Lớp 12

Đồng vị và phân rã hạt nhân: alpha, beta và gamma

Ký hiệu hạt nhân, các kiểu phân rã alpha, beta, gamma, quy tắc cân bằng phương trình hạt nhân và chuỗi 14 bước phân rã của urani-238.

Trực giácTrực giác: hạt nhân mất cân bằng tìm kiếm cấu hình bền hơn

Trong khi các phản ứng hoá học thông thường chỉ sắp xếp lại các electron lớp ngoài và giữ nguyên hạt nhân, thì hiện tượng phóng xạ làm biến đổi chính bản chất của nguyên tố. Các proton chen chúc trong không gian kích thước femtomet, được liên kết bởi lực hạt nhân mạnh nhưng đồng thời đẩy nhau dữ dội bởi điện tích cùng dấu. Khi thế cân bằng tinh vi giữa lực hút hạt nhân và lực đẩy tĩnh điện bị phá vỡ, hạt nhân sẽ giải phóng khối lượng hoặc năng lượng dư thừa dưới dạng các hạt chuyển động nhanh hoặc photon năng lượng cao.

Mọi biến đổi hạt nhân tự phát đều tuân theo các định luật bảo toàn nghiêm ngặt: tổng số nucleon và tổng điện tích luôn được bảo toàn trong mọi quá trình. Phân rã alpha tống ra ngoài một cụm liên kết bền vững gồm hai proton và hai neutron; phân rã beta chuyển đổi bản chất của một nucleon kèm theo việc giải phóng hạt beta và neutrino; còn chuyển mức gamma phát ra năng lượng kích thích dư thừa mà không làm thay đổi số proton hay số neutron.

Phổ thôngKhái niệm trọng tâm: ký hiệu hạt nhân và các kiểu phân rã

Cân bằng phương trình hạt nhân dựa trên hai nguyên tắc bảo toàn phổ quát: tổng số khối $A$ ở hai vế phải bằng nhau ($\sum A_{\text{tham gia}} = \sum A_{\text{sản phẩm}}$), và tổng số điện tích $Z$ phải cân bằng ($\sum Z_{\text{tham gia}} = \sum Z_{\text{sản phẩm}}$). Trong chuỗi phân rã urani-238 tự nhiên, $\ce{^{238}_{92}U}$ trải qua 8 lần phân rã alpha và 6 lần phân rã beta trừ để đạt tới chì $\ce{^{206}_{82}Pb}$ bền. Ta có thể kiểm tra cả hai đại lượng: $\Delta A = 8 \times (-4) + 6 \times (0) = -32$, do đó $238 - 32 = 206$; và $\Delta Z = 8 \times (-2) + 6 \times (+1) = -10$, do đó $92 - 10 = 82$, xác định chính xác nguyên tố chì.

Đại họcĐại học: Giá trị Q và động học phân rã

Một quá trình phân rã hạt nhân chỉ tự phát xảy ra khi năng lượng phản ứng $Q$ mang giá trị dương ($Q > 0$), chứng tỏ khối lượng nghỉ của hạt nhân mẹ lớn hơn tổng khối lượng nghỉ của các hạt sinh ra. Trong phân rã alpha hai vật thể từ một hạt nhân mẹ đứng yên, định luật bảo toàn động lượng ($p_\alpha = p_Y$) quy định việc phân chia động năng giữa hạt alpha và hạt nhân con. Vì hạt alpha nhẹ hơn nhiều so với hạt nhân con giật lùi ($m_\alpha \ll m_Y$), nó mang đi phần lớn động năng: $T_\alpha = Q \frac{m_Y}{m_Y + m_\alpha} \approx Q \frac{A - 4}{A}$, trong khi hạt nhân con chỉ nhận động năng giật lùi $T_Y \approx Q \frac{4}{A}$.

Nâng caoVật lý chuyên sâu: phổ liên tục, quy tắc chọn lọc và biến đổi nội

Trong khi các chuyển mức alpha và gamma tạo ra các vạch phổ đơn năng rời rạc đặc trưng cho các mức lượng tử hạt nhân, thì phân rã beta trừ lại thể hiện một phổ năng lượng liên tục kéo dài từ 0 tới giới hạn cực đại $E_{\max} \approx Q$. Phổ liên tục này đã thôi thúc Wolfgang Pauli vào năm 1930 giả thuyết về sự tồn tại của hạt neutrino: động học ba vật thể của $\ce{^A_Z X -> ^A_{Z+1} Y + e- + \bar{\nu}_e}$ chia sẻ liên tục năng lượng và mômen động lượng khả dĩ giữa hạt electron và phản neutrino. Hơn nữa, sự giải toả năng lượng kích thích hạt nhân không chỉ thông qua phát xạ photon gamma thực; trong hiện tượng biến đổi nội (IC), tương tác đa cực điện từ truyền thẳng năng lượng kích thích sang một electron lớp trong, bứt nó ra ngoài thành electron biến đổi đơn năng kèm theo phát xạ tia X đặc trưng hoặc electron Auger. Các quá trình này tuân thủ chặt chẽ các quy tắc chọn lọc về mômen động lượng $\Delta I$ và tính chẵn lẻ $\Delta \pi$.