ĐÁP ÁN LÝ THUYẾT
VẬT LÝ NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN
Câu 1:
1.1.Thí nghiệm tán xạ hạt α của Rơdefo.
Cho chùm hạt α ( điện tích +, nặng ) bắn vào lá vàng, mỏng
Kết quả: Đa số nó đi qua, mốt số lẹch phương, một số ít bật ngược
trở lại
Chứng tỏ: mẫu bảnh hạt nhân là không phù hợp.
Trong nguyên tử: điện tích (+) tập trung tại một chỗ có điện trường
mạnh đó là hạt nhân.
Mẫu nguyên tử Rơdepho:
+ Mỗi nguyên tử có một hạt nhân tập trung toàn bộ điện tích (+) và
gần như toàn bộ khối lượng nguyên tử đứng yên ở giữa.
+ Các eelectron mang điện tích (-) chuyển động xung quanh.
1.2. So sánh sự khác nhau giữa hai giả thuyết về cấu tạo
nguyên tử của Rơdepho và Tômxơn:
………………….
Câu 2: Quy luật quang phổ nguyên tử Hiđrô:
Cuối thế kỷ 19: Bằng thực nghiệm người ta tìm được quang phổ
phát xạ của hiđrô là quang phổ vạch có 3 dãy thuộc vùng hồng ngoại, ánh
sáng nhìn thấy và tử ngoại.
- Việc giải thích quang phổ nguyên tử Hiđrô dựa trên các bước
chuyển quỹ đạo.
- 1885 Banme dựa trên kết quả thực nghiệm đã đưa ra công thức
Banme giải thích các vạch quang phổ trong dãy banme.
1 1 1
= R −
2 n: số nguyên > 2.
λ 2 n2
⇒ tìm được 3 vạch: Hα ( n=3 ) ứng với λ 0
max = 6564A
H ( n=4 ) ứng với λ = 4863A0
β β
Hγ ( n=5 ) ứng với λγ = …
R=1,096776.107 m−1 ( hằng số Ritbec )
Từ công thức Banme đi xây dựng các công thức tương tự với các dãy
khác:
1 1 1
+ Dãy Laiman ( tử ngoại ): = R − với n ∈ Z và n > 1.
2
λ 1 n2
1 1 1
+ Dãy Pasen ( thuộc vùng hồng ngoại): = R − với n ∈ Z
2
λ 3 n2
và n > 3.
1 1 1
+ Dãy Bracket và phun ( hồng ngoại xa): → = R − và
2
λ 4 n2
1 1 1
= R −
2
λ 5 n2
Tất cả các công thức trên có thể thống nhất thành một dạng chung
được gọi là công thức Banme:
1 1 1
= R
2 − với n k > ni ∈ Z
λ n n2
i k
Mỗi giá trị ni → 1 dãy
Mỗi giá trị n k → 1 dãy.
Câu 3:
3.1. Hai định đề của Bo:
Đề xuất năm 1913, nhà vật lí người Đan Mạch Bo (Bohr) đã đề ra
một lý thuyết mới về cấu trúc nguyên tử nhằm khắc phục nhứng mâu
thuẫn của mẫu hành tinh nguyên tử của Rơdepho. Thuyết của Bo được
phát biểu bằng hai định đề với ý nghĩa phải thừa nhận chúng như những
tiên đề trong toán học:
* Tiên đề 1: Tiên đề trạng thái dừng:
Nguyên tử chỉ tồn tại trong nhứng trạng thái dừng có năng lượng
xác định và gián đoạn hợp thành một chuỗi các giá trị E1,E 2,....,E n .
- Ở trạng thái dừng các electron không bức xạ năng lượng và chỉ
chuyển động trên các quỹ đạo tròn ( quỹ đâọ lượng tử) có bán kính thỏa
mãn điều kiện về giá trị của mômen động lượng:
L=nh=mvr ( điều kiện lượng tử hóa Bo)
h
h= ( hệ số Plăng rút gọn)
2π
* Tiên đề 2: Cơ chế hấp thụ và phát xạ của nguyên tử.
Nguyên tử chỉ hấp thu hay bức xạ năng lượng dưới dạng bức xạ
điện từ khi nó chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác
tương ứng với sự chuyển của electron từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo
dừng khác.
E −E
υ= i k
h
Với Ei và E k là năng lượng tương ứng với trạng thái đầu và trạng thái
cuối.
E > E → nguyên tử hấp thụ
i k
E < E → nguyên tử phát xạ
i k
3.2. ……………………
Câu 4: Thí nghiệm Đêvisơn và Giécmơ ( Da visson – Germer) nhằm
kiểm chứng giả thiết Đơ Brơi.
