Bài giảng môn Điện học (Phần 11)

2.5 Lực hạt nhân mạnh, phân rã alpha và sự phân hạch Một khi các nhà vật lí nhận ra hạt nhân gồm có những proton tích điện dương và neutron không mang điện, họ lại có trong tay một vấn đề phải giải quyết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng môn Điện học (Phần 11) Bài giảng Điện học (Phần 11) 2.5 Lực hạt nhân mạnh, phân rã alpha và sự phân hạch Một khi các nhà vật lí nhận ra hạt nhân gồm có những proton tích điệndương và neutron không mang điện, họ lại có trong tay một vấn đề phải giải quyết.Lực điện giữa các proton đều là lực đẩy, nên hạt nhân phải dễ dàng bay tản ra từngmảnh! Lí do mà mọi hạt nhân trong cơ thể bạn không nổ tung tức thời tại thờiđiểm này là còn có một lực khác nữa tác dụng. Lực này, gọi là lực hạt nhân mạnh,luôn luôn là lực hút, và tác dụng giữa neutron với neutron, neutron với proton, vàproton với proton với độ lớn xấp xỉ bằng nhau. Lực hạt nhân mạnh không có bất kìtác dụng nào lên electron, đó là lí do tại sao nó không ảnh hưởng tới các phản ứnghóa học. q/ Lực hạt nhân mạnh đột ngột rất mạnh khi khoảng cách dưới 1 fm Không giống như lực điện, lực có độ lớn cho bởi định luật Coulomb có dạngđơn giản, không có công thức đơn giản nào cho mức độ mà lực hạt nhân phụ thuộcvào khoảng cách. Nói đại khái, nó phát huy tác dụng trong ngưỡng ~ 1 fm, nhưnggiảm cực kì nhanh ở những khoảng cách lớn hơn (nhanh hơn 1/r2 nhiều). Vì bánkính của một neutron hay proton là vào khoảng 1 fm, nghĩa là khi một bó neutronvà proton gói chặt vào nhau để hình thành nên hạt nhân, nên lực hạt nhân mạnhchỉ hiệu quả giữa những hạt lân cận. Hình r minh họa cách thức lực hạt nhân mạnh tác dụng để giữ hạt nhân bìnhthường lại với nhau, nhưng nó không thể giữ hạt nhân rất nặng khỏi bị phá vỡthành từng phần. Trong hình r/1, một proton ở giữa một hạt nhân cacbon cảmnhận lực hạt nhân mạnh (các mũi tên) hút từ những lân cận gần nhất của nó. Cáclực đó đều có hướng khác nhau, và có xu hướng triệt tiêu nhau. Điều tương tự cũngđúng cho các lực điện đẩy (không chỉ trong hình). Trong hình r/2, một proton ở rìacủa hạt nhân chỉ có các lân cận ở một phía, và do đó tất cả lực hạt nhân mạnh tácdụng lên nó có xu hướng hút nó trở vào. Mặc dù tất cả lực điện từ năm proton kia(mũi tên đen) đều đẩy nó ra khỏi hạt nhân, nhưng chúng không đủ để thắng đượclực hạt nhân mạnh. r/1. Các lực triệt tiêu nhau. 2. Các lực không triệt tiêu nhau. 3. Trong một hạt nhân nặng, số lượng lớn lực đẩy điện có thể thêm một lực so sánh được với lực hạt nhân mạnh. 4. Phát xạ alpha. 5. Sự phân hạch. Trong một hạt nhân rất nặng, r/3, một proton ở rìa chỉ có vài lân cận đủ gầnđể hút nó đáng kể thông qua lực hạt nhân mạnh, nhưng mỗi proton khác trong hạtnhân tác dụng một lực đẩy điện lên nó. Nếu hạt nhân đủ lớn, thì lực đẩy điện tổnghợp có thể đủ để thắng được sức hút của lực mạnh, và hạt nhân có thể nhả ra mộtproton. Tuy nhiên, sự phát xạ proton khá hiếm; loại phân rã phóng xạ phổ biếnhơn ở hạt nhân nặng là phân rã alpha, minh họa trong hình r/4. [Phân rã alpha phổbiến hơn vì hạt alpha là sự sắp xếp rất bền của các neutron và proton]. Sự khôngcân bằng lực tương tự như trên, nhưng kẻ bị phóng ra là hạt alpha (hai proton vàhai neutron) chứ không phải một proton. Hạt nhân cũng có khả năng tách thành hai mảnh có kích thước xấp xỉ bằngnhau, r/5, một quá trình gọi là sự phân hạch. Lưu ý là ngoài hai mảnh vỡ lớn, còncó một chùm neutron riêng lẻ. Trong quả bom phân hạch hạt nhân hoặc lò phảnứng phân hạch hạt nhân, một số neutron này bay ra và va chạm với hạt nhân khác,làm cho chúng cũng chịu sự phân hạch. Kết quả là một phản ứng dây chuyền. Khi một hạt nhân có thể chịu một trong những quá trình này, người ta nói nócó tính phóng xạ và chịu sự phân rã phóng xạ. Một số hạt nhân xuất hiện tự nhiêntrên Trái Đất có tính phóng xạ. Thuật ngữ “phóng xạ” có nguồn gốc từ hình ảnh củaBecquerel về những tia phát ra từ một thứ gì đó, chứ không phải từ sóng vô tuyến,chúng là một hiện tượng hoàn toàn khác. Thuật ngữ “phân rã” cũng có thể hơi dễnhầm lẫn, vì nó ám chỉ hạt nhân chuyển hóa thành bụi hay dễ dàng biến mất – thậtra thì nó tách thành hai hạt nhân mới với cùng tổng số proton và neutron, nênthuật ngữ “biến đổi phóng xạ” sẽ thích hợp hơn. Mặc dù các electron của nguyên tửgốc chỉ là khán giả trong quá trình phân rã phóng xạ yếu, nhưng chúng ta thườngnói kém chặt chẽ là “nguyên tử phóng xạ” chứ không nói “hạt nhân phóng xạ”. Sự ngẫu nhiên trong vật lí học Làm sao một nguy ên tử quyết định khi nào thì phân rã ? Chúng ta có thểtưởng tượng điều đó giống như một ngôi nhà bị mối mọt phá hoại càng ngày càngsuy yếu đi, cho đến cuối cùng thì đến cái ngày trù định nó sẽ đổ sập xuống. Tuynhiên, các thí nghiệm đã không thành công trong việc phát hiện “chiếc đồng hồ tíctắc” như thế nằm dưới nền nhà; bằng chứng là mọi nguyên tử của một đồng vị chotrước là hoàn toàn đồng nhất. Tại sao một nguyên tử uranium lại phân rã vào lúcnày, trong ngày hôm nay, còn nguyên tử kia thì sống thêm hàng triệu năm nữa ?Câu trả lời có vẻ nó là hoàn toàn ngẫu nhiên. Ch ...