Tiểu luận Phân rã hạt nhân

 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT 
KHOA SAU ĐẠI HỌC 
. 
BÁO CÁO TIỂU LUẬN 
PHÂN RÃ HẠT NHÂN 
 Môn Học: CẤU TRÚC HẠT NHÂN 
Giảng Viên: TS. PHÙ CHÍ HÒA 
Thực Hiện: PHẠM VĂN ĐẠO 
Lâm Đồng, tháng 6/2014
MỤC LỤC 
CHƯƠNG I: PHÂN RÃ ALPHA ................................................................... 2 
I.1 Khái niệm về phân rã alpha ................................................................... 2 
I.2 Đặc trưng của phân rã alpha .................................................................. 2 
I.2.1 Thời gian bán rã của hạt nhân trước phản ứng .................................... 2 
I.2.2 Năng lượng trong phân rã alpha ......................................................... 3 
I.2.3 Quãng chạy của hạt alpha ................................................................... 4 
I.2.4 Phổ năng lượng .................................................................................. 4 
I.3 Cơ chế phân rã alpha ............................................................................. 6 
CHƯƠNG II: PHÂN RÃ BETA .................................................................... 8 
II.1 Khái niệm về phân rã beta .................................................................... 8 
II.2 Các loại phân rã beta ............................................................................ 8 
II.3 Đặc trưng trong phân rã beta .............................................................. 11 
II.3.1 Phổ năng lượng của beta ................................................................. 11 
II.3.2 Các quy tắt chọn lọc trong phân rã beta........................................... 12 
II.3 Các tính chất cơ bản của phân rã beta ................................................ 12 
CHƯƠNG III: PHÂN RÃ GAMMA ............................................................ 14 
III.1 Khái niệm về dịch chuyển gamma và bản chất bức xạ gamma .......... 14 
III.2 Đặc trưng của dịch chuyển gamma ................................................... 14 
III.2.1 Thời gian sống của hạt nhân phát gamma ...................................... 14 
III.2.2 Năng lượng và phổ của bức xạ gamma .......................................... 15 
III.2.3 Độ đa cực của lượng tử gamma ..................................................... 15 
III.2.3 Các trạng thái isomer ..................................................................... 16 
III.3 Quá trình biến hoán nội .................................................................... 16 
III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp ........................................................... 17 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 18 
 1 
MỞ ĐẦU 
Hiện tượng phóng xạ là quá trình hạt nhân tự động phát ra những hạt để 
trở thành hạt nhân khác hoặc thay đổi trạng thái của nó. Hạt nhân chịu sự phóng 
xạ gọi là hạt nhân phóng xạ, các tia phát ra gọi là các tia phóng xạ. Hiện tượng 
phóng xạ được quan sát đầu tiên bởi nhà khoa học Pháp, Henri Becquerel vào 
năm 1896. 
Một hạt nhân phóng xạ được đặc trưng bởi: Loại phóng xạ, năng lượng, 
chu kỳ bán rã, spin. Một hạt nhân không phóng xạ gọi là hạt nhân bền. Các hạt 
nhân phóng xạ tồn tại cùng với hạt nhân bền trong vỏ quả đất, hoặc do con 
người tạo nên qua việc thực hiện các phản ứng hạt nhân, hoặc do các tia vũ trụ 
bắn phá vào các hạt nhân bền trong khí quyển, hoặc do các vụ nổ nguyên tử 
Hiện tượng phóng xạ là một quá trình thống kê. Các hạt nhân như nhau 
nhưng chúng sẽ phóng xạ tại những thời điểm khác nhau. Hiện tượng phóng xạ 
xảy ra bên trong hạt nhân, không phụ thuộc vào tác nhân lý hóa bên ngoài. 
Chuyên đề này được viết trên cơ sở tổng hợp các kiến thức cơ bản về các tia bức 
xạ α, β, γ trong các sách và giáo trình vật lý hạt nhân liên quan. 