Ta đã biết hiện tượng nhiễu xạ là hiện tượng đặc trưng cho mọi
quá trình sóng và để chứng minh 1 quá trình sóng ta làm thí nghiệm nhiễu
xạ:
Năm 1927, ba năm sau khi có giả thiết Đơ Brơi, lần đầu tiên hai nhà
vật lí người Mỹ là Đêvisơn và Giécmơ ( Da visson – Germer) đã tiến hành
thành công một thì nghiệm nhằm kiểm chứng giả thiết Đơ Brơi.
Tạo ra ảnh nhiễu xạ của chùm electron chứng tỏ chùm electron có
tính chất sóng.
- Với chùm tia X – ta có: thí nghiệm nhiễu xạ trên tinh thể:
∂ψ h ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ + Uψ với
x ⇒ công thức Brắc: ⇒ ih =− + +
∂t 2m ∂x2 ∂y 2 ∂z 2
θ : góc trượt và n: bặc nhiễu xạ
Công thức Đơ Brơi: 1 chùm electron được tăng tốc trong điện
trường với điện thế V = 150v ⇔ chùm tia X ⇒ thí nghiệm về chùm
electron giống như thí nghiệm tia Rơnnghen.
Dùng màn quang hứng chùm electron nhiễu xạ trên tinh thể. Kết
quả, hình ảnh chùm electron giống như hình ảnh nhiễu xạ có cực đại và
cực tiểu;
Từ công thức Brắc: 2dSinθ =nλ (1)
12,25
Và Công thức Đơ Brơi: λ = (2)
V
2dSinθ
Từ (1) suy ra: λ = so sánh với (2) ta được:
n
2dSinθ 12, 25 12,25.n
= ⇒ V= = 11n ( θ = 150 )
n V 2dSinθ
Xác định sự tồn tại sóng Đơ Brơi, sự đúng đắn sóng Đơ Brơi →
Sóng Đơ Brơi chỉ thể hiện rõ hạt vi mô ( e, p, n …)
Các hạt khối lượng lớn hơn thì bước sóng tương ứng sẽ có
h
một giá trị vô cùng nhỏ ( λ = ): không có ý nghĩa gì để diễn tả tính chất
mv
sóng nữa.
Do vậy lưỡng tính sóng - hạt Đơ Brơi thực sự chỉ thể hiện ở
các hạt vi mô mà thôi.
Câu 5:
Năm 1925, nhà vật lý trẻ tuổi người Đức Haixenbec mà ngày nay
được coi là một trong những người sáng lập ra cơ học lượng tử, đã phát
biểu một nguyên lý làm nền tảng cho nhứng quy luật của thế giới vi mô.
Nguyên lý này thường được gọi là nguyên lý bất định Haixenbec có nội
dung như sau:
“ Không thể xác định đồng thời chính xác tọa độ và xung lượng của
một hạt ( vi mô ). Nếu tọa dộ x được xác định với độ chính xác ∆x và
thành phần xung lượng Px = mv x được xác định với độ chính xác ∆x thì tích
∆x∆p x có giá trị vào bậc ít nhất bằng hằng số Plăng:
∆x.∆p x ≥ h (2-11)
Để đi xây dựng hệ thức bất định haixenbec trên ta hãy đi minh họa
bằng một thí dụ. Xét thí nghiệm một chùm electron nhiễu xạ qua khe hẹp
(h.2.4). Trên màn đặt phía sau khe, ta thu được một ảnh nhiễu xạ gồm
một cực đại trung tâm có cượng độ tạo bởi phần lớn số electron của
chùm tới ( chiếm tỉ lên trên 80%) và nhứng cực đại phụ có cường độ nhỏ
hơn rất nhiều. Đó là hình ảnh phân bố của chum electron đã bị nhiễu xạ
sau khi qua khe. Ta không thể biết chắc chắn từng electron khi qua khe ở
vị trí nào, nói cách khác đã có một độ bất định về tọa độ của electron vào
bặc kích thước của khe, tức là ∆x = d
Hình vẽ
r
Mặt khác trước khi qua khe, chùm electron có xung lượng p không
đổi ( theo phương y). Sau khi nhiễu xạ, electron có thể chuyển động theo
những hướng khác nhau, tức là đã xuất hiện các thành phần p x của xung
lượng trên trục x, Theo hình ảnh nhiễu xạ, có thể nói electron phân bố
chủ yếu trong khoảng rộng của cực đại trung tâm. Xét một electron nào
đó rơi vào màn tại điểm M ứng với cực tiểu thứ nhất của nhiễu xạ. tại
điểm này electron đã thu được một thành phần xung lượng theo phương x
là p x = psin θ Như đã nói ở trên, chùm electron nhiễu xạ được coi là phân
bố giữa hai cực tiểu thứ nhất ở hai bên cực đại trung tâm, cho nên độ bất
định về thành phần xung lượng ∆p x có thể xem như đúng bằng:
∆p x = psin θ
Vị trí điểm M ứng với cực tiểu nhiễu xạ thứ nhất được xác định
bởi điều kiện:
h
dsin θ = λ =
p
Suy ra: dpsin θ = h
Hay ∆x.∆p x = h
Một cách chính xác hơn, ta phải kể thêm số electron phân bố bên
ngoài khoảng MN mặc dù tỉ lệ này rất nhỏ. Khi đó, độ bất định về thành
phần xung lượng … phải lớn hơn trước, tức là ∆p x ≥ psin θ Đẳng thức
(2-12) bây giờ được viết dưới dạng:
∆x.∆p x ≥ h
Tức là trùng với bất đẳng thức (2-11).
