Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ)109Pd GÂY BỞI NƠTRON NHIỆT (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ)109Pd GÂY BỞI
NƠTRON NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 108Pd(n,γ)109Pd GÂY BỞI
NƠTRON NHIỆT


Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS. NGUYỄN VĂN ĐỖ

Hà Nội – 2015
2


LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình học tập và làm việc để hoàn thành đƣợc bản luận văn thạc sĩ
ngành Vật lý hạt nhân tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa
học Việt Nam, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Văn Đỗ. Nhờ sự
hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của Thầy mà em đã học hỏi đƣợc nhiều kiến thức về lý
thuyết Vật lý hạt nhân cũng nhƣ Vật lý hạt nhân thực nghiệm.
Em xin gửi lời cám ơn đến TS. Phạm Đức Khuê và các cán bộ của Trung tâm Vật
lý hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu để thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cám ơn đề tài nghiên cứu cơ bản NAFOSTED, mã số 103.042012.21 do GS.TS. Nguyễn Văn Đỗ làm chủ nghiệm đã cho phép sử dụng các số liệu
thực nghiệm để thực hiện luận văn.
Em xin cám ơn thầy cô thuộc bộ môn Vật lý hạt nhân cũng nhƣ khoa Vật lý Trƣờng ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội, đã dạỵ bảo em trong quá trình học tập tại trƣờng.
Cuối cùng. em xin đƣợc dành tất cả những thành quả trong học tập của mình dâng
tặng những ngƣời thân yêu trong gia đình, những ngƣời luôn bên cạnh động viên và giúp
đỡ em vƣợt qua mọi khó khăn.
Hà Nội, tháng........năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

LÊ VĂN HẢI

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU
STT
Bảng 1.1
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3

Bảng 2.4
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4

TÊN BẢNG
TRANG
16
Các thông số đối với một số chất làm chậm
Đặc trƣng của các mẫu Pd, Au và In
29
Chế độ kích hoạt mẫu
31
Giá trị các hệ số làm khớp đối với Detector HPGe (ORTEC)
35
Giá trị thông lƣợng nơtron đƣợc nhiệt hóa tại các vị trí của mẫu In
43
trên hình 2.5
Các thông số của phản ứng
115
In(n,γ)116mIn

108

Pd(n,γ)109Pd ,

197

Au(n,γ)198Au, và

Các hệ số hiệu chỉnh chính đƣợc sử dụng để xác định tiết diện bắt
nơtron nhiệt
Hệ số tự chắn đối với nơ tron nhiệt và hệ số tự hấp thụ của các tia
gamma sử dụng để đo hoạt độ của các mẫu Pd và Au
Các nguồn sai số trong xác định tiết diện nơtron nhiệt

Bảng 3.5. Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,γ)109Pd

4

46
47
47
48
49


DANH MỤC HÌNH VẼ
STT
TÊN HÌNH
Hình 1.1 Định luật bảo toàn xung lƣợng trong phản ứng a + A → b +B
Hình 1.2 Các mức năng lƣợng kích thích của hạt nhân hợp phần
Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ
Hình 1.3
phòng thí nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b)
Hình 1.4

Sơ đồ tính δ

TRANG

7
11
13
15

Hình 1.5 Sơ đồ phân rã hạt nhân của phản ứng bắt nơtron

19

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của tiết diện bắt nơtron vào năng lƣợng

23

Hình 2.1

Máy gia tốc electron tuyến tính 100 MeV tại Pohang, Hàn Quốc

26

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính 100 MeV

26

Hình 2.3 Cấu tạo của bia Ta và hệ làm chậm nơtron

27

Phân bố năng lƣợng nơtron đối với bia Ta có và không đƣợc làm
Hình 2.4 mát bằng nƣớc, và so sánh với phân bố Maxwellian tại nhiệt độ
hạt nhân = 0.45 MeV

28

Hình 2.5 Sơ đồ sắp xếp vị trí mẫu

30

Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 3.1

Hình 3.2

Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5

Bố trí thí nghiệm kích hoạt mẫu trên bề mặt hệ làm chậm nơtron
bằng nƣớc
Sơ đồ hệ phổ kế gamma
Đƣờng cong hiệu suất ghi đỉnh quang điện của Detector bán dẫn
HPGe (ORTEC) sử dụng trong nghiên cứu
Sự phụ thuộc của hoạt độ phóng xạ vào thời gian kích hoạt (ti), thời
gian phân rã (td) và thời gian đo (tc)
Phổ gamma đặc trƣng của mẫu Pd đƣợc kích hoạt bởi nơtron nhiệt
với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 376 phút, thời gian
đo 30 phút
Phổ gamma đặc trƣng của mẫu Au đƣợc kích hoạt bởi nơtron nhiệt
với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 330 phút, thời gian
đo 10 phút
Phổ gamma đặc trƣng của mẫu In đƣợc kích hoạt bởi nơtron nhiệt
với thời gian kích hoạt 160 phút, thời gian phơi 344 phút, thời gian
đo 200 giây
Sơ đồ phân rã đã đơn giản của 109Pd ( năng lƣợng: keV)
Tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,γ)109Pd biểu diễn
theo thang thời gian

5

30
31
36
38
44

45

45
46
50


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 1 ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG (n,γ) VÀ NHIỆT HÓA NƠTRON ..... Error! Bookmark
not defined.
1.1. Phản ứng hạt nhân .................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân ........................ Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản ..................... Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng ............... Error! Bookmark not defined.
1.1.4. Năng lƣợng của phản ứng ................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.5. Động học của phản ứng ...................................... Error! Bookmark not defined.
1.2. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích .................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Phản ứng hạt nhân- Hạt nhân hợp phần .............. Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Trạng thái kích thích ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.3. Nhiệt hóa Nơtron ....................................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Nơtron ................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Đặc điểm của các nơtron nhiệt............................ Error! Bookmark not defined.
1.3.3. Cơ chế làm chậm nơtron ..................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.4. Tƣơng tác của nơtron với vật chất ...................... Error! Bookmark not defined.
1.4. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.4.1. Khái quát về tiết diện phản ứng .......................... Error! Bookmark not defined.
1.4.2. Tiết diện bắt nơtron nhiệt .................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN BẮT NƠTRON NHIỆT CỦA
PHẢN ỨNG 108Pd(n,)109Pd ............................................. Error! Bookmark not defined.
2.1. Nguồn nơtron xung trên máy gia tốc electron tuyến tính năng lƣợng 100 MeV Error!
Bookmark not defined.
2.2. Thí nghiệm xác định tiết diện phản ứng 108Pd(n,)109Pd .......... Error! Bookmark not
defined.
2.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu ................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Kích hoạt mẫu ..................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Đo hoạt độ phóng xạ của các mẫu sau khi kích hoạt ......... Error! Bookmark not
defined.
2.2.4. Phân tích phổ gamma .......................................... Error! Bookmark not defined.
6