 2 
CHƯƠNG I: PHÂN RÃ ALPHA 
I.1 Khái niệm về phân rã alpha 
Là hiện tượng hạt nhân (ZXA) tự động phát ra alpha (2He4) và trở thành hạt 
nhân con (Z-2YA-4) 
ZXA → 2He4 + Z-2YA-4 (1.1) 
Điều kiện để X phân rã α 
 - Khối lượng MX > mα + MY 
 - Năng lượng liên kết Eb = [mα + MY – MX]c2 < 0 
Năng lượng phân rã Eα = |Eb| = Kα + KY 
I.2 Đặc trưng của phân rã alpha 
I.2.1 Thời gian bán rã của hạt nhân trước phản ứng 
Thời gian bán rã của các hạt nhân phân rã alpha thay đổi trong một dải rất 
rộng. Chẳng hạn 82Pb204 T1/2 = 1,4.107năm, 86Rn125 T1/2 = 10-6s. Thời gian bán rã 
T1/2 được xác định trực tiếp nhờ phép đo độ suy giảm hoạt độ theo thời gian hoặc 
được xác định theo số phân rã trong một đơn vị thời gian hay từ quy luật cân 
bằng thế kỉ. 
Tính chất quan trọng nhất của các hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc 
rất mạnh của thời gian bán rã vào năng lượng Eα bay ra. Sự phụ thuộc của T1/2 
vào E tuân theo định luật Geiger – Nuttall như sau: 
E
DCT 2/1 (1.2) 
Trong đó C và D là các hằng số không phụ thuộc vào số khối A mà chỉ phụ 
thuộc vào điện tích Z. 
 Định luật Geiger – Nuttall còn được biểu diễn mối liên hệ giữa quãng 
chạy R của hạt alpha và hằng số phân rã λ của hạt nhân phát alpha. 
BAR lg.lg (1.3) 
 3 
 Định luật Geiger – Nuttall áp dụng rất tốt cho các hạt nhân chẵn – chẵn. 
I.2.2 Năng lượng trong phân rã alpha 
Khi so sánh năng lượng phân rã alpha Eα giữa các đồng vị trong cùng một 
nguyên tố thì thấy năng lượng Eα giảm khi A tăng. Hiện tượng này đúng khi A < 
209 và A > 215. Với A ∊ (209, 215) thì ngược lại. Nhờ tính chất này ta có thể 
tiên đoán được năng lượng phân rã alpha đối với các đồng vị chưa biết của cùng 
một nguyên tố cho trước. 
Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa. 
Bộ phận chính của phổ kế từ là nam châm điện tập trung các hạt alpha năng 
lượng khác nhau ở các vị trí khác nhau. Một bản rất mỏng vật liệu hoạt tính 
alpha là nguồn phát alpha còn detector ghi hạt alpha là các tấm phim ảnh hoặc 
ống đếm alpha. Độ phân giải năng lượng của phổ kế từ rất cao, có thể đạt đến 5 
keV. 
Hình 1.1: Năng lượng phân rã alpha phụ thuộc theo số khối A của các đồng vị 
Hình 1.2: Phổ kế từ đo alpha 
 4 
Buồng ion hóa làm việc theo nguyên tắc hạt ion hóa môi trường khí và 
sinh ra tín hiệu điện. Tín hiệu này được ghi nhận nhờ một máy phân tích biên độ 
nhiều kênh. Khả năng phân giải năng lượng của buồng ion hóa vào khoảng 25 
keV, kém hơn phổ kế từ. 
I.2.3 Quãng chạy của hạt alpha 
Quãng chạy của hạt alpha được xác định bằng buồng bọt Wilson hay nhũ 
tương ảnh. 
Nhờ phép đo năng lượng và quãng chạy, người ta xác định được hệ thức 
giữa năng lượng và quãng chạy. Công thức liên hệ quãng chạy của hạt alpha 
trong không khí (tính theo cm) và năng lượng của nó (MeV) trong miền năng 
lượng 4 – 9 MeV hay quãng chạy trong không khí 3 – 7 cm như sau: 
2/3318,0 ERkk (1.4) 
Biết quãng chạy của α trong không khí ta có thể suy ra được Rα trong các 
môi trường. Ví dụ: 
410.2,6. 
kk
Al
A
A
Al
kk
kkR
AlR
 (1.5) 
I.2.4 Phổ năng lượng 
 Có hai loại phổ vạch: 
Loại 1: Các phổ gồm có vài vạch, năng lượng chênh lệch nhau cỡ 0,1 
MeV, cường độ vạch lớn hơn nhau một chút và cường độ giảm khi năng lượng 
Eα giảm. 