Như vậy với thí dụ này ta đã đi xậy dựng được bất dẳng thức haixenbec.
Câu 6:
Theo phát biểu của giả thiết Đơ Brơi, song ứng với chuyển động tự
do của hạt là một song phẳng. Trong cơ học, ta biểu diễn một song phẳng
lan truyền theo phương x với vận tốc v qua một hàm tuần hoàn dạng sin
hoặc cosin:
x
y = A cos ω t −
(2.13)
v
Dấu – trong ngoặc ứng với sóng truyền theo chiều dương của trục x.
Thay ω = 2πν và v = λν trong (2-13), ta có dạng khác của sóng phẳng
x
y = A cos 2π νt −
( 2.14)
λ
Để thuận tiện trong tính toán, có khi người ta còn biểu diễn sóng
phẳng qua một biểu thức hàm phức:
±2πi νt − x (2.15)
y = Ae λ
Trong đó chỉ phần thực là có ý nghĩa. Khai triển tường minh của
hàm (2-15) là:
x x
y = Acos2π νt − ± iAsin 2π νt −
(2.16)
λ λ
Áp dụng một cách hình thức biểu thức sóng (2-15) cho sóng phẳng
Đơ Brơi với các lưu ý sau đây. Thay cho y là một đại lượng vật lý cụ thể
( ví dụ độ lệch khỏi vị trí cân bằng của các phần tử của môi trường đối
với sóng âm, sóng trên sợi dây,… hoặc vectơ cường độ điện trường,
cường độ từ trường đơi với sóng điện từ), ta dung ký hiệu ψ cho hàm
sóng, nó không phải là một đại lượng đo được mà là một hàm toán học
thuần túy và tổng quát còn có thể là một hàm phức. ngoài ra các đại lượng
đặc trưng cho sóng ν, λ còn liên hệ với các đặc trưng của hạt ( E,p ) theo
công thức Đơ Brơi. Từ đó, người ta thường biểu diễn sóng phẳng Đơ
brơi qua biểu thức:
−2πi E t − px
h h
ψ ( x, t ) = Ae
− i Et −px (2.17)
= Ae h
Mở rộng cho trường hợp hạt chuyển động tự do theo một phương
bất kì trong không gian, biểu thức hàm sóng (2-17) được thay bằng biểu
thức tổng quát:
− i Et −p.r
uu u
r r
r
ψ ( r, t ) = Ae h (2.18)
Hoặc viết dưới dạng khai triển thành hai phần riêng phụ thuộc thời gian
và phụ thuộc không gian:
− i Et i xpx + ypy +zpx (2.19)
ψ ( x, y, z, t ) = Ae h .e h
Câu 7: Phương trình SRÔĐINGƠ dạng tổng quát cho hạt tự do:
Như đã biết, hàm sóng diễn tả sóng phẳng Đơ Brơi ứng với hạt tự
− i Et i xpx + yp y +zp z
do có dạng: ψ = Ae h e h
.
x,y,z,t
Lần lượt đạo hàm ψ theo các biến:
+ Đạo hàm theo t:
∂ψ i − i i xpx + ypy +zpz i
= − E.A.e h.e h
= − E.ψ
∂t h h
⇒ Eψ =-
h ∂ψ ∂ψ
= ih
i ∂t ∂t
Và tìm các thành phần tọa độ x, y, z:
2 P2
∂ψ i ∂ 2ψ i
= Px .ψ ⇔ = Px .ψ = − x .ψ
∂x h ∂x 2 h h2
2
∂ 2ψ Py
Tương tự: = − .ψ
∂y 2 h2
∂ 2ψ Pz2
= − .ψ
∂z2 h2
∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ P2
⇒ + + =− . ψ
∂x2 ∂y 2 ∂z 2 h2
∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ
⇒ P2ψ = −h2 + +
∂x 2 ∂y 2 ∂z 2
Với hạt chuyển động trong trường lực thế ⇒ E = T + U
2
Hay: E= 1 mv2 + U= ( mv ) + U
2 2m
2 2
⇔ E= P + U ⇔ Eψ = P ψ + Uψ
2m 2m
∂ψ h ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ + Uψ
⇒ ih =− + +
∂t 2m ∂x2 ∂y 2 ∂z 2
Đó là phương trình Srôđingơ dạng tổng quát.