2.2.5. Xác định hiệu suất ghi của detector .................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ............................ Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Xác định tốc độ phản ứng hạt nhân .................... Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt ..................... Error! Bookmark not defined.
2.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của kết quả ............. Error! Bookmark not
defined.
2.4.1. Xác định hệ số suy giảm tia gamma, Fg ............. Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Hiệu chỉnh hiệu ứng tự che chắn đối với nơtron nhiệt ...... Error! Bookmark not
defined.
2.4.3. Hiệu chỉnh hiệu ứng cộng đỉnh ........................... Error! Bookmark not defined.
2.4.4. Hiệu chỉnh thông lƣợng nơtron nhiệt ..................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................... Error! Bookmark not defined.
3.1. Nhận diện đồng vị phóng xạ và các đặc trƣng của phản ứng hạt nhân. ............. Error!
Bookmark not defined.
3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh ......................................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết quả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng 108Pd(n,)109Pd ......... Error!
Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................ Error! Bookmark not defined.

7


MỞ ĐẦU
Phản ứng hạt nhân làm biến đổi sâu sắc hạt nhân nguyên tử và phát ra các loại
hạt/bức xạ khác nhau, mang theo những thông tin liên quan tới các đặc trƣng của hạt
nhân cũng nhƣ quá trình tƣơng tác của nó với các hạt/bức xạ tới. Phân tích các thông
tin thu đƣợc từ phản ứng hạt nhân có thể nhận biết về cấu trúc và các tính chất của hạt
nhân, về nguồn gốc của năng lƣợng hạt nhân và các đồng vị phóng xạ cũng nhƣ khả
năng ứng dụng của chúng. Chính vì vậy mà từ lâu phản ứng hạt nhân đã trở thành
một trong những hƣớng nghiên cứu quan trọng đƣợc sử dụng để khám phá hạt nhân
nguyên tử.
Phản ứng hạt nhân xảy ra do tƣơng tác của các loại hạt, bức xạ khác nhau nhƣ
alpha (), proton (p), nơtron (n), photon ()...với hạt nhân nguyên tử. Trong thực tế
8


nghiên cứu và ứng dụng đến nay cho thấy phản ứng hạt nhân với nơtron là phổ biến
nhất mà một trong những lý do quan trọng đó là nơtron trung hòa về điện tích nên có
thể tƣơng tác với các loại hạt nhân nguyên tử có số khối từ nhỏ tới lớn mà không chịu
tác dụng của lực đẩy culong. Ngoài ra, nguồn phát nơtron cũng phổ biến hơn nhiều so
với những nguồn phát ra các loại hạt, bức xạ khác. Ngày nay nơtron không những chỉ
đƣợc tạo ra từ các nguồn nơtron đồng vị, từ lò phản ứng hạt nhân mà còn từ nhiều
loại máy gia tốc hạt khác nhau, có khả năng tạo ra nơtron trong giải năng lƣợng rộng,
thông lƣợng lớn, cho phép tiến hành nghiên cứu nhiều phản ứng hạt nhân với nơtron.
Trong luận văn này tác giả đã chọn phản ứng bắt nơtron (n,) để nghiên cứu.
Cho tới nay phản ứng hạt nhân (n,) đã đƣợc nghiên cứu trên nhiều hạt nhân/đồng vị
khác nhau. Các kết quả nghiên cứu đã giúp mở rộng sự hiểu biết về những bí mật của
hạt nhân nguyên tử cũng nhƣ về cơ chế của phản ứng, đồng thời đã cung cấp nhiều số
liệu hạt nhân có giá trị phục vụ nghiên cứu cơ bản và các lĩnh vực ứng dụng có ý
nghĩa khoa học và kinh tế nhƣ tính toán thiết kế lò phản ứng hạt nhân, che chắn an
toàn phóng xạ, chế tạo đồng vị phóng xạ, đánh giá sự phá hủy vật liệu do bức xạ,
phân tích kích hoạt xác định hàm lƣợng các nguyên tố,…Tuy nhiên, đối tƣợng nghiên
cứu và nhu cầu hiểu biết về hạt nhân nguyên tử, về cơ chế phản ứng cùng khả năng
ứng dụng của phản ứng hạt nhân nói chung và phản ứng bắt nơtron nói riêng là không
có giới hạn, độ chính xác của các số liệu hạt nhân đòi hỏi ngày càng cao. Ngoài ra,
phản ứng bắt nơtron còn là một kênh quan trọng tổng hợp các hạt nhân từ sau các
nguyên tố sắt (Fe) và niken (Ni). Chính vì vậy mà phản ứng bắt nơtron vẫn luôn thu
hút sự quan tâm nghiên cứu cả ở trong và ngoài nƣớc.
Bản luận văn “Nghiên cứu phản ứng hạt nhân

108

Pd(n,)109Pd gây bởi nơtron

nhiệt” sẽ tập trung xác định bằng thực nghiệm tiết diện của phản ứng. Trong tự nhiên
Palladium (Pd) là một kim loại hiếm có màu trắng bạc, bóng, mềm và dễ uốn, có khả
năng hấp thụ Hydro tới 900 lần thể tích ở nhiệt độ phòng, chống xỉn màu, dẫn điện ổn
định, chống ăn mòn hóa học cao cùng chịu nhiệt tốt. Do những tính chất đặc biệt của
Palladium (Pd) nên kim loại này là vật liệu quan trọng trong việc chế tạo bộ chuyển
đổi xúc tác để xử lý các loại khí độc hại trong khói của ô tô, sản xuất linh kiện điện
tử, công nghệ sản xuất và lƣu trữ Hydro... Ngoài ra Palladium còn đƣợc sử dụng
trong ngành nha khoa và y học. Đồng vị
108