Hình 1.3: Minh họa phổ vạch của α (loại 1) 
 5 
Loại 2: loại phổ gồm một nhóm α cường độ rất mạnh gọi là vạch cơ bản 
và vài nhóm α cường độ rất yếu (nhỏ hơn vạch cơ bản nhiều bậc). 
 Giải thích sự tồn tại của hai loại vạch phổ 
Đối với trường hợp loại 1, người ta xem hạt nhân mẹ ở trạng thái cơ bản, 
khi phân rã thì hạt nhân con ở trạng thái kích thích. Cường độ vạch phổ tuân 
theo quy tắc khoảng, ví dụ hạt nhân 92U238: E2: E4: E6 = 43: 100: 164, do đó 
cường độ giảm khi Eα giảm. 
Chuyển dời chỉ có thể xảy ra giữa các trạng thái momen quỹ đạo giống 
nhau của nucleon lẻ trong hạt nhân mẹ và hạt nhân con: 
U233: 5/2+ → 5/2+: Th229 
Các trạng thái khác do có sự chênh lệch momen quỹ đạo càng lớn, dịch 
chuyển càng khó. 
Đối với phổ loại 2, người ta giả thiết hạt nhân mẹ ở trạng thái kích thích 
khi phân rã về hạt nhân con ở trạng thái cơ bản. Số hạt nhân phân rã alpha của 
nhóm cơ bản là do đa số hạt nhân phân rã gamma quyết định. Ở một mức kích 
thích của hạt nhân mẹ có hai quá trình phân rã alpha và gamma cạnh tranh nhau. 
Do hằng số phân rã của quá trình phân rã gamma lớn nên phân rã từ trạng thái 
kích thích về trạng thái cơ bản là lớn nhất. 
Hình 1.4: Minh họa phổ vạch của α (loại 2) 
 6 
I.3 Cơ chế phân rã alpha 
Trong cơ chế phân rã alpha cần tính đến ba yếu tố là trường thế coulomb 
quanh hạt nhân, lực ly tâm và cấu trúc hạt nhân. 
- Trường thế Coulomb và hiệu ứng đường ngầm 
Để giải thích sự phụ thuộc rất mạnh của thời gian bán rã T1/2 của hạt nhân 
vào năng lượng hạt alpha, người ta xem xét cơ chế để hạt alpha thoát ra khỏi hạt 
nhân. Giả thiết gần đúng nhất là coi hạt alpha hình thành và tồn tại trong hạt 
nhân trước khi thoát ra khỏi hạt nhân. Hạt alpha mang điện tích dương +2e nên 
ngoài lưc tương tác hạt nhân, nó còn chịu tác dụng của lực Coulomb. 
Chiều cao bờ thế Coulomb tại r = R = 10-12 cm và với Z = 100 là: 
MeV
r
ZeUrao 30
2 2
 (1.6) 
Như đã trình bày ở trên, hạt alpha phân rã từ các hạt nhân nặng có năng 
lượng từ 4 – 9 MeV, tức nhỏ hơn chiều cao rào thế. Theo cơ học cổ điển thì hạt 
alpha không thể vượt qua rào thế để ra ngoài, tức là không thể xảy ra quá trình 
phân rã alpha. Tuy nhiên trong thế giới vi mô, theo cơ học lượng tử, hạt alpha có 
thể truyền qua rào thế Coulomb theo cơ chế đường ngầm. 
Hình 1.5: Thế tương tác hạt nhân và thế Coulomb đối với hạt 
alpha (hình a) và bờ thế hình chữ nhật dùng để tính toán (hình b) 
 7 
- Vai trò của bờ thế ly tâm 
Nếu hạt alpha bay ra với momen quỹ đạo 0 l thì nó phải vượt qua bờ thế 
ly tâm bổ xung ngoài thế Coulomb: 
2
2
2
1
mr
llUlt
 (1.7) 
Bờ thế ly tâm này không lớn do nó giảm theo hàm 2
1
r
 trong lúc bờ thế Coulomb 
giảm chậm hơn theo hàm 
r
1
, nhưng do độ thay đổi này còn chia cho hằng số 
Planck trong hàm số mũ nên nó làm tang đáng kể thời gian bán rã của hạt alpha. 