∂ 2ψ ∂ 2ψ ∂ 2ψ
Sử dụng ký hiệu: ∆ = + +
∂x 2 ∂y 2 ∂z 2
2
Ta được: ih ∂ψ = − h ∆ψ + Uψ
∂t 2m
Câu 8: Hàm sóng diễn tả trạng thái của hạt trong hố thế một
chiều:
Xét hạt trong hố thế một chiều, rộng L
Chiều cao hố thế coi ∞ ( hạt không ra ngoài)
Giả sử chiều x: 0 ≤ x ≤ L hạt được coi là tự do và x < 0, x > L hàng
dào thế lớn vô hạn.
2m
Phương trình: ∆ψ + 2 Eψ = 0
h
d 2ψ ( x ) 2mE
ψ =ψ ( x ) → + ψ =0
dx 2 h ( x)
2mE
Đặt: = K2
h
d 2ψ
→ + K 2ψ = 0
dx 2
Nghiệm ψ ( x ) = A.sin ( Kx + α )
A, α là hằng số phụ thuộc vào điều kiện ban đầu, điều kiện hàm
sóng.
+ Điều kiện liên tục:
Khi x = 0, x = L → ψ=0
ψ ( 0) = ψ ( L ) = 0
2 nπ ⇒ Asin α = Asin ( KL+α ) = 0 ⇒ α = 0
ψ ( x ) = Sin x
L L
nπ
⇒ KL=nπ → K=
L
→ hàm sóng dạng: ψ ( x ) = Asin
nπ x
( n= ± 1; ± 2;...
L
+ Điều kiện chuẩn hóa:
L 2 2 L 2 nπ x
∫ ψ ( x ) dx=A ∫ sin L = 1
0 0
2
⇒ A=
L
2 nπ
Nghiệm hàm sóng dạng: ψ ( x ) = Sin x
L L
Câu 9:
Một kết quả thu được từ quá trình giải phương trình Srôđingơ hoàn
toàn khác với cổ điển là năng lượng của hạt chuyển động trong hố thế đã
bị lượng tử hóa tức là chỉ nhận nhứng giá trị gián đoạn. Thực vậy, từ điều
nπ
kiện K = mà hàm sóng phải thỏa mãn đem thế vào biểu thức
L
2mE
K2 = ta tìm được các giá trị khả dĩ của năng lượng:
h2
π2h2 h2
En = n 2 = n2
2mL2 8mL2
h2
Năng lượng phải khác không ( giá trị nhỏ nhất 1E = ) và gián
8mL2
đoạn: đó là hai kết quả tự nhiên của cơ học lượng tử suy từ hàm sóng xác
định trạng thái của hạt trong hố thế.
Câu 12:
Chuyển động của electon trong nguyên tử được coi tương đương
với một dòng điện kín vì nó quay theo đường cong khép kín quanh hạt
nhân nguyên tử. Dòng điện này gây ra xung quanh một từ trường, do đó
trong chuyển động, ngoài momen quỹ đạo đã biết electon còn có mômen
từ .
Trước tiên ta hãy xác định moomen từ của electron theo quan điểm
cổ điển. Them mẫu nguyên tử của Bo, electron chuyển động theo quỹ đạo
tròn. Moomen từ của electron tương ứng với mạch điện khép kín bằng:
µ = IS
Trong đó I là cường độn dòng điện và S là diện tích của dòng điện.
Vì quỹ đạo của electron là đường tròn bán kính r, do đó:
µ = I.πr 2
Biểu thức trên có thể biến đổi dưới dạng:
2πr.rmv
µ = I.
2mv
Nên ta chú ý rằng L = rmv chính là giá trị moomen quỹ đạo của electron và
2πr
= T là chu kì quay của electron quanh hạt nhân thì biểu thức của
v
moomen từ trở thành:
LT
µ = I.
2m
Mặt khác cường độ dòng điện I lại bằng:
I = eν
1
Với ν là tần số quay của electron, mà ν = nên cuối cùng ta được:
T
e
µ= L
2m
Đó chính là biểu thức mômen từ của electron trong nguyên tử Hydro
theo mẫu nguyên tử Bo.