109

Pd đƣợc sinh ra từ phản ứng

Pd(n,)109Pd với chu kỳ bán dã 13.7 h có tiềm năng ứng dụng trong y học phóng

xạ.
9


Cho tới nay đã có một số tác giả xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng
108

Pd(n,)109Pd. Tuy nhiên, các số liệu đã công bố khác nhau tƣơng đối lớn, nằm trong

khoảng từ 5.95±0.08 barn đến 14±2 barn, chênh lệch lên tới  135%. Do đó, khó có
thể đánh giá và tìm ra đƣợc một số liệu tốt nhất để sử dụng. Vì vậy việc xác định
thêm những số liệu tiết diện mới để bổ xung vào thƣ viện số liệu hạt nhân đối với
phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd là rất cần thiết.
Cho tới nay hầu hết các nghiên cứu về phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd đều sử
dụng nơtron phát ra theo chế độ liên tục từ các nguồn nơtron đồng vị hoặc lò phản
ứng phân hạch. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng nơtron đƣợc phát ra theo chế độ
xung từ máy gia tốc electron tuyến tính, năng lƣợng cực đại 100 MeV. Tiết diện của
phản ứng hạt nhân 108Pd(n,)109Pd đƣợc xác định bằng phƣơng pháp kích hoạt kết hợp
với kỹ thuật năng phổ gamma. Hoạt độ của đồng vị phóng xạ 109Pd đƣợc đo bằng phổ
phổ kế gamma bán dẫn Gecmani siêu tinh khiết, HPGe. Tiết diện phản ứng đƣợc xác
định bằng phƣơng pháp tƣơng đối, nghĩa là so sánh với tiết diện bắt nơtron nhiệt của
phản ứng hạt nhân 197Au(n,)198Au đã biết là o,Au = 98.650.09 barn. Nhằm nâng cao
độ chính xác của kết quả nghiên cứu đã thực hiện một số hiệu chính nhằm giảm sai số
gây bởi hiệu ứng tự hấp thụ của các tia gamma, hiệu ứng cộng đỉnh của các tia
gamma trùng phùng thác và hiệu ứng tự chắn của chùm nơtron nhiệt. Tiết diện bắt
nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân

108

Pd(n,γ)109Pd thu đƣợc trong luận văn là

8.57±0.79 barn. Kết quả này sẽ đƣợc phân tích và đánh giá trong chƣơng 3.
Bản luận văn gồm 3 chƣơng cùng với phần mở đầu, kết luận và phụ lục. Chƣơng
1 trình bày tóm tắt về phản ứng hạt nhân, nhiệt hóa nơtron và tiết diện bắt nơtron
nhiệt. Trong phản ứng hạt nhân đi sâu vào phản ứng bắt nơtron cùng với các quá trình
vật lý đi k m. Chƣơng 2 trình bày thí nghiệm và phân tích số liệu nhằm xác định tiết
diện bắt nơtron của phản ứng hạt nhân

108

Pd(n,γ)109Pd. Chƣơng 3 trình bày kết quả

thực nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của phản ứng hạt nhân 108Pd(n,γ)109Pd
cùng với các ý kiến đánh giá, bình luận về kết quả.
Bản luận văn dài 59 trang, có 20 hình vẽ và đồ thị, 10 bảng biểu và 40 tài liệu
tham khảo. Bản luận văn đƣợc hoàn thành tại Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật
lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

10


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG (n,γ) VÀ NHIỆT HÓA NƠTRON
1.1. Phản ứng hạt nhân
1.1.1 Khái niệm về phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên đƣợc tạo ra từ phòng thí nghiệm của
Rutherford năm 1919 khi bắn chùm hạt alpha () từ nguồn đồng vị vào hạt nhân Nitơ
(N) tạo ra 17O và Proton (p).
 + 14N → 17O + p
Ngày nay, có thể gây ra rất nhiều loại phản ứng hạt nhân khác nhau do sự đa dạng của
các chùm hạt/bức xạ tới đƣợc tạo ra từ lò phản ứng và các máy gia tốc khác nhau.
Một phản ứng hạt nhân thƣờng đƣợc viết nhƣ sau:
a+A→B+b

(1.1)

Trong đó a là hạt/bức xạ tới, A là hạt nhân bia tham gia phản ứng, B và b là các sản
phẩm của phản ứng. Sau phản ứng hạt nhân cũng có thể xuất hiện nhiều hơn 2 hạt và
bay ra theo các phƣơng khác nhau. [2]
Phản ứng hạt nhân xảy ra khi một chùm hạt hoặc bức xạ tƣơng tác với hạt nhân ở
khoảng cách gần (cỡ 1013cm) và sau phản ứng hạt nhân có sự phân bố lại năng
11


lƣợng, xung lƣợng và phát ra một hoặc nhiều hạt, bức xạ. Hạt hoặc bức xạ kích thích
hạt nhân (hạt/bức xạ tới) gây ra phản ứng có thể là alpha (), proton (p), nơtron (n),
bức xạ gamma (),…
Trong quá trình xảy ra phản ứng hạt nhân thì trạng thái tƣơng tác ban đầu a + A
còn đƣợc gọi là kênh lối vào và trạng thái cuối b + B còn gọi là kênh lối ra. Một phản
ứng hạt nhân cũng thƣờng đƣợc viết dƣới dạng rút gọn nhƣ sau:
A(a,b)B
Ký hiệu này tiện lợi vì ta có thể dùng nó để phân loại các phản ứng dựa vào những
tính chất chung, ví dụ: phản ứng (,n) hoặc phản ứng (,n). Các phản ứng hạt nhân
sinh nhiều hạt thƣờng đƣợc ký hiệu dựa vào những đặc trƣng riêng của mỗi loại phản
ứng, ví dụ: (n,2n), (n,np), (,2n), (,2np), (, xnyp), (p,xnyp),..
1.1.2. Các loại phản ứng hạt nhân cơ bản
Phản ứng hạt nhân hay quá trình tƣơng tác hạt nhân xảy ra giữa hạt tới a và hạt
nhân bia A thông thƣờng xảy ra theo một trong các quá trình sau đây:
a. Tán xạ đàn hồi
Tán xạ đàn hồi là quá trình xảy ra đƣợc mô tả nhƣ sau:
a+A  a+ A

hay A(a,a)A

(1.2)