 8 
CHƯƠNG II: PHÂN RÃ BETA 
II.1 Khái niệm về phân rã beta 
Phân rã beta là hiện tượng biến đổi tự nhiên một hạt nhân này thành hạt 
nhân khác với cùng số khối lượng nhưng điện tích thay đổi một đơn vị kèm theo 
việc phát ra một electron, một positron hay chiếm một electron của võ nguyên 
tử. Có ba loại phân rã beta là phân rã β-, β+ và chiếm electron quỹ đạo. 
II.2 Các loại phân rã beta 
Gồm ba loại: 
 Phân rã β- 
Là hạt electron (e) với khối lượng m = 9,1.10-31 kg, điện tích bằng điện 
tích electron 1910.6,1 e . 
Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron. Tức là tỉ số 
N
Z quá 
cao hơn đường cong bền của hạt nhân. Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu zXA 
chuyển thành hạt nhân z+1YA và phát ra hạt electron cùng phản hạt neutrino ν. 
veYX AzAz  
1
 (2.1) 
Với neutrino là hạt trung hòa về điện tích và khối lượng bé không đáng 
kể, spin bằng 
1
2. Quá trình phân rã beta là quá trình phân rã neutron thừa trong 
hạt nhân để biến thành proton. 
vepn   
  (2.2) 
Phân rã β- thỏa mãn quan hệ khối lượng như sau: 
emAZMAZM ),1(),( (2.3) 
Trong đó M(Z,A), M(Z+1,A) và me là khối lượng hạt nhân zXA, z+1YA và 
khối lượng electron. Tuy nhiên trong thực tế người ta không đo khối lượng hạt 
 9 
nhân mà đo khối lượng nguyên tử, do đó thay khối lượng các hạt nhân trên 
thành khối lượng nguyên tử trước phân rã Mi và sau phân rã Mf như sau: 
ei ZmAZMM ),( và ef mZAZMM )1(),1( (2.4) 
Khi đó điều kiện phân rã β- thành: Mi > Mf 
 Phân rã β+ 
Là hạt positron có khối lượng bằng khối lượng electron song có điện tích 
dương e1 . Phân rã positron xảy ra khi hạt nhân có tỉ số NZ quá thấp và phân rã 
alpha không xảy ra do không thỏa mãn điều kiện về năng lượng theo công thức 
QmmMM ecm 2 (2.5) 
Khi phân rã positron, hạt nhân ban đầu X chuyển thành hạt nhân Y, phát 
ra hạt positron và hạt neutrino: 
veYX AzAz  
1
 (2.6) 
Quá trình phân rã là kết quả của phân rã proton thừa trong hạt nhân để 
biến thành neutron theo sơ đồ sau: 
venp   
  (2.7) 
Khác với electron, hạt positron không tồn tại lâu trong tự nhiên. Positron 
gặp electron trong nguyên tử và hai hạt hủy nhau cho ra hai tia gamma có năng 
lượng bằng nhau là 0,511 Mev . 
Đối với phân rã β+ thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là: 
emAZMAZM ),1(),( (2.8) 
Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mi > Mf + 2me 
ei ZmAZMM ),( và ef mZAZMM )1(),1( (2.9) 
 10 
 Chiếm electron quỹ đạo 
Một nguyên tử thiếu neutron muốn chuyển về trạng thái bền bằng cách phát 
hạt positron thì khối lượng của nó phải lớn hơn khối lượng hạt nhân con ít nhất 
là hai lần khối lượng electron. Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì sự thiếu 
hụt electron phải khắc phục bằng quá trình chiếm electron quỹ đạo, hay còn gọi 
là chiếm K. 
vYXe AzecAz   
1
. (2.10) 
Trong quá trình này một trong các electron ngoài hạt nhân bị hạt nhân 
chiếm và kết hợp với proton bên trong để tạo nên neutron theo phản ứng sau: 
vnpe ec   . (2.11) 
Ký hiệu “c.e” trên mũi tên trong các quá trình (2.10) và (2.11) là ký hiệu 
quá trình chiếm electron. Do electron lớp K trong nguyên tử có quỹ đạo thấp 
nhất nên xác suất để hạt nhân bắt nó là cao nhất so với các electron ở lớp khác. 