Câu 13:
Đầu tiên ta phân biệt là trong nguyên tử phức tạp có hai loại tương
tác mang tính chất ngược nhau: hút và đẩy. Nhưng thực tế hiển nhiên là
nguyên tử tồn tại một cách bền vững, do đó có thể khẳng định tương tác
hút giữa hạt nhân và mỗi electron có vai trò quyết định, chủ yếu: còn
tương tác đẩy giữa các electron với nhau chỉ là phụ, là thứ yếu và được
xem như tác dụng của mỗi nhiễu loạn. Vì thế ta được phép giả thiết một
cách gần đúng rằng mỗi electron của nguyên tử chuyển động trong một
trường lực chung tạo bởi hạt nhân và tập hợp các electron còn lại. Do tính
chất quyết định của lực hút của hạt nhân đối với từng electron mà ta có
thể coi trường lực này vẫn là một trường lực hút đối xứng xuyên tâm với
tâm là hạt nhân nguyên tử. Tuy nhiên tác dụng thực tế của trường lực này
đối với mỗi electron sẽ không phải là đồng nhất. Với một electron ở phía
ngoài, thế năng hút chủ yếu vẫn gây bởi hạt nhân nhưng số điện tích thực
Z của hạt nhân sẽ được thay bằng một điện tích hiệu dụng Z* nhỏ hơn,
lí do vì các electron ở gần hạt nhân hơn so với hạt nhân được xét đã đóng
vai trò màn điện âm làm giảm lực hút của hạt nhân đối với electron phía
ngoài. Như vậy có thể coi gần đúng điện tích hiệu dụng Z* như là điện
tích thực Z trừ bớt đi tổng các điện tích âm của các electron nằm gần hạt
nhân hơn so với electron được xét. Một trường lực như thế được gọi là
trường tự hợp và phương pháp gần đúng nói trên mang tên phương pháp
Hactri – Phốc ( Haxtrea – Fok) do hai nhà vật lí một người Mỹ, một người
Liên xô cùng đề xuất một cách độc lập với nhau năm 1930.
Câu 24:
Máy phát lượng tử còn được gọi là made (maser) hay lade ( laser)
hoạt động dựa trên quá trình bức xạ cảm ứng là một thành tựu của vật lí
hiện đại.
Máy phát lượng tử gồm một giao thoa kế Fabri – Pero ( Fabry –
Perot) làm buồng cộng hưởng, trong đó chứa một môi trường có khả năng
khuếch đại ánh sáng
( hình vẽ ).
Môi trường này còn gọi là môi trường hoạt chất. Nếu sự khuếch
đại trong môi trường hoạt chất đủ lớn để bù vào sự mất mát năng lượng
khi phản xạ trên các gương M1 và M 2 của giao thoa kế cũng như các
mất mát khác thì bức xạ cảm ứng truyền dọc theo trục của giao thoa kế
sẽ được khuếch đại sau nhiều lần phản xạ trên các gương M1 và M 2
Đến một lúc nào đó bức xạ đủ lớn đi ra khỏi gương các giao thoa kế, tạo
nên chùm tia của máy phát lượng tử.
Bức xạ của máy phát lượng tử có một số đặc điểm sau:
0
+ Nó có độ đơn sắc rất cao δλ = 10−8 −10−10 A
+ Nó có tần số rất ổn định, sai số tương đối về tần số của nó
∆ν / ν ≈ 10−13 vượt rất xa các máy phát vô tuyến hiện có với ∆ν / ν ≈ 10−5 .
+ Nó có độ định hướng rất tốt.
+ Nó là bức xạ cảm ứng nên kết hợp với nhau, nghĩa là có thể cho
ta hình ảnh giao thoa.
* Ứng dụng của máy phát lượng tử:
Do bức xạ có những tính chất đặc biệt đã nói ở trên mà máy phát
lượng tử có nhiều ứng dụng trong thực tế:
+ Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học: máy phát lượng tử được
dung làm chuẩn về tần số cũng như chuẩn về thời gian.
+ Trong thong tin lien lạc: giứ được bí mật trong khi lien lạc, sự tiêu
hao năng lượng ít, có thể phát đi một lúc ( có thể tới 80 triệu) chương
trình phát thanh hay vô tuyến truyền hình. Ngoài ra máy phát lượng tử có
thể dung làm rađa quang học có tầm hoạt động và độ chính xác vượt xa
các loại rađa vô tuyến hiện nay vì có độ định hướng rất cao, năng lượng
hao phí ít.
+ dung để hàn các chi tiết máy trong chân không, đục thủng các lỗ
nhỏ, dung trong phẫu thuật mắt hoặc não ( có cả đồ án dung làm vũ khí).
+ Máy phát lượng tử còn dung để chụp ảnh toàn ảnh ( hay còn gọi
là chụp hôlôgam).
Câu 26:
Ta ta đã biết, khi dặt một nguyên tử trong từ trường, do có tác dụng
của từ trường nguyên tử nhận thêm năng lượng phụ U = −mµ0H ( µ0 là
manhêtôn Bo) do đó năng lượng của mỗi trạng thái của nguyên tử không
nhứng phụ thuộc vào số lượng tử chính n mà còn phụ thuộc vào cả số
lượng tử từ m.
