư ng và năng lư ng (E = mc2). Thay vì hai nh lu t b o toàn riêng bi t thì m t
nh lu t b o toàn chung phát bi u t ng kh i lư ng và năng lư ng ư c b o toàn. Kh i
lư ng không t nhiên xu t hi n ho c m t i. S gi m xu ng c a kh i lư ng s kéo
theo s tăng lên tương ng c a năng lư ng và ngư c l i.
3.1 ĐỘ HỤT KHỐI
Các phép o c n th n ã ch ra r ng kh i lư ng c a m t nguyên t riêng bi t nh hơn
t ng các kh i lư ng c a các neutron, proton và electron riêng l c u t o nên nguyên t
ó. S sai khác kh i lư ng này là r t nh . S khác nhau gi a kh i lư ng c a nguyên t
và t ng các kh i lư ng c a các ph n c a nó ư c g i là h t kh i (∆m). h t kh i
ư c tính theo phương trình (1 – 1). Vi c tính toán h t kh i c n chú ý n chính
xác c a các phép o kh i lư ng vì s khác nhau trong kh i lư ng thì nh so v i kh i
lư ng nguyên t . Vi c làm tròn s các kh i lư ng c a các nguyên t và các h t dư i ba
ho c b n ch s cũng nh hư ng quan tr ng n k t qu tính toán h t kh i.
∆m = [Z(mp + me) + (A – Z)mn] – matom
Trong ó
∆m: h t kh i (amu)
mp : kh i lư ng m t proton (1,007277 amu)
mn : kh i lư ng m t neutron (1,008665 amu)
me : kh i lư ng m t electron (0,000548597 amu)
matom : kh i lư ng h t nhân (amu)
- Z : s proton
N : s neutron
Ví d : Tính h t kh i c a Lithium-7 bi t kh i lư ng c a lithium-7 là 7,016003 amu.
Gi i:
3.2 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT
m t mát kh i lư ng, hay h t kh i là do s chuy n i kh i lư ng thành năng
lư ng liên k t khi h t nhân ư c t o thành. Năng lư ng liên k t ư c nh nghĩa là
lư ng năng lư ng c n cung c p cho m t h t nhân tách toàn b các h t thu c h t
nhân c a h t nhân ó (các nucleon). Ta cũng có th hi u ó là lư ng năng lư ng gi i
phóng ra khi h t nhân ư c t o thành t các h t riêng bi t. Năng lư ng liên k t là năng
lư ng tương ương v i h t kh i. Vì h t kh i ư c chuy n thành năng lư ng liên
k t khi h t nhân ư c t o thành nên ta có th tính năng lư ng liên k t s d ng h s
chuy n i nh n ư c t m i liên h gi a kh i lư ng – năng lư ng t Thuy t Tương
i Einsteins.
Phương trình n i ti ng c a Einsteins v m i liên h gi a kh i lư ng – năng lư ng là E
= mc2 trong ó c là v n t c ánh sáng ( c = 2,998x103m/s). Năng lư ng tương ương v i
m t ơn v nguyên t kh i (1 amu) có th tihs ư c b ng cách dùng phương trình
Eisteins và các h s chuy n i
- Vì m t ơn v kh i lư ng nguyên t tương ương v i năng lư ng là 931.5MeV nên
năng lư ng liên k t ư c tính theo phương trình (1 – 2)
Ví d : Tính h t kh i và năng lư ng liên k t c a Uranium-235, bi t r ng kh i lư ng
nguyên t c a Uranium-235 là 235,043924 amu.
Gi i:
- 3.3 CÁC MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA HẠT NHÂN
Các nucleon trong h t nhân c a m t nguyên t gi ng như các electron quay quanh h t
nhân, t n t i trên các l p tương ng v i các tr ng thái năng lư ng. Các l p năng lư ng
c a h t nhân ư c nh nghĩa và hi u ít rõ ràng b ng các l p năng lư ng c a electron.
M t h t nhân có m t tr ng thái ng v i m c năng lư ng th p nh t g i là tr ng thái cơ
b n và các tr ng thái kích thích riêng bi t (r i r c, gián o n). Các tr ng thái năng
lư ng gián o n c a electron trong nguyên t ư c o b ng ơn v eV ho c KeV, còn
các m c năng lư ng c a h t nhân thì l n hơn r t nhi u và thư ng o b ng ơn v MeV.
M t h t nhân trong tr ng thái kích thích s không gi m c năng lư ng ó trong m t
th i gian vô h n. Gi ng như các electron trong m t nguyên t b kích thích, các
nucleon trong h t nhân b kích thích s chuy n sang tr ng thái có m c năng lư ng th p
và cùng lúc phát ra m t chùm b c x i n t gián o n, g i là tia gamma (γ). S khác
nhau gi a chùm tia X và chùm tia γ là m c năng lư ng c a chúng và chúng ư c phát
ra t l p v i n t hay t h t nhân.
Tr ng thái cơ b n và các tr ng thái kích thích c a h t nhân ư c miêu t trong sơ
m c năng lư ng h t nhân. Sơ m c năng lư ng h t nhân bao g m các thanh ngang
x p lên nhau. M i tr ng thái kích thích ng v i m t thanh. Kho ng cách theo chi u d c
gi a thanh bi u di n tr ng thái kích thích và thanh bi u di n tr ng thái cơ b n tương
ng v i m c năng lư ng c a tr ng thái kích thích i v i tr ng thái cơ b n. S khác
nhau v năng lư ng c a tr ng thái kích thích và tr ng thái cơ b n này ư c g i là năng
lư ng kích thích c a tr ng thái kích thích tương ng. Tr ng thái cơ b n c a m t ng
- v phóng x có năng lư ng kích thích b ng 0. Các thanh c a năng lư ng kích thích
ư c gán nhãn v i các m c năng lư ng tương ng. Hình 7 là sơ m c năng lư ng
c a nickel-60.
nguon tai.lieu . vn