Trong quá trình tán xạ đàn hồi thì nhận dạng và trạng thái nội tại của hạt tới và bia
không thay đổi, nhƣng động năng và tốc độ của các hạt tới thay đổi, hạt có thể thay
đổi hƣớng chuyển động. Sản phẩm của phản ứng là hạt tới và hạt nhân bia vẫn ở trạng
thái cơ bản.
Ví dụ: n+208Pb  n+208Pb hay 208Pb(n,n)208Pb
b. Tán xạ không đàn hồi
Tán xạ không đàn hồi là quá trình xảy ra có dạng nhƣ sau:
a+A  a' + A* hay

A(a,a')A*

(1.3)

Trong quá trình tán xạ không đàn hồi thì nhận dạng các hạt không đổi. Tuy nhiên,
quá trình này thay đổi trạng thái nội tại với hạt nhân bia chuyển lên trạng thái kích
thích và hạt tới a thƣờng phát ra với năng lƣợng giảm, ký hiệu là a'.
Ví dụ: α +40Ca  α' +40Ca* hay 40Ca(α,α')40Ca*
Nếu hạt tới a là một hạt nhân phức tạp (ion nặng) thì nó có thể chuyển sang trạng
thái kích thích thay cho hạt nhân bia hoặc cả hạt tới và hạt nhân bia đều bị kích thích.
12


Ví dụ 12C +208Pb  12C*+208Pb* hay 208Pb(12C,12C*)208Pb*
c. Phản ứng biến đổi hạt nhân
Phản ứng biến đổi hạt nhân hay còn gọi là phản ứng hạt nhân thực sự là quá trình
tƣơng tác tạo ra các hạt ở kênh ra khác các hạt ở kênh vào, nghĩa là các hạt sau phản
ứng b và B khác các hạt trƣớc phản ứng a và A:
a+A  b + B

hay A(a,b)B

(1.4)

Nhiều trƣờng hợp cùng một kênh vào có các kênh ra phản ứng khác nhau hoặc
kênh vào khác nhau nhƣng có cùng sản phẩm phản ứng.
Ví dụ: p + 7Li  7Be + n và p + 7Li  2α
hoặc p + 63Cu  63Zn + n và α + 60Ni  63Zn + n
Trong thực tế có nhiều loại phản ứng biến đổi hạt nhân nhƣ: phản ứng với hạt tích
điện, phản ứng với ion nặng, phản ứng bắt nơtron, phản ứng chuyển đổi, phản ứng
quang hạt nhân,...Bởi vậy tên gọi “phản ứng hạt nhân” dành cho cả quá trình tán xạ
đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và quá trình phản ứng thực sự.
1.1.3. Các định luật bảo toàn trong phản ứng
Phản ứng hạt nhân a+A  b + B tuân thủ các định luật bảo toàn sau đây:
a. Bảo toàn điện tích
Định luật bảo toàn điện tích yêu cầu tổng số điện tích trƣớc phản ứng phải bằng
tổng số điện tích sau phản ứng, tức là:
Za + ZA = Zb + ZB

(1.5)

Trong đó Za , ZA , Zb , ZB lần lƣợt là điện tích của các hạt a, A, b, B.
b. Bảo toàn số nucleon
Định luật bảo toàn số nucleon yêu cầu tổng số các nucleon trƣớc và sau phản ứng
phải bằng nhau.
Aa + AA = Ab + A B

(1.6)

Trong đó Aa , AA , Ab , AB lần lƣợt là số nucleon của các hạt a, A, b, B.
c. Bảo toàn năng lƣợng
Định luật bảo toàn năng lƣợng yêu cầu tổng số năng lƣợng của các thành phần
trƣớc phản ứng phải bằng tổng số năng lƣợng của các thành phần sau phản ứng.
(mac2+ Ea) + (mAc2 + EA) = (mbc2 + Eb) + (mBc2 + EB)

(1.7)

Trong đó ma, mA, mb, mB; mac2, mAc2, mbc2, mBc2 và Ea, EA, Eb, EB lần lƣợt là khối
lƣợng, năng lƣợng tĩnh và động năng của các hạt a, A, b, B.
d. Bảo toàn động lƣợng
13


Định luật bảo toàn động lƣợng yêu cầu tổng số động lƣợng của các thành phần
trƣớc phản ứng phải bằng tổng số động lƣợng của các thành phần sau phản ứng.




pa + pA = pb + pB
   
Trong đó p a , p A , p b , p B lần lƣợt là động lƣợng của các hạt a, A, b, B.

(1.8)

1.1.4. Năng lƣợng của phản ứng
Định luật bảo toàn năng lƣợng toàn phần cho phản ứng (1.1) đƣợc viết dƣới dạng:
M A c 2  K A  Ma c 2  K a  M B c 2  K B  M b c 2  K b

(1.9)

với Mi và Ki là khối lƣợng nghỉ và động năng của hạt i, c là vận tốc ánh sáng trong
chân không. Năng lƣợng phản ứng, kí hiệu là Q, đƣợc xác định nhƣ sau:
Q   MA  Ma    MB  Mb  c2

(1.10)

Kết hợp với (1.9), biểu thức tính Q đƣợc viết dƣới dạng khác:
Q   KB  Kb    KA  Ka 

(1.11)

Nếu Q > 0, phản ứng (1.1) là phản ứng tỏa nhiệt (tỏa năng lƣợng): năng lƣợng nghỉ
và năng lƣợng liên kết của các hạt nhân ban đầu chuyển thành động năng của sản
phẩm.
Nếu Q < 0, phản ứng (1.1) là phản ứng thu nhiệt (thu năng lƣợng): động năng ban
đầu của hạt tới chuyển thành năng lƣợng nghỉ và năng lƣợng liên kết của các sản
phẩm.
Nếu Q  0, phản ứng (1.1) là quá trình tán xạ đàn hồi: năng lƣợng nghỉ (hay khối
lƣợng của các hạt) cũng nhƣ tổng động năng trƣớc và sau phản ứng đƣợc bảo toàn.
1.1.5. Động học của phản ứng
Xét phản ứng (1.1) trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm. Hạt nhân bia (hạt nhân A)
coi nhƣ đứng yên (năng lƣợng chuyển động nhiệt rất nhỏ so với các năng lƣợng khác
trong phản ứng hạt nhân). Gọi mặt phẳng phản ứng là mặt phẳng tạo bởi đƣờng đi của
hạt tới và của một sản phẩm. Theo định luật bảo toàn xung lƣợng thì pa  pB + pb, nhƣ
vậy đƣờng đi của sản phẩm còn lại cũng sẽ nằm trong mặt phẳng này (Hình 1.1).