E nm = E n − mµ H
0
Như vậy một trạng thái với số lượng tử chính n bây giờ bị tách thành một
số trạng thái con tùy theo số giá trị khả dĩ của m. Sự tách các mức năng
lượng thành các mức con chính là nguyên nhân làm tách các vạch quang
phổ thành nhứng thành phần khác nhau. Thật vậy, giả sử một vạch quang
phổ nào đó lúc đầu có tần số ν0 , do nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng
có năng lượng E 2 xuống trạng thái dừng có năng lượng E1
E −E
ν = 2 1
0 h
Khi có tác dụng của từ trường ngoài, đáng lẽ chúng ta có tần số ν0
thì lại có tần số:
E −U E +U
ν + ∆ν = 2 2− 1 1
0 h h
Từ đó:
U −U
∆ν = 2
h ( 2 )
1 = m − m ν H = ∆m.µ H
1 0 0
Mỗi một số lượng tử m1và m2 có thể tương ứng lấy các giá trị 0, ±1, ±2...
Cho nên ∆m có thể nhận nhiều giá trị khác nhau. Tuy nhiên, theo quy tắc
lựa chọn trong cơ học lượng tử thì ∆m chỉ có thể lấy các giá trị 0, ±1 :
∆m = 0, ±1
Khi ∆m = 0 vạch bức xạ sẽ phân cực thẳng có phương dao động
theo phương của từ trường, thành phần này được gọi là thành phần ∏
Khi ∆m = ±1 vạch bức xạ phân cực tròn cùng chiều hay ngược chiều kim
đồng hồ, có phương dao động nằm trong mặt phẳng thẳng góc với từ
trường. Thành phần này được gọi là thành phần σ
Như vậy theo thuyết lượng tử mỗi vạch quang phổ dưới tác dụng
của từ trường bên ngoài bị tách thành 3 thành phần. Thành phần ở giữa là
thành phần ∏ ; hai thành phần hai bên là thành phần σ có tần số dịch
chuyển đối với thành phần ∏ một lượng.
µ H
ν=± 0
h
Hay nếu chuyển sang bước sóng.
µ
∆λ = ± 0 λ2H
c.h
0 µ
Với λ = 5000 A và từ trường H = 1,56.106 A / m công thức ∆λ = ± 0 λ2H
c.h
0
cho ta ∆λ ≈ 0, 23A . Giá trị này thực tế có thể quan sát dễ dàng trong thực
nghiệm.
Câu 27:
Hiện tượng tách vạch quang phổ của nguyên tử dưới tác dụng của
điện trường gọi là hiệu ứng Xtac. Hiện tượng này được phát hiện năm
1913 trong những thí nghiệm của Xtac. Những thí nghiệm đầu tiên của
Xtac nghiên cứu hiệu ứng trên các vạch trong dãy banme của nguyên tử H;
kết quả cho thấy mỗi một vạch bị điện trường tách ra thành một số thành
phần nằm đối xứng ở hai bên của vạch ban đầu. Số thành phần tăng lên
khi số lượng tử chính n của vạch tăng. Khi quan sát theo phương vuông
góc với phương của điện trường tất cả các thành phần thu được đều phân
cực thẳng. Còn khi quan sát theo phương song song với phương của điện
trường người ta lại ghi nhận được nhứng thành phần không phân cực.
Thực nghiệm còn chỉ ra rằng tác dụng của điện trường lên nguyên tử H và
nhứng nguyên tử khác thể hiện ra rất khác nhau. Nếu cường độ điện
trường không lớn lắm ( nhỏ hơn 105 V / cm , như trong các thí nghiệm của
Xtac) độ tách vạch( hay độ dịch chuyển tần số giữa các vạch) ∆ν của dãy
Banme của nguyên tử H tỉ lệ bậc nhất với cường độ trường.
∆ν = kαE
Trong đó k là số nguyên, còn α = 6,44.10−5 khi ∆ν tính bằng cm−1 và E
tính bằng V/cm. Đó là hiệu ứng Xtác bậc nhất ( tuyến tính). Ở nhứng
nguyên tử khác thì độ tách vạch lại tỉ lệ bậc 2 với cường độ của trường,
đó là hiệu ứng Xtác bậc hai ( phi tuyến). Với cường độ điện trường lớn(
: 105 V / m ) có xuất hiện sự tách vạch bổ sung tỉ lệ với lũy thừa bậc cao
của cường độ điện trường ( với nguyên tử H thì tỉ lệ với lũy thừa bậc hai
của trường ). Còn dưới tác dụng của điện trường rất mạnh ( > 105 V / m )
nhứng vạch quang phổ tách ra rồi mở rộng dần và cuối cùng biến mất.