Vì vậy quá trình chiếm electron thường xảy ra đối với electron ở lớp K và còn 
được gọi là quá trình chiếm K. Quá trình chiếm electron giống quá trình phân rã 
positron ở chỗ số nguyên tử hạt nhân con thấp hơn 1 đơn vị so với hạt nhân mẹ, 
trong khi số khối của hai hạt đó giống nhau. 
Đối với quá trình chiếm electron thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là: 
),1(),( AZMmAZM e (2.12) 
Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mi > Mf 
ei ZmAZMM ),( và ef mZAZMM )1(),1( (2.13) 
Để nhận biết các nguyên tố phát β- hoặc β+ hay đó là những nguyên tố 
bền. Ta có thể dựa vào tỉ số giữa điện tích Z và số neutron N 
 11 
Dựa vào hình trên ta có thể giải thích là: 
Nếu 
N
Z = 1 đó là các hạt nhân bền; 
N
Z > 1 đó là các hạt nhân phân rã β
+; 
N
Z < 1 đó là các hạt nhân phân rã β
- . 
II.3 Đặc trưng trong phân rã beta 
II.3.1 Phổ năng lượng của beta 
Khác với phân rã alpha, trong phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và 
phản neutrino. Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không phải chỉ 
quan tâm đến năng lượng tổng cộng mà cả phân bố năng lượng giữa hai hạt bay 
ra. Ở đây bỏ qua năng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con. Do tính chất thống 
kê của quá trình phân rã nên sự phân chia năng lượng electron và phản neutrino 
trong một phân rã là ngẫu nhiên, và năng lượng electron có thể có giá trị bất kỳ 
từ 0 đến năng lượng cực đại khả dĩ Emax. Tuy nhiên với một số lớn phân rã beta 
Hình 2.1: Biểu đồ phân bố hạt nhân theo số proton và neutron 
 12 
thì phân bố năng lượng của electron không phải là ngẫu nhiên mà có dạng xác 
định. Phân bố năng lượng này gọi là phổ electron của phân rã beta. 
Khác với phổ alpha là phổ vạch, tất cả các hạt alpha trong cùng mỗi nhóm 
có năng lượng như nhau. Trong khi phổ beta là liên tục có dạng như hình vẽ: 
II.3.2 Các quy tắt chọn lọc trong phân rã beta 
Sự dịch chuyển giữa các trạng thái hạt nhân kèm theo phân rã beta tuân 
theo một số quy tắc lựa chọn. Dịch chuyển beta được cho phép hay bị cấm là do 
spin và độ chẵn lẻ của các hạt nhân mẹ và con. 
Ta gọi spin và độ chẵn lẻ của các hạt nhân mẹ và con là Ji, πi và Jf, πf thì 
điều kiện để dịch chuyển cho phép là: 
0;1,0JJJ ifif 
Điều kiện để dịch chuyển bị cấm bội 1 là: 
0;2,1,0JJJ ifif 
II.3 Các tính chất cơ bản của phân rã beta 
- Lực tương tác: Đặc điểm chính của các phân rã beta là chúng không được 
gây ra bởi lực hạt nhân và lực điện từ mà bởi lực tương tác yếu với cường 
độ nhỏ hơn lực hạt nhân 14 bậc. 
Hình 2.2: Phổ năng lượng electron trong phân 
rã beta của đồng vị phóng xạ P32 
 13 
- Bản chất của quá trình phân rã: Khác với quá trình phân rã alpha, quá 
trình phân rã beta xảy ra bên trong hạt nucleon, như neutron thành proton 
hay proton thành neutron. 
- Nguồn gốc của các hạt bay ra từ phân rã beta: Câu hỏi đặt ra là electron, 
neutron, và các hạt khác bay ra trong phân rã beta có tồn tại trong hạt 
nhân trước khi phân rã beta không? Theo quan điểm của lý thuyết hạt 
nhân hiện nay, các hạt này sinh ra trong quá trình phân rã do sự tương tác 
của các hạt cơ bản. 