14


pb
q

pa

pa
pB

Hình 1.1. Định luật bảo toàn xung lượng trong phản ứng a + A  b +B
Dựa vào định lý hàm số cosin trong tam giác, định luật bảo toàn xung lƣợng có thể
viết lại nhƣ sau:
p2B  pa2  p2b  2pa pb cos q

(1.12)

Mặt khác, theo lý thuyết cổ điển thì giữa năng lƣợng và xung lƣợng có mối liên hệ
là p2  2MK, khi đó phƣơng trình (1.12) trở thành:
MBK B  Ma K a  Mb K b  2 Ma Mb K a K b cos q

(1.13)

Kết hợp (1.11) và (1.12) ta có:
2 Ma M b K a K b
 M 
 M 
Q  1  b  K b  1  a  K a 
cos q
M
M
M
B 
B 
B



(1.14)

Nếu một phản ứng đã biết khối lƣợng của các hạt ban đầu và khối lƣợng các sản
phẩm thì năng lƣợng phản ứng có thể tính theo công thức (1.10). Còn với phản ứng
mà khối lƣợng của một sản phẩm chƣa biết thì thông qua việc đo đƣợc động năng hạt
tới và hạt phát ra (Ka và Kb) cùng với góc q giữa chúng, phƣơng trình (1.14) chỉ còn
chứa một ẩn là Mb hoặc MB. Khi đó, thay Q này vào (1.10) ta có thể tính đƣợc khối
lƣợng của sản phẩm đó.
Phƣơng trình (1.13) cũng có thể viết lại đƣợc dƣới dạng phƣơng trình bậc hai của
Kb

nhƣ sau:
 Ma M b K a

M Q  K a  MB  Ma 
Kb  2 
cos q K b  B
0
MB  Mb
 M B  M b


u

Đặt

(1.15)

M Q  K a  M B  Ma 
Ma M b K a
cos q ;   B
MB  Mb
MB  Mb

thì nghiệm của (1.14) có dạng:
K(q)  u  u 2  

15

(1.16)


Biểu thức (1.15) cho ta giá trị động năng của hạt b phát ra theo góc q. Biểu thức
này cũng có thể áp dụng cho hạt nhân dƣ B bằng cách thay chỉ số b bằng chỉ số B. Để
biểu thức dƣới dấu căn của (1.15) có nghĩa thì:
u2    0

Với phản ứng tỏa nhiệt ta luôn có  > 0, do đó u2 +  > 0. Với phản ứng thu nhiệt,
nếu  < 0 thì Ka phải lớn hơn một giá trị nào đó để u2 +   0 và phản ứng có thể xảy
ra. Giá trị nhỏ nhất của Ka đƣợc xác định bằng biểu thức:
u2    0
Ma M b K a

Hay

 MB  Mb 

2

cos 2 q 

M BQ  K a  M B  M a 
0
MB  Mb

(1.17)

Với q  0 (hai hạt B và b chuyển động cùng hƣớng), Ka đạt giá trị nhỏ nhất và bằng
ngƣỡng của phản ứng thu nhiệt:
K th  Q

Mb  MB
Mb  MB  Ma

(1.18)

Mặt khác, có thể viết lại (1.3) dƣới dạng:
Ma  M A  M b  M B 

Q
c2

(1.19)

2

Khi đó, trong trƣờng hợp MB >> Q/c thì biểu thức (1.18) đơn giản thành:
K th  Q

M A  Ma
MA

(1.20)

1.2. Hạt nhân hợp phần, hạt nhân kích thích
1.2.1. Phản ứng hạt nhân- Hạt nhân hợp phần
* Cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần
Đối với cơ chế phản ứng hạt nhân hợp phần, các hạt tham gia tƣơng tác (a và A)
tạo nên hạt nhân hợp phần C và sau đó hạt nhân hợp phần này phân rã thành các hạt
thứ cấp ( b và B )
a + A  C và C  b + B

(1.21)

N. Bohr giả thuyết rằng, 2 giai đoạn tạo nên hạt nhân hợp phần C và phân rã hạt
nhân này là độc lập với nhau. Khả năng phân rã hạt nhân hợp phần không phụ thuộc
vào cách tạo nên hạt nhân hợp phần mà chỉ phụ thuộc vào năng lƣợng, mômen động
lƣợng và tính chẵn lẻ của hạt nhân này. Điều này có thể minh họa bằng thời gian xảy
ra phản ứng hạt nhân qua giai đoạn hạt nhân hợp phần. Nếu hạt nhân có kích thƣớc cỡ
16


10-12 cm và hạt vào bay qua hạt nhân với tốc độ 1010 cm/s thì thời gian để hạt đó đi
qua hạt nhân là 10-12 /1010 = 10-22 sec . Thời gian này gọi là thời gian đặc trƣng của
hạt nhân. Đối với phản ứng hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần có thể tồn tại hàng
triệu hay hàng tỷ lần lâu hơn thời gian đặc trƣng nói trên trƣớc khi phân rã thành các
hạt thứ cấp. Chính vì vậy mà hạt nhân hợp phần, khi phân rã, “quên” mất cách mình
đƣợc tạo nên [2; tr80].
Tƣơng tác giữa các nucleon trong hạt nhân nguyên tử rất mạnh nên khi hấp thụ một
nơtron thì năng lƣợng của hạt tới đƣợc phân bổ một cách nhanh chóng trong toàn hạt
nhân. Hạt nhân sau đó trở thành trạng thái kích thích trong khoảng thời gian 10-14-10-15
s. Có thể nói hạt nhân đã bắt neutron và trở thành hạt nhân hợp phần [13, tr3].

Các hạt nhân hợp phần này bị kích thích mạnh do năng lƣợng liên kết của
nơtron, cộng thêm động năng của nó. Năng lƣợng kích thích đƣợc giải phóng bằng
cách phát ra các hạt nhƣ (p, n, 2n, d, α…) hoặc bức xạ điện từ (γ). Mỗi quá trình có
một xác suất nhất định và độc lập với sự hình thành nên hạt nhân hợp phần (do sự
phân bố rất nhanh của năng lƣợng tới trên tất cả các nucleon), tuy nhiên xác suất đó
lại phụ thuộc vào mức kích thích.
Ta có thể viết một cách tổng quát nhƣ sau:

a  A  C*
C *  B1  b1  Q1
Hay
trong đó

C *  B2  b2  Q2 ...

