Chương IV VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
3. Phân rã bêta (β) và nơtrino
Đó là một quá trình hạt nhân xảy ra trong đó điện tích Ze của hạt nhân thay đổi nhưng số nuclon không đổi. Phân rã bêta phổ biến là phân rã bêta trừ (β-) đó chính là chùm tia electron, ví dụ khi hạt nhân phát ra một electron (e-) ; phân rã hiếm gặp hơn là phân rã bêta cộng (β+), còn gọi là electron dương (e+) hay pôzitron (pôditon), ví dụ khi hạt nhân phát ra một pôzitron cùng khối lượng và cùng độ lớn điện tích với electron) ; và phân rã cũng xây ra khi hạt nhân bắt một electron ở vỏ trong của vỏ nguyên tử (gọi tắt là bắt electron). Trong mỗi trường hợp đó, một prôton biến thành một nơtron và ngược lại.
Trong các sản phẩm của mỗi hiện tượng phân rã trên đây đều có xuất hiện kèm theo một hạt phụ - đó là nơtrino (v). Nơtrino không mang điện tích, có khối lượng nghỉ bằng 0, spin bằng 1/2, vận tốc bằng vận tốc ánh sáng c. Các nơtrino chỉ tương tác rất yếu với vật chất, vì thế cực kỳ khó phát hiện.
Sự tồn tại của nơtrino được Paoli đưa ra giả thiết vào năm 1930. Ví dụ phân rã bêta của một nơtron có dạng:
Nhưng mãi đến năm 1953 Conan và Riens mới phát hiện ra nơtron bằng thực nghiệm trong các lò phản ứng hạt nhân có công suất lớn. Việc giả thiết vế sự tổn tại của nơtrino là nhằm đảm bảo tính đúng đắn của các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Nếu nơtrino không tồn tại với tư cách là một sản phẩm kèm theo trong phân rã, thì trong quá trình phân rã thành hai hạt,
hạt electron sẽ có năng lượng xác định như trường hợp phân rã anpha và khi đó định luật bảo toàn năng lượng bị vi phạm. Vì theo thực nghiệm phổ năng lượng, các hạt β phát ra là liên tục từ 0 và bị giới hạn bởi một giá trị cực đại Wmax (xem hình 4-2). Trục hoành mô tả năng lượng các hạt β, trục tung mô tả số hạt β phát ra trong một đơn vị thời gian ; đường cong biểu diễn phổ năng lượng β. Giá trị của Wmax đúng bằng năng lượng do hạt nhân giải phóng khi phân rã và phụ thuộc vào loại hạt nhân phóng xạ Wmax = Q (ví dụ đối với phân rã β- của 14C thì Wmax = 0,155 MeV, đối với phân rã β+ của 13N thì Wmax = 1, 85 MeV, ... ) .
So sánh với thực nghiệm ta thấy rằng năng lượng Wβ của hạt β phát ra bao giờ cũng nhỏ hơn năng lượng Wmax được giải phóng. Vậy phần năng lượng ΔW = Wmax - Wβ đã biến đi đâu? Để định luật bảo toàn năng lượng không bị vi phạm, chúng ta thừa nhận rằng phần năng lượng ΔW = Wmax - Wβ không mất đi đâu mà chính là do hạt nơtrino hay phản nơtrino mang đi. Vì có thêm hạt nơtrino (v) hay hạt phản nơtrino v kèm theo nên năng lượng Wmax do hạt nhân giải phóng khi phân rã được phân phối liên tục theo những tỷ lệ thay đổi giữa hạt β và hạt nơtrino. Đôi khi electron chiếm hầu hết năng lượng đó, đôi khi nơtrino lại chiếm hầu hết năng lượng đó. Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, tổng năng lượng của electron và của nơtrino luôn bằng Wmax không đổi.