- Dải các nguyên tố phân rã beta: Dải các nguyên tố phân rã beta là rất 
rộng từ hạt neutron tự do đến nguyên tố nặng. 
- Năng lượng giải phóng khi phân rã beta: Năng lượng khi giải phóng khi 
phân rã beta biến thiên từ 0,02 Mev đến 13,4 Mev. 
Ví dụ: MeVveHH 02,03131  
  
 MeVveCB 4,13126123  
  
 14 
CHƯƠNG III: PHÂN RÃ GAMMA 
III.1 Khái niệm về dịch chuyển gamma và bản chất bức xạ gamma 
Cả hai phân rã alpha và beta thường kèm theo dịch chuyển gamma, vì sau 
khi phân rã alpha và beta hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con thường 
nằm ở trạng thái kích thích. Vậy dịch chuyển gamma là hiện tượng hạt nhân con 
chuyển từ trạng thái kích thích có năng lượng cao xuống trạng thái kích thích có 
năng lượng thấp hoặc trạng thái cơ bản bằng cách phát ra bức xạ điện từ gọi là 
bức xạ gamma. 
Bức xạ tia X đặc trưng là do sự dịch chuyển giữa các lớp electron bên 
trong nguyên tử, còn bức xạ gamma có nguồn gốc hạt nhân sinh ra do bức xạ 
gamma dịch chuyển giữa các mức năng lượng. Bức xạ gamma là do tương tác 
của các nucleon riêng biệt bên trong hạt nhân với trường điện từ. Một nucleon tự 
do cô lập không thể bức xạ hay hấp thụ bức xạ gamma. Bên trong hạt nhân 
nucleon có thể bức xạ gamma hoặc hấp thụ gamma do nó truyền động lượng cho 
một nucleon khác bên trong hạt nhân. Cạnh tranh với quá trình bức xạ gamma là 
quá trình biến hoán nội và biến hoán tạo cặp. 
III.2 Đặc trưng của dịch chuyển gamma 
III.2.1 Thời gian sống của hạt nhân phát gamma 
Thời gian sống trung bình của các hạt nhân phát gamma nhỏ hơn nhiều so 
với thời gian sống của các hạt nhân phân rã beta và alpha do cường độ tương tác 
điện từ 3 bậc yếu hơn cường độ tương tác hạt nhân. Cũng như các loại phân rã 
khác, thời gian sống của các hạt nhân phát gamma phụ thuộc vào độ chênh lệch 
về spin và tính chẵn lẽ của các trạng thái đầu và cuối. 
Từ lý thuyết bức xạ điện từ, thời gian bán rã của hạt nhân bức xạ gamma 
phục thuộc vào độ đa cực L và độ dài bước sóng như sau: 
Đối với dịch chuyển đa cực điện: 
 15 
LR 2
1/2
1~
T
1
 (3.1) 
Đối với dịch chuyển đa cực từ: 
 12
1/2
1~
T
1 
LR
 (3.2) 
Thời gian bán rã T1/2 càng lớn khi độ đa cực L càng cao, tức là các dịch 
chuyển với độ đa cực cao bị cấm mạnh hơn các dịch chuyển với độ đa cực thấp. 
Dịch chuyển lưỡng cực điện được cho phép nhiều nhất. Sau đó là dịch chuyển tứ 
cực điện và dịch chuyển lưỡng cực từ. 