(1.22)

C* : Hạt nhân hợp phần
a, A : Hạt/bức xạ tới và hạt nhân bia
Q : Nhiệt lƣợng tỏa ra sau phản ứng

Xác suất các phản ứng sau khi nơtron bị bắt là σ(n,α), σ(n,p), σ(n,γ),…Vậy
σ(n,x) chính là xác suất của phản ứng bắt 1 nơtron và hạt nhân hợp phần phát ra
hạt/bức xạ nào đó.
1.2.2. Trạng thái kích thích
Xem xét các mức kích thích của hạt nhân hợp phần có thể phân biệt đƣợc các trạng
thái liên kết mà năng lƣợng của nó nhỏ hơn năng lƣợng liên kết của các nucleon liên
kết yếu nhất và từ đó mà hiện tƣợng giải phóng kích thích xảy ra khi phát ra tia
gamma hay các nucleon. Cùng với sự tăng năng lƣợng kích thích thì mật độ mức
cũng tăng.
17


Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các mức kích thích này đƣợc tìm thấy trong khi
bắt nơtron của các nucleon. Hạt nhân hơp phần C* đƣợc hình thành có một mức năng
lƣợng kích thích tƣơng ứng với sự khác biệt về khối lƣợng của phản ứng a+A→C*
cộng thêm động năng của các nơtron bị bắt (hình 1.3).

Hình 1.2. Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần
Năng lƣợng tổng trên có thể trùng khớp tuyệt đối với mức năng lƣợng đang có của
hạt nhân hợp phần. Trong trƣờng hợp này, phản ứng sẽ xảy ra với suất lƣợng cao
(cộng hƣởng). Từ năng lƣợng cộng hƣởng này, có thể tính toán đƣợc các mức năng
lƣợng hạt nhân.
Nhƣ đã đề cập, giải phóng năng lƣợng kích thích từ một mức năng lƣợng đã biết có
thể diễn ra theo một vài cách: phát ra hạt (p, n, α…) hoặc một photon. Xác suất xảy ra
của mỗi quá trình này có thể đƣợc biểu diễn nhƣ là các độ rộng mức riêng phần:
 ,  p , n ,  ...

     p  n    ...

Xác suất tƣơng đối khi phát α, p, n, γ là:
18

(1.23)


 / ,  p / , n / ,  / ...

(1.24)

Xác suất tổng cộng σ(n, x) cho phản ứng (n, x):
 (n, x)   C  x / 

(1.25)

trong đó σc : xác suất tạo thành hạt nhân hợp phần, Гx/Г: đã đƣợc định nghĩa ở
công thức (1.24).
1.3. Nhiệt hóa Nơtron
1.3.1. Nơtron
đƣợc tạo nên bởi các proton và nơtron. Trong đó, A là

Hạt nhân nguyên tử

số khối (A=Z+N), Z là số proton và N là số nơtron. Tổng số khối A là số khối lƣợng,
gần bằng khối lƣợng hạt nhân đƣợc biểu thị trong đơn vị khối lƣợng nguyên tử
1.660×10-27 kg. Proton là hạt mang điện tích dƣơng đơn vị bằng +1.6×10-19 C và có
khối lƣợng là 1.6726×10-27 kg hay 938.279 MeV. Nơtron không có điện tích, khối
lƣợng của nó bằng 1.675×10-17 kg hay 989.573 MeV, tức là lớn hơn khối lƣợng của
proton.
Proton là hạt cơ bản bền còn nơtron chỉ bền trong hạt nhân bền vững. Quá trình
phân rã của nơtron trong hạt nhân bền vững bị cấm về mặt năng lƣợng vì khi phân rã
cần thắng năng lƣợng liên kết trong hạt nhân. Ở trạng thái tự do, nơtron phân rã với
thời gian bán rã là 11.7 phút theo sơ đồ phân rã β nhƣ sau:
n→ p + e- + ̅
trong đó e- là electron còn ̅ là phản notrino. Tuy nhiên, sự không bền của nơtron tự
do không đóng vai trò quan trong khi nghiên cứu các quá trình vật lý của nơtron.
1.3.2. Đặc điểm của các nơtron nhiệt
Các nơtron nhiệt chuyển động trong trạng thái cân bằng nhiệt với các phân tử môi
trƣờng. Mật độ nơtron nhiệt phụ thuộc vào năng lƣợng nơtron theo quy luật MaxwellBoltzmann:

n(E)=



Trong đó, N=∫

( )



(1.26)

; k=8,61×10-5 eV/K là hằng số Boltmann và T là nhiệt độ

môi trƣờng. Do năng lƣợng E và vận tốc của nơtron liên hệ với nhau theo biểu thức
E=mv2/2 nên biểu thức (1.26) có thể viết lại nhƣ sau:

n(E)=



(

( )
19

)

(1.27)


Với vT=√

là vận tốc có xác xuất lớn nhất. Theo phân bố (1.26), năng lƣợng có

xác suất lớn nhất

còn năng lƣợng trung bình là

. Tuy nhiên ngƣời ta coi năng

lƣợng nhiệt là năng lƣợng ứng với vận tốc có xác suất lớn nhất theo biểu thức (1.27).
Năng lƣợng này bằng kT và đƣợc coi là thông số của phân bố Maxwell theo năng
lƣợng. Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm T = 2930K thì vT = 2200m/sec và năng lƣợng
nơtron nhiệt bằng ET = 0.025eV [3].
Tuy nhiên, thực tế năng lƣợng trung bình của nơtron nhiệt lớn hơn một ít so
với năng lƣợng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử môi trƣờng. Điều
đó có nghĩa rằng các nơtron thực tế không đạt đƣợc sự cân bằng nhiệt với môi trƣờng.
Đó là do sự hấp thụ liên tục của nơtron trong môi trƣờng, sự hấp thụ càng mạnh khi
vận tốc của nó càng thấp.
1.3.3. Cơ chế làm chậm nơtron
Khi tán xạ đàn hồi lên các hạt nhân chất làm chậm, nơtron truyền một phần
năng lƣợng của mình cho các hạt nhân và mất dần vận tốc, nghĩa là đƣợc làm chậm.
Quá trình làm chậm nơtron đóng vai trò quan trọng vì độ dày của chất làm chậm
đƣợc sử dụng trong thí nghiệm [3].
Xét quá trình tán xạ đàn hồi của nơtron khối lƣợng 1, vận tốc v lên hạt nhân đứng
yên có khối lƣợng A. Sau va chạm nơtron có vận tốc v' và hạt nhân có vận tốc V'.
Trong hệ tâm quán tính (hình 1.3), nơtron và hạt nhân có vận tốc trƣớc va chạm là v1
và V1, sau va chạm là v1' và V1'.
V'
v'
v

v1

θ

V1

q1

v'1
V'

