Sự hình thành hạt nhân
Một mẫu hình của đồng vị helium-4 với đám mây eletron được hiển thị với màu xám. Trong hạt nhân nguyên tử, có 2 proton và 2 neutron được hiển thị lần lượt là màu đỏ và màu xanh. Trong mẫu hình này, cho thấy các hạt có khoảng cách nhất định trong giả định.
Hạt nhân nguyên tử (nucleus) của một nguyên tử được tích hợp từ neutron và proton. Mà ở đó, các neutron và proton được chuyển hóa từ các hạt siêu bé gọi là quark. Các hạt quark được kết nối loại với nhau bằng lực tương tác mạnh trong một tổng liên kết của Hadron, gọi là các Baryon. Lực hạt nhân mạnh lan tỏa trong không gian giữa các baryon để kết nối các neutron và các proton lại với nhau, tạo ra lực đối kháng giữa lực tĩnh điện âm với các proton mang điện tích dương. Lực hạt nhân mạnh thường có khoảng cách hoạt động ngắn và có chỉ số sẽ về 0 khi ở ngoài rìa của hạt nhân nguyên tử.
Tính chất thu thập (khả năng lưu trữ) của các hạt nhân nguyên tử điện tích dương là giữ các hạt electron điện tích âm trong các quỹ đạo của hạt nhân. Tổng các hạt electron mang điện tích âm được lưu trữ đang xoay quanh hạt nhân nguyên tử sẽ tạo thành ái lực. Ái lực có mẫu hình nhất định và theo số lượng eletron xoáy xung quanh hạt nhân nguyên tử.
Nguyên tố hóa học của một nguyên tử được hình thành từ việc xác định tổng số proton của hạt nhân nguyên tử; Nguyên tử trung tính (neutral atom) sẽ có số electron cân bằng xoay quanh hạt nhân nguyên tử. Các nguyên tố hóa học riêng biệt có thể tạo thành các mẫu hình electron bền hơn bằng cách cộng hưởng và chuyển giao các electron. Sự chuyển giao của các electron để tạo nên các quỹ đạo điện từ có tính bền xung quanh hạt nhân sẽ được hình thành lớn dần và chính là hình dạng các chất hóa học trong thế giới vĩ mô của chúng ta. Các Proton khẳng định điện tích của một hạt nhân nguyên tử, bao gồm cả tính chất hóa học của nó. Neutron là hạt không mang điện tích, nhưng đóng vai trò mang đến tổng thể khối cho hạt nhân nguyên tử gần bằng với các electron (và thay đổi theo sự tăng lên của chúng). Các neutron có thể được giải thích là sự dị biến của đồng vị (cùng chỉ số hạt nhân nhưng khác khối lượng của hạt nhân). Vai trò chính của các neutron là làm giảm lực đối kháng tĩnh điện (electrostatic repulsion) bên trong một nguyên tử hạt nhân.
Các lực
Nguyên tử được gắn kết bằng những dư lực mạnh (lực hạt nhân), Những dư lực mạnh này chân không nhỏ của lực tương tác mạnh giúp làm cho các hạt quark liên kết với nhau tạo thành các proton và các neutron. Lực này có tính yếu hơn khi ở giữa các neutron và các proton bởi vì chúng gần như vô hiệu hóa khi trong vùng liên kết hạt nhân; Điều này có cùng tính chất tương tác giữa lực điện từ và các nguyên tử trung tính (giống như lực Van der Waals của hai nguyên tử khí trơ) sẽ có tính yếu hơn các lực điện từ dùng để liên kết toàn phần các nguyên tử (ví dụ: các lực giữ các electron trong một nguyên tử khí trơ sẽ gắn kết với hạt nhân của chúng).
Lực hạt nhân có tính hấp dẫn cao trong các khoảng tách nucleon điển hình, và lực này tạo sức áp đảo lên lực đẩy của các proton do lực điện từ, do đó, hạt nhân được hình thành. Tuy nhiên, dư lực mạnh có một giới hạn về khoảng cách bởi vì tính phân rã nhanh trong chiều không gian.