III.2.2 Năng lượng và phổ của bức xạ gamma 
Năng lượng của bức xạ gamma bằng hiệu số các mức năng lượng đầu và 
cuối của mỗi dịch chuyển gamma. Như vậy phổ năng lượng của bức xạ gamma 
là phổ gián đoạn. Năng lượng ΔE, động lượng p, tần số f và bước sóng của nó 
được xác định như đối với các bức xạ điện từ khác, tức là: 
c f;h p h.f;ΔE (3.3) 
III.2.3 Độ đa cực của lượng tử gamma 
Do photon không có khối lượng nên ta không sử dụng khái niệm momen 
quỹ đạo mà dung khái niệm đa cực đối với nó. Độ đa cực L của photon được xác 
định theo spin trạng thái đầu Ji và spin trạng thái cuối Jf của hạt nhân như sau: 
fifi JJJJ L (3.4) 
L=1 gọi là bức xạ lưỡng cực 
L=2 gọi là bức xạ tứ cực 
Bức xạ gamma được chia thành hai loại là bức xạ điện (E) và bức xạ từ (M). Số 
chẵn lẻ đối với hai loại bức xạ này được xác định như sau: 
Bức xạ điện: LE 1 (3.5) 
 16 
Bức xạ từ: 11 LM (3.6) 
Định luật bảo toàn chẵn lẻ đối với bức xạ điện từ là: 
 L
f
i 1 
 (3.7) 
Định luật bảo toàn chẵn lẻ đối với bức xạ từ là: 
 11 L
f
i
 (3.8) 
III.2.3 Các trạng thái isomer 
Có một số dịch chuyển từ các mức năng lượng thấp nhưng mức độ cấm 
rất lớn nên các hạt nhân có thời gian bán rã khá lớn. Các trạng thái sống lâu như 
vậy gọi là isomer. 
Từ (3.1) và (3.2) ta thấy mức isomer phải thỏa mãn hai điều kiện là spin 
khác rõ rệt với spin của mức dưới nó và có mức năng lượng kích thích thấp. Như 
thế các trạng thái isomer sẽ tồn tại ở hạt nhân có các mức vỏ rất gần nhau về 
năng lượng nhưng rất xa nhau về spin. Ví dụ đồng vị 49In115 thiếu một proton để 
làm đầy vỏ với Z=50, nghĩa là có một “lỗ trống” proton. Ở trạng thái cơ bản, lỗ 
trống này nằm ở trạng thái 1g9/2 còn mức kích thích ở trạng thái 2p1/2. 
Từ đó thấy rằng các hạt nhân đảo isomer nằm ngay trước các số magic 50, 
82, 126 theo cả Z và N. Đối với các hạt nhân này, trạng thái isomer đều là mức 
kích thích đầu tiên của hạt nhân. 
III.3 Quá trình biến hoán nội 
Hạt nhân ở trạng thái kích thích có thể chuyển về trạng thái cơ bản không 
chỉ bằng cách phóng ra lượng tử gamma mà còn bằng cách truyền năng lượng 
cho một electron của vỏ nguyên tử. Nếu năng lượng truyền này lớn hơn năng 
lượng liên kết εlk của electron trong nguyên tử thì electron bị đánh bật ra khỏi 
nguyên tử. Quá trình này được gọi là biến hoán nội. 
 17 
Như vậy quá trình biến hoán nội là quá trình tương tác trực tiếp của hạt 
nhân với electron trong vỏ nguyên tử, chủ yếu là các lớp vỏ K và L. 
III.4 Hiện tượng biến hoán tạo cặp 
Trong trạng thái dịch chuyển 0 – 0 giữa trạng thái kích thích thứ nhất có 
năng lượng lớn hơn nhiều so với 1.022 MeV (2m0c2) dịch chuyển gamma bị 
cấm. Khi đó trạng thái kích thích được giải phóng bằng cách biến hoán tạo cặp. 
Ví dụ: 
OHeNeHF 168
4
2
20
10
1
1
19
9 
Hạt nhân O168 tạo thành ở trạng thái kích thích cao. Khi hạt nhân 
O168 được tạo thành ở trạng thái kích thích thứ nhất có năng lượng cao 6MeV, 
spin và chẵn lẽ là 0+. Dịch chuyển từ trạng thái thứ nhất 0+ về trạng thái cơ bản 
có 0+ bị cấm. Khi đó năng lượng kích thích được giải phóng bằng cách phát ra 
electron và position (1,022 MeV). 
 18 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Ngô Quang Huy, Cơ sở vật lý hạt nhân 
[2] Phù Chí Hòa, Giáo trình cấu trúc hạt nhân 
[3] Đào Tiến Khoa, Vật lý hạt nhân hiện đại, Hà Nội, 2010 
[4]