Hình 1.3. Sơ đồ tán xạ đàn hồi của nơtron lên hạt nhân trong hệ tọa độ phòng thí
nghiệm (a) và hệ tọa độ tâm quán tính (b)
Vận tốc tâm quán tính là Vc =

, do đó vận tốc nơtron trƣớc va chạm trong

hệ tâm quán tính là:
v1= v - Vc =

v.

Do tổng động lƣợng trong hệ tâm quán tính bằng 0 nên:
20


v1 = AV1, từ đó V1 =

v.

Từ biểu thức bảo toàn năng lƣợng trong hệ tâm quán tính
và v1'=AV1'
Ta có,

v1'=

v

và V1' =

v

Các vận tốc nơtron trong hệ tọa độ phòng thí nghiệm và hệ tọa độ tâm quán tính
liên hệ với nhau theo biểu thức:
⃗⃗⃗⃗



⃗⃗⃗⃗⃗

hay: v'2=

2Vc v'1 cosθ1

trong đó θ1 là góc bay của nơtron trong hệ tâm quán tính.
(

)

(

)

Từ đó ta có tỷ số động năng nơtron sau va chạm so với trƣớc va chạm nhƣ sau:
(

)

hay
cosθ1

(1.28)

Trong đó

ε =(

Khi θ1=0, cosθ1= 1 thì

)2

(1.29)

= 1, tức là nơtron không thay đổi năng lƣợng khi va

chạm. Hay độ mất năng lƣợng của nơtron bằng 0.

Khi θ1= π, cosθ1= -1 thì

= ε, tức là nơtron thay đổi năng lƣợng khi va chạm từ

E sang E'= εE. Độ mất năng lƣợng nơtron đạt cực đại và bằng E-E' = (1-ε) E.
Nhƣ vậy, sau khi va chạm đàn hồi, nơtron có năng lƣợng E' thỏa mãn điều kiện:
ε E ≤ E' ≤ E
* Tham số va chạm δ

21


Để biểu diễn độ mất năng lƣợng khi va chạm đàn hồi, ngƣời ta dùng tham số va
chạm hay độ mất năng lƣợng logarit trung bình:

̅̅̅̅̅

δ=

(1.30)

Ở đây, phần gạch ngang là ký hiệu việc lấy trung bình theo số các nơtron tham gia
tán xạ. Giả sử có N nơtron tán xạ tại điểm P trong hệ tâm quán tính và tán xạ đẳng
hƣớng (hình 1.4).
Khi đó số nơtron tán xạ trong khoảng góc θ1 đến θ2 là:
dN=2πN sinθ1 dθ1.
Theo định nghĩa của δ ta có:
δ=

∫ ln



dN =

lnx dx, với x=

do đó: δ = 1 +

(1.31)

dS=2πsinq1dq1
dθ1
N nơtron

P

θ1

Hình 1.4. Sơ đồ tính δ
Với A >>1 công thức (1.38) sẽ có dạng gần đúng nhƣ sau:
δ=
δ-1=

(1.32)

+ +

(1.33)

Các biểu thức (1.32) - (1.33) cho thấy tham số làm chậm δ không phụ thuộc vào
năng lƣợng nơtron mà chỉ phụ thuộc vào đại lƣợng ε = (

)2 nghĩa là vào số khối

lƣợng của hạt nhân chất làm chậm.
* Lethargy
Lethargy là hàm phụ thuộc năng lƣợng E của nơtron theo biểu thức sau:
22


U(E)=ln

(1.34)

E0 là năng lƣợng ban đầu của nơtron sinh ra
E là năng lƣợng của nơtron sau khi đƣợc làm chậm
* Số va chạm S
Là số va chạm cần thiết để làm chậm nơtron từ năng lƣợng E1 đến năng lƣợng E2
là:
S (E1, E2) = δ-1 ln

(1.35)

Nếu dùng khái niệm của lethargy ta đƣợc:
S(E1, E2)= δ-1 ×ln

= δ-1 ×(ln

-ln

)

(1.36)

Từ các công thức (1.30), (1.32), (1.33), (1.34) và (1.35) ta thấy rằng khi khối lƣợng
của các hạt nhân tăng thì δ giảm và do đó số va chạm cần thiết để chuyển từ nơtron
nhanh đến nơtron nhiệt tăng. Bởi vậy, ta thấy rằng các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm
chậm tốt hơn hạt nhân nặng [3; tr41].
Trong thí nghiệm xác định tiết diện bắt nơtron nhiệt của

108

Pd đã sử dụng chùm

nơtron đƣợc tạo ra trên máy gia tốc electron tuyến tính và đƣợc nhiệt hóa trong cột
nƣớc cao 5 cm. Giả sử năng lƣợng của nơtron sinh ra là E0=2 MeV và đƣợc làm chậm
đến nơtron nhiệt có năng lƣợng là ET=0.025 eV, thông số δ= 0.948 thì số va chạm cần
thiết ST là:

ST=S(E0, ET)= δ-1 ×ln

≈ 18,2 (va chạm)

Bảng 1.1. Các thông số đối với một số chất làm chậm
Chất làm

Mật độ γ

N

chậm

(g/cm3)

1024/cm3

H2O

1

D2O

δ

ST

δ Σs

δ Σs/Σa

0.0335

0.948

~18.2

1.350

61

1.1

0.0331

0.570

31.8

0.188

5700

Be

1.85

0.1236

0.209

86

0.155

125

BeO

3

0.0728

0.173

105

0.120

170

C

1.6

0.0803

0.158

114

0.061

205

Tuy nhiên, để xét tính chất làm chậm của vật chất, cần tính đến tiết diện tán xạ và
hấp thụ nơtron. Các tính chất trên đƣợc thể hiện qua các đại lƣợng sau đây:
23