Ngoài ra, do hạt ban đầu có spin bằng l/2, việc tạo ra hai hạt mà spin mỗi hạt là 1/2 sẽ mâu thuẫn với định luật bảo toàn mômen động lượng. Nói cách khác, định luật bảo toàn spin bị vi phạm. Theo cơ học lượng tử thì mọi quá trình biến đổi của hệ vi mô đều phải tuân theo định luật bảo toàn spin, nghĩa là spin của hệ trước và sau khi biến đổi hoặc đều là nguyên hoặc đều là bán nguyên (không có sự chuyển từ hệ nọ sang hệ kia và ngược lại). Nếu quá trình phân rã β không kèm theo phát ra nơtrino thì spin của hệ trước và sau phân rã không được bảo toàn:
Để spin của hệ vẫn được bảo toàn, đòi hỏi trong sự biến đổi prôton thành nơtron có hạt nơtrino (v) bay ra và trong sự biến đổi nơtron thành prôton có hạt phản nơtrino (v) bay ra:
Bán nguyên Bán nguyên
Bán nguyên Bán nguyên.
Trong thực tế có hai loại hạt nơtrino: hạt nơtrino (v) và hạt phản nơtrino (v). Quá trình phân rã β- phát ra hạt phản nơtrino, còn quá trình phân rã β+ phát ra hạt nơtrino.
Một quá trình phân rã β- nói chung được biểu diễn dưới dạng:
Ví dụ:
ở đây một nơtron đã biến thành một prôton.
Trong quá trình phân rã β+ với việc phát ra một pôzitron, ta có dạng:
ở đây một prôton đã biến thành một nơtron.
Ví dụ:
Trong một hệ quy chiếu mà hạt nhân đứng yên, với cả hai quá trình phân rã bêta (khối lượng me = me+ )' theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
tương ứng với một năng lượng phân rã:
Xét quá trình bắt electron:
Khi thột electron ở vỏ trong (thường là ở vỏ K) bị hạt nhân bắt, quá trình bắt electron không xảy ra việc phát xạ các hạt mang điện, mà chỉ kèm theo việc phát ra một nơtrino và tiếp đó phát ra các phôton tia X do electron vành người chuyển về mức năng lượng bị trống. Các tia X được phát ra là từ hạt nhân con chứ không phải là từ hạt nhân mẹ, vì rằng chúng được tạo ra sau quá trình bắt electron. Trong quá trình bắt electron một prôton biến thành nơtron. Một quá trình bắt electron được biểu diễn theo dạng:
Ví dụ:
Chúng ta cần nhấn mạnh rằng, một hạt nhân được tạo thành chỉ bởi các prôton và các nơtron, cho nên sau quá trình phân rã bêta hay bắt electron thì các hạt electron hay pôzitron không tồn tại trong hạt nhân như tư cách là các hạt cấu thành hạt nhân, mà việc sản sinh ra hoặc hấp thụ electron hay pôzitron chỉ kéo theo việc sắp xếp lại các nuclon trong hạt nhân vào một trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái bền vững hơn) bằng việc biến đổi một prôton thành một nơtron hay ngược lại.
Nhận xét về tính chất chung của các tia phóng xạ:
Các tia phóng xạ có những tính chất chung sau đây: chúng có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ton hóa chất khí, xuyên thâu qua vật chất. Ví dụ, tia α ion hóa chất khí mạnh nhất nhưng xuyên thâu kém (chỉ đi qua lớp không khí dày 8 cm, mà không xuyên qua được lớp giấy dày 1 mm ; tia β ion hóa chất khí kém hơn nhưng xuyên thâu mạnh hơn (tia β có thể bay trăm mét trong không khí, xuyên qua lớp giấy 1 mm nhưng không xuyên qua được tấm nhôm dày 2 mm) ; tia γ có thể coi là không có khả năng ion hóa chất khí nhưng lại xuyên thâu mạnh nhất (dễ dàng xuyên qua lớp chì dày 6 mm .
4-4. ĐỊNH LUẬT PHÂN RÃ PHÓNG XẠ. QUY TẮC DI CHUYỂN. HỌ PHÓNG XẠ, PHÓNG XẠ NHÂN TẠO. ỨNG DỤNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