Câu 37:
Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lí nên nó cũng phải tuân theo
các định luật bảo toàn như ta đã đề cập đến trong hiện tượng phân rã của
hạt nhân phóng xạ tự nhiên. Nhứng định luật bảo toàn chủ yếu nhất mà
phản ứng hạt nhân phải thỏa mãn là:
1. Định luật bảo toàn điện tích: điện tích phải không thay đổi trước
và sau phản ứng. hệ quả của định luật này ;à tổng số Prôtôn
trong phản ứng phải giữ nguyên.
2. Định luật bảo toàn xung lượng: véctơ xung lượng toàn phần
giữu không đổi trong phản ứng. Cần chú ý đến xung lượng của
Prôtôn ( tia γ ) khi hạt này xuất hiện trong phản ứng hạt nhân.
3. Định luật bảo toàn mômen sung lượng bao gồm cả bảo toàn
mômen spin hạt nhân.
4. Định luật bảo toàn khối – năng lượng. Năng lượng toàn phần
phải không thay đổi trước và sau phản ứng.
Câu 39:
1. Lịch sử phát hiện ra nơtrôn:
Dự đoán về thành phần cấu tạo hạt nhân gồm hạt Prôtôn mạng
điện dương và một hạt thứ hai không mang điện đã được nhà vật lí
Xô Viết Ivanhencô nêu ra từ năm 1930. Hai năm sau khi có giả
thuyết đó, người ta mới xác nhận được hạt này thong qua việc
nghiên cứu các phản ứng hạt nhân nhân tạo.
Đầu tiên, hai nhà vật lí người Đức là Bozơ và Bêchcơ ( Bothe
– Becker) phát hiện thấy rằng khi dung chùm hạt bắn phá các hạt
nhân bia bêrili 9 Be thì thấy xuất hiện một tia không trông thấy có
4
khả năng đâm xuyên cực mạnh mà người ta tưởng là tia sinh ra theo
phản ứng:
*
4 ( )
4 H = 9 Be → 13C 13C + γ
2 6 6
Nhưng sau đó Iren và Giôliô Quiri lặp lại thí nghiệm trên và
thấy tia phóng xạ này có thể làm bật ra nhứng Prôtôn nhanh có năng
lượng 6 MeV với tầm bay tới 26cm trong không khí khi cho tia
phóng xạ đi qua một lớp paraphin ( là chất chứa nhiều hiđrô)
( hình vẽ).
Thoạt đầu, hiện tượng được giải thích bằng hiệu ứng Công
tông ( Conpton): tia γ va chạm với Prôtôn và làm bật nó ra từ
paraphin. Theo đó có thể tính được năng lượng của photon ( tia γ )
cần để truyền cho proton năng lượng 6 MeV là khoảng 60 Mev.
Nhưng dựa vào định luật bảo toàn năng lượng, dễ dàng thấy rằng
năng lượng tỏa ra từ phản ứng phải nhỏ hơn thế rất nhiều. Do đó,
giả thiết tia phóng xạ là proton không thể đứng vững.
…………
Năm 1932, chátvich, một học trò đồng thới là cộng tác viên
của Rowdepho, đã đưa ra dự đoán là trong phản ứng trên đã sinh ra
một hạt mới không mang điện ( do đó có khả năng đâm xuyên sâu)
và có khối lượng xấp xỉ khối lượng proton. Ông đặt tên hạt đó là
1
nơtrôn, kí hiệu 0 n và phản ứng diễn ra như sau:
4 He + 9 Be → 12 C + 1n
2 4 6 0
2. Các cách nhân tạo để thu được nơtrôn:
Cho tới nay có khá nhiều phương pháp để thu được nơtrôn.
+ Phương pháp đơn giản nhất là dung nguồn Ra – Be, dưới
dạng hỗn hợp. các hạt α phóng xạ từ Rađi va chạm với Be của
hỗn hợp tạo thành phản ứng 9 Be ( α,n ) 12 C và các nơtrôn với một
4 6
dải năng lượng rộng sẽ được phát xạ. không tạo ra được một chùm
n đồng nhất.
+ Một phản ứng quang hạt nhân cũng có thể cho ta nơtrôn.
Thí dụ phản ứng 9 Be ( γ,n ) 4 Be Để phản ứng có thể xảy ra, năng
8
4
lượng của Prôtôn tới phải lớn hơn 1,76MeV. Có thể sử dụng các tia
γ phát xạ từ các chất phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo để thực
hiện phản ứng này.
+ Bắn phá các hạt nhân bia khác nhau bằng các hạt đạn mang
điện như p, d được tăng tốc nhờ các máy gia tốc mạnh, tức là có
năng lượng cao.
2 H + 3 H → 4 He + 1n
1 1 2 0
Tạo ra chùm nơtrôn đơn năng.
+ Cho prôtôn có năng lượng cực lớn va chạm trực diện với
một hạt nơtrôn đơn độc trong một hạt nhân bia tạo ra nơtrôn có
năng lượng cực cao.