Thế Yukawa:
Trong vật lý hạt, nguyên tử và vật lý vật chất ngưng tụ, một \textbf{thế Yukawa} (còn gọi là thế Coulomb được che chắn) là một thế năng được đặt theo tên nhà vật lý người Nhật Hideki Yukawa. Biểu thức của thế năng này có dạng:
\[V_{\text{Yukawa}}(r) = -g^2 \frac{e^{-\alpha m r}}{r}\]
Trong đó: \(g\) là hằng số cường độ (magnitude scaling constant), \(m\) là khối lượng của hạt trung gian truyền lực, \(r\) là khoảng cách xuyên tâm đến hạt tương tác, \(\alpha\) là hằng số tỉ lệ khác, thường dùng để điều chỉnh độ dài tương tác: \(r \approx \frac{1}{\alpha m}\).
Thế Yukawa giảm đơn điệu theo \(r\) và có giá trị âm, cho thấy lực tương tác là lực hút. Trong hệ SI, đơn vị của thế Yukawa là nghịch đảo của mét. Thế Coulomb trong điện từ học là một trường hợp riêng của thế Yukawa khi \(m = 0\) (tức là photon không có khối lượng), làm cho thừa số \(e^{-\alpha m r} = 1\) ở mọi nơi. Điều này hàm ý rằng photon là hạt truyền lực giữa các hạt tích điện.
Trong tương tác giữa một trường meson và một trường fermion, hằng số \(g\) là hằng số liên kết chuẩn (gauge coupling constant). Trong lực hạt nhân, các fermion là proton và một proton khác hoặc neutron.
Do đó chỉ có những hạt nhân nhỏ hơn một dạng kích thước nhất định mới có thể hoàn toàn mang tính ổn định. Hạt nhân có tính chất hoàn toàn ổn định lớn nhất được biết đến (nghĩa là bền hơn so với phân rã alpha, beta và gamma) là chì-208 chứa tổng số 208 nucleon (126 neutron và 82 proton). Các hạt nhân lớn hơn mức tối đa này không ổn định và có xu hướng tồn tại trong thời gian nhất định với số lượng nucleon lớn hơn. Tuy nhiên, bismuth-209 cũng được tính là bền so với phân rã beta và có chu kỳ bán rã thành phân rã alpha dài nhất so với bất kỳ đồng vị nào đã biết, ước tính dài hơn một tỷ lần so với tuổi của vũ trụ.
Dư lực mạnh có tác dụng trong một phạm vi rất ngắn (thường chỉ một vài femtometre (fm); khoảng một hoặc hai đường kính nucleon) và gây ra lực hấp dẫn giữa bất kỳ cặp nucleon nào. Ví dụ, giữa proton và neutron để tạo thành deuteron [NP], và cũng như giữa các proton và proton, và neutron và neutron.
MÔ HÌNH HẠT NHÂN
Mặc dù mô hình chuẩn của vật lý được cho là miêu tả gần như hoàn hảo về thành phần và trạng thái của hạt nhân. Tuy nhiên, việc tạo ra các dự đoán từ lý thuyết khó hơn nhiều so với các lĩnh vực vật lý hạt khác. Điều này là do hai lý do:
Về nguyên tắc, tính vật lý bên trong hạt nhân nguyên tử có thể bắt nguồn hoàn toàn từ sắc động lực học lượng tử (QCD). Tuy nhiên, trên thực tế, các phương pháp tính toán và toán học hiện tại để giải QCD trong các hệ thống năng lượng thấp như hạt nhân còn rất hạn chế. Điều này là do sự chuyển pha diễn ra giữa vật chất quark có năng lượng cao và vật chất hadronic có năng lượng thấp, khiến các kỹ thuật nhiễu loạn không thể sử dụng được và gây khó khăn cho việc xây dựng mô hình chính xác dựa trên QCD về lực giữa các nucleon. Các phương pháp tiếp cận hiện tại chỉ giới hạn ở các mô hình hiện tượng học như điện thế Argonne v18 hoặc thuyết nhiễu cấu trúc.
Ngay cả khi lực hạt nhân bị hạn chế, cần phải có một lượng đáng kể các phép tính để tính toán chính xác các đặc tính khởi đầu của hạt nhân. Những phát triển trong lý thuyết đa vật thể có thể áp dụng thực hiện được đối với nhiều hạt nhân có khối lượng thấp và tương đối ổn định, nhưng cần có những cải tiến hơn nữa về các phép tính toán và phương pháp tiếp cận toán học trước khi có thể giải quyết được các hạt nhân nặng hoặc hạt nhân không ổn định cao.
Trong lịch sử, các thí nghiệm được so sánh với các mô hình tương đối phổ thông thường có tính không hoàn hảo. Không có mô hình riêng lẻ nào trong số này có thể giải thích hoàn toàn dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc hạt nhân.