Khả năng làm chậm: δ Σs

(1.37)

Hệ số làm chậm: δ Σs/Σa

(1.38)

Trong đó, Σs = Nσs và Σa =Nσa là các tiết diện vĩ mô tán xạ và hấp thụ nơtron, N là
mật độ các hạt nhân của chất làm chậm. Biểu thức (1.37) cho thấy khả năng làm chậm
càng lớn khi δ và Σs càng lớn, khi đó nơtron càng nhanh chóng đƣợc làm chậm. Mặt
khác, vật chất càng ít hấp thụ nơtron, tức là Σa càng bé thì nơtron đƣợc làm chậm mà
ít hấp thụ trong quá trình làm chậm. Do đó, hệ số làm chậm δ Σs/Σa đặc trƣng cho tính
chất làm chậm của môi trƣờng. Đại lƣợng này càng lớn, chất làm chậm càng tốt.
Trong bảng 1.1 dẫn ra các giá trị δ Σs và δ Σs/Σa đối với một số chất làm chậm. Từ
bảng này ta thấy rằng nƣớc nặng có hệ số làm chậm lớn nhất, đó là vật liệu làm chậm
tốt nhất. Tuy nhiên, do giá thành cao nên nƣớc nặng ít đƣợc sử dụng để làm chậm
nơtron một cách đại trà, mà chỉ sử dụng trong những trƣờng hợp cần thiết. Thực tế,
ngƣời ta hay sử dụng nƣớc (nƣớc thƣờng) để làm chậm nơtron, tuy nƣớc không có hệ
số làm chậm cao song giá thành rẻ, dễ sản xuất, dễ sử dụng và đồng thời đóng vai trò
tải nhiệt. Bởi vậy, nƣớc đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều thí nghiệm vật lý nghiên
cứu sử dụng nơtron làm chậm cũng nhƣ lò phản ứng.
* Góc tán xạ trung bình của nơtron
Góc tán xạ trung bình của nơtron lên chất làm chậm đƣợc tính bởi công thức:
̅̅̅̅̅̅=

(1.39)

Với Hydro (A=1), xuất hiện sự tán xạ bất đẳng hƣớng về phía trƣớc rõ rệt vì
̅̅̅̅̅̅=0,666 và ̅ =480 [3, tr51].
* Độ dài làm chậm
Độ dài làm chậm là độ dài quãng đƣờng mà nơtron đi đƣợc trong chất làm chậm để
năng lƣợng E0 ban đầu của nơtron giảm xuống năng lƣợng ET, ta gọi τT là tuổi nơtron
nhiệt, thì đại lƣợng √

đƣợc gọi là độ dài làm chậm.

Đối với chất làm chậm là nƣớc, năng lƣợng E0= 2MeV, ET=0,025 eV, τT=27 cm2,
suy ra độ dài làm chậm sẽ là: √

[3, tr62].

1.3.4. Tƣơng tác của nơtron với vật chất
Do nơtron không mang điện tích nên khi đi vào môi trƣờng vật chất, nơtron tƣơng
tác rất yếu với các electron. Tƣơng tác của nơtron chủ yếu với hạt nhân. Tƣơng tác
của nơtron với vật chất thông qua 2 quá trình là tán xạ và hấp thụ, trong đó bao gồm
các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và các phản ứng hạt nhân.
24


Khi một hạt nơtron chuyển động tới và va chạm với một hạt nhân bia thì có sự trao
đổi động năng giữa chúng tuân theo định luật bảo toàn năng lƣợng và xung lƣợng.
Nếu thế năng của hệ không thay đổi, thì động năng sẽ đƣợc bảo toàn trong suốt quá
trình va chạm. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là tán xạ đàn hồi.
Tán xạ là không đàn hồi khi nơtron tới tƣơng tác và bị bắt bởi hạt nhân bia sau đó
hạt nhân bia trở thành hạt nhân hợp phần hay trạng thái kích thích sau va chạm. Trong
suốt một quá trình va chạm không đàn hồi với 1 hạt nơtron bắn phá vào thì hạt nhân
bia sẽ thể hiện một vài hiện tƣợng nhƣ sau [13, tr3]:
1. Hạt nhân bia bị kích thích tới một mức năng lƣợng cao hơn. Sau đó nó trở về
trạng thái cơ bản bằng việc phát ra một hay nhiều photon.
2. Nơtron tới bị bắt và hình thành hạt nhân hợp phần. Do khối lƣợng của hạt nhân
hợp phần này nhỏ hơn tổng khối lƣợng của các hạt nhân ban đầu và hạt tới nên
photon hay còn gọi là tia gamma tức thời đƣợc phát ra với năng lƣợng chính bằng
tổng năng lƣợng liên kết của nơtron với động năng của nơtron tới. Đây chính là hiện
tƣợng bắt nơtron.
3. Nơtron tới bị bắt và các hạt sơ cấp khác đƣợc phát ra…đó là các phản ứng nhƣ
(n,p), (n,α), (n,n’), (n,2n)…
Phản ứng bắt nơtron
Khi hạt nhân hấp thụ (bắt) nơtron nhiệt (năng lƣợng 0.025 eV) sẽ tạo thành hạt
nhân hợp phần ở trạng thái kích thích. Năng lƣợng kích thích bằng tổng năng lƣợng
liên kết của nơtron và động năng của nơtron tới [1, tr2]:
E*= En + ∆E

(1.40)

trong đó: E* : Năng lƣợng kích thích của hạt nhân hợp phần,
En : Động năng nơtron tới,
∆E : Năng lƣợng liên kết của nơtron với hạt nhân bia
Hạt nhân hợp phần có thể phát ra một hoặc vài tia gamma có năng lƣợng cao (~78 MeV) để trở về trạng thái cơ bản nhƣ đƣợc mô tả trên hình 1.5. Các tia gamma này
đặc trƣng cho từng hạt nhân. Quá trình từ khi bắt nơtron tới khi phát ra tia gamma
diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn (10-18- 10-15 giây) nên bức xạ gamma này
đƣợc gọi là bức xạ gamma tức thời.
Sau khi phát bức xạ gamma tức thời, hạt nhân hợp phần có thể trở thành hạt nhân
bền hoặc hạt nhân phóng xạ tiếp tục phân rã beta và phát ra các tia gamma trễ với chu

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×