Câu 40:
40.1. Phát hiện nơtrôn.
Vì hạt nơtrôn là hạt không mang điện, nên muốn phát hiện nó phải
dùng phương pháp gián tiếp: bằng cách đó từ nơtrôn tạo ra các hạt mang
điện và sự ion hóa xuất hiện do tác dụng của các hạt mang điện này sẽ
được ghi nhận. Đó là nguyên tắc hoạt động của các ống đếm nơtrôn.
Chẳng hạn trong ống đếm tỉ lệ: người ta chứa đầy một hợp chất
hơi Bo, ví dụ BF3 ( trifluôrrid Bo) hoặc một hợp chất rắn của Bo. Khi n
đi vào ống đếm sinh ra phản ứng 10 B ( n, α ) 7 Li và sự ion hóa do hạt α
5 3
gây ra được ghi nhận.
Va chạm đàn hồi giwuax một nơtrôn và một hạt nhẹ mang điện,
như là p, cũng có thể dùng làm căn cứ cho sự phát hiện nơtrôn. Thực vậy,
khi một nơtrôn va chạm trực diện với một proton, do khối lượng của hai
hạt coi như bằng nhau, nơtrôn dừng lại và prôtôn chuyển động về phía
trước với năng lượng ban đầu của n. Đến lượt prôtôn này sẽ được phát
hiện do sự ion hóa mà nó gây ra.
Một phương pháp khác để phát hiện nơtrôn là dựa vào sự phóng xạ
của phản ứng bắt bức xạ nơtrôn. Thí dụ nơtrôn bị hạt nhân 107 Ag bắt47
theo phản ứng:
1n + 107 Ag → 108 Ag + γ
0 47 47
Hạt nhân sản phẩm sau đó phân rã β−
β− →
108 Ag 108 Cd + 0 e + ν °
47 48 −1
Hoạt độ phóng xạ β− có thể phát hiện và đo được, và nếu tiết diện
bắt ( σ ) , bề dày lá kim loại, thời gian và hằng số phân rã đều đã biết thì có
thể tính được dòng nơtrôn.
40.2. Vai trò của nơtrôn.
………………………….
Câu 41:
Phản ứng phân hạch là phản ứng khi một hạt nhân nặng bắn một
hạt đạn phân rã thành các hạt nhân nhẹ hơn.
Hiện tượng do các nhà vật lí Đức: Han và straxman (Hahn –
Strassman) tìm thấy năm 1939: Khi bắng nơtrôn vào một hạt nhân nặng
→ vỡ ra hai mảnh cỡ trung bình, có tỏa ra năng lượng khá lớn. Hai mảnh
có năng lượng, phóng xạ và sau phản ứng thấy xuất hiện các hạt nơtrôn
mới tỷ lệ (2-3) (nơtrôn thứ cấp)
Giải thích: Trên mẫu giọt hạt nhân gồm p và n liên kết với nhau
giống như giọt chất lỏng có lực căng. Bên trong có lực đẩy tĩnh điện giữa
các p, khi lực đẩy nhỏ hơn lực căng hạt nhân bền vững, khi lực đẩy tăng
dần → hạt nhân bị biến dạng, tới khi lực đẩy lớn hơn lực căng → hạt
nhân bị tách.
Phản ứng phân hạch tiêu biểu:
*
92 ( 92 )
k 1n+ 235 U → 236 U 144 Ba+ 89 Kr+3 1n
0 56 36 0
Nói chung 1n → k(n) ( k: hệ số nhân 2 sản phẩm có tính phóng xạ
→ theo chuỗi: Ba →4β −
3β −
Kr →
+ Phản ứng phân hạch 235 U
92
1n+ 235 U → 236 U* → 140 Xe+ 94Sr+2 1n
0 92 92 54 38 0
Xe và Sr cùng phóng xạ.
→ hạt nhân nặng bắt n → hạt nhân kích thích, hạt nhân kích thích
lớn đủ phá vỡ hạt nhân.
Trong phản ứng phân hạch năng lượng tỏa ra lớn:
Năng lượng gồm: + Động năng của các mảnh hạt nhân
+ Động năng của các n thứ cấp
+ Năng lượng cảu bức xạ γ , động năng của β
+ Năng lượng của υ trong phân rã β −
Như vậy, sau phản ứng phân hạch giải phóng một lượng năng
lượng lớn, tức là sau phản ứng tạo thành k(n) → k phản ứng tạo thành;
k 2 ( n ) → k 2 phản ứng.
Nếu k > 1 → số phản ứng tăng dần theo cấp số nhân, khi đó tốc độ
phản ứng sảy ra nhanh dẫn đến năng lượng tỏa ra lớn → phản ứng dây
chuyền.
Copyright by webtailieu.net