Bán kính hạt nhân \(R\) được coi là một trong những đại lượng cơ bản mà bất kỳ mô hình nào cũng phải dự đoán. Đối với các hạt nhân ổn định (không phải hạt nhân phát xạ hoặc các hạt nhân không ổn định khác), bán kính hạt nhân tỷ lệ thuận với gốc chiếu lập phương của số khối \(A\) của hạt nhân, và đặc biệt đối với các hạt nhân chứa nhiều nucleon, khi chúng thường có sắp xếp theo dạng hình cầu:
Hạt nhân bền có khối lượng riêng xấp xỉ không đổi và do đó bán kính hạt nhân R có thể được tính gần đúng theo công thức bên phải:
\[R=r_0 A^{\frac{1}{3}}\]
công thức tính
Khi \(A =\) tổng số khối của nguyên tử (số lượng của các proton Z, cộng thêm số lượng của các neutron N) và \(r_0 = 1.25 fm = 1.25 \times 10^{−15} m\). Trong công thức cân bằng này, "hằng số'' \(r_0\) thay đổi 0,2 fm, tùy thuộc vào hạt nhân được đề cập, nhưng mức thay đổi này ít hơn 20% đến từ một hằng số.
Nói cách khác, việc tổng hợp các proton và neutron trong hạt nhân cho kết quả tổng kích thước xấp xỉ bằng cách tổng hợp các hạt hình cầu có tính chất bền và sở hữu kích thước không đổi (có thể hình dung như viên bi) vào một dạng thể túi hình cầu chặt chẽ hoặc gần như hình cầu (một số hạt nhân ổn định không hoàn toàn hình cầu, nhưng đã biết là phỏng cầu).
Mô hình giọt nước
Năng lượng thể tích (volume energy) : Khi một tập hợp các nucleon có cùng kích thước được nén lại với nhau thành thể tích nhỏ nhất, thì bên trong mẫu hình này, một nucleon sẽ có các số nucleon khác tiếp xúc với nó. Vì vậy, năng lượng hạt nhân này tỷ lệ với khối lượng.
Năng lượng bề mặt (surface energy) : Một nucleon ở bề mặt hạt nhân sẽ có tương tác với số lượng nucleon khác ít hơn so với một nucleon có vị trí ở bên trong hạt nhân. Do đó, liên kết năng lượng của nó nhỏ hơn. Thuật ngữ năng lượng bề mặt này được giải ThÍCH là mẫu âm và tỷ lệ với diện tích bề mặt.
Năng lượng Coulomb (Coulomb Energy). Lực tĩnh điện giữa mỗi cặp proton trong hạt nhân góp phần làm giảm năng lượng liên kết của nó.
Năng lượng không tương đồng (còn gọi là Năng lượng Pauli). Một năng lượng được định dạng hình ngôi sao theo nguyên lý loại trừ Pauli. Nếu không phải dạng năng lượng có thể áp dụng công thức Coulomb - khi dạng vật chất hạt nhân ổn định nhất sẽ có cùng số neutron với proton. Thì khi đó, số lượng neutron và proton không bằng nhau, có nghĩa là sẽ có dạng năng lượng kết nối ở kiểu hình lấp đầy các mức năng lượng cao hơn cho một loại hạt, trong khi đó, lại có mức năng lượng thấp hơn cho các loại hạt còn lại.
Năng lượng ghép nối. Năng lượng là một thuật ngữ hiệu chỉnh phát sinh từ thiên hướng xuất hiện của các cặp proton và cặp neutron. Số hạt chẵn bền hơn số hạt lẻ.
Tài liệu tham khảo
- Wikipedia tiếng Việt. Hạt nhân nguyên tử. Xem tại đây
- Wikipedia tiếng Anh. Nuclear physics. Xem tại đây
- Giáo trình Vật lý nguyên tử và hạt nhân – Nguyễn Thị Thùy Quyên. Tải PDF
- Giáo trình Cơ sở Vật lý hạt nhân – Đại học Đà Lạt. Tải PDF
- Thư viện Vật lý – Chuyên đề Hạt nhân. Xem tại đây
- Nuclear Physics A – ScienceDirect. Xem tại đây
- Physical Review C – American Physical Society. Xem tại đây
- Frontiers in Physics – Nuclear Physics Section. Xem tại đây
- Nature – Nuclear Physics. Xem tại đây
- ResearchGate – Nuclear Physics Publications. Xem tại đây
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét