Skip to main content

Gần đúng WKB cho lý thuyết Gamow của phân rã alpha

Đầu tiên, ta cần tìm hiểu gần đúng WKB (Wentzel–Kramers–Brillouin) là gì?

Phương trình Schrödinger \begin{align} -\dfrac{\hbar^2}{2m}\dfrac{d^2\psi}{dx^2} + V(x)\psi &= E\psi \\ \dfrac{d^2\psi}{dx^2} &=-\dfrac{2m[E-V(x)]}{\hbar^2}\psi \end{align} Gọi \begin{equation} p(x) \equiv \sqrt{2m[E-V(x)]} \end{equation} là động lượng (cổ điển) của một hạt có năng lượng $E$ trong thế năng $V(x)$. Phương trình Schrödinger trở thành \begin{equation} \dfrac{d^2\psi}{dx^2} =-\dfrac{p^2}{\hbar^2}\psi \end{equation} Giả sử $E>V(x)$ (vùng cổ điển) khi đó $p(x)$ thực. Hạt bị nhốt trong hố thế. Một cách tổng quát, $\psi$ là hàm phức và ta có thể biểu diễn nó dưới dạng biên độ $A(x)$ và pha $\phi(x)$ \begin{align} \psi(x) = A(x)e^{i\phi(x)} \end{align} Thay vào phương trình Schrödinger \begin{align} A''+2iA'\phi'+iA\phi''-A(\phi ')^2 = -\dfrac{p^2}{\hbar^2}A \end{align} Ta tách làm 2 phương trình cho phần thực và ảo \begin{align} A''-A(\phi ')^2 &= -\dfrac{p^2}{\hbar^2}A \Rightarrow A'' = A\left[(\phi')^2-\dfrac{p^2}{\hbar^2} \right] \\ 2A'\phi'+A\phi'' &=0 \Rightarrow (A^2\phi')' =0 \end{align} Phương trình thứ nhất dễ dàng tìm được nghiệm \begin{equation} A=\dfrac{C}{\sqrt{\phi '}} \end{equation} với $C$ là hằng số thực. Phương trình thứ hai được giải gần đúng. Ta xem biên độ $A$ biến đổi chậm, do đó $A''\approx 0$ hay $A''/A \approx 0$. Khi đó, phương trình thứ hai trở thành \begin{equation} (\phi')^2 = \dfrac{p^2}{\hbar^2} \Rightarrow \dfrac{d\phi}{dx} = \pm \dfrac{p}{\hbar} \Rightarrow \phi(x) = \pm \dfrac{1}{\hbar}\int p(x)\,dx \end{equation} Như vậy hàm sóng trong vùng cổ điển cần tìm là \begin{align} \psi(x) \approx \dfrac{C}{\sqrt{p(x)}} \exp\left[\pm \dfrac{i}{\hbar}\int p(x)\,dx \right] \end{align} Bình phương khả tích hàm sóng \begin{align} |\psi(x)|^2 \approx \dfrac{|C|^2}{p(x)} \propto \dfrac{1}{p(x)} \end{align} Xác suất tìm thấy hạt tỉ lệ nghịch với động lượng (cổ điển) của hạt tại điểm đó. Trong vùng không cổ điển ($E \leq V$), kết quả cũng tương tự như vùng cổ điển, chỉ khác là $p(x)$ lúc này là ảo \begin{align} \psi(x) \approx \dfrac{C}{\sqrt{|p(x)}|} \exp\left[\pm \dfrac{1}{\hbar}\int p(x)\,dx \right] \end{align} Lúc này xảy ra hiện tượng xuyên hàm. Tại các vị trí biên hàm sóng cần được đảm bảo tính liên tục và đạo hàm liên tục.
Ví dụ trường hợp tán xạ hàng rào thế chữ nhật. Ta đã biết hàm sóng bên trái ($x \leq 0$) có dạng \begin{align} \psi(x) = Ae^{ikx}+Be^{-ikx} \end{align} với $A$ là biên độ tới, $B$ là biên độ phản xạ, $k=\sqrt{2mE}/\hbar$.
Trong khi sóng bên phải ($x>a$) có dạng \begin{equation} \psi(x) = Fe^{ikx} \end{equation} với $F$ là biên độ truyền qua, xác suất truyền qua là \begin{equation} T = \dfrac{|F|^2}{|A|^2} \end{equation} Trong vùng xuyên hầm (lượng tử) ($0\leq x \leq a$), gần đúng WKB \begin{align} \psi(x) \approx \dfrac{C}{\sqrt{|p(x)}|} \exp\left[ \dfrac{1}{\hbar}\int_0^x |p(x')|\,dx' \right] + \dfrac{D}{\sqrt{|p(x)}|} \exp\left[-\dfrac{1}{\hbar}\int_0^x |p(x')|\,dx' \right] \end{align} Nếu hàng rào thế rất cao và rộng thì số hạng $C$ xem như về giá trị 0. Hệ số truyền qua khi đó được gần đúng \begin{align} \dfrac{|F|}{|A|} \sim \exp\left[-\dfrac{1}{\hbar}\int_0^a |p(x')|\,dx' \right] \end{align} hay \begin{equation} T \approx e^{-2\gamma} \end{equation} với \begin{equation} \gamma = \dfrac{1}{\hbar}\int_0^a |p(x)|\,dx = \dfrac{2m}{\hbar}\int_0^a [V(x)-E]\,dx \end{equation} Năm 1928, George Gamow (ngoài ra còn có Condon và Gurney cũng tìm ra độc lập) đã sử dụng phương trình $T$ ở trên để đưa ra giải thích cho phân rã alpha ($\alpha$) (sự phát ra các hạt $\alpha$). Do hạt $\alpha$ có điện tích dương ($2e$), nó sẽ bị đẩy ra xa hạt nhân (điện tích $Ze$) đủ xa để thoát ra khỏi lực hạt nhân. Trong trường hợp uranium, hàng rào thế năng gấp hai lần năng lượng hạt $\alpha$ phát ra. Gamow đã gần đúng thế năng như một hố thế vuông hữu hạn (đặc trưng cho lực hút hạt nhân), mở rộng đến $r_1$ (bán kính hạt nhân), được nối với đuôi lực đẩy Coulomb, lúc này cơ chế đẩy được xem như hiện tượng xuyên hầm trong cơ học lượng tử. 

Mô hình Gamow cho thế năng của hạt alpha trong hạt nhân phóng xạ

Nếu $E$ là năng lượng của hạt $\alpha$ phát ra, điểm quay lại (turning point) bên ngoài $r_2$ được xác định bởi \begin{equation} \dfrac{1}{4\pi\epsilon_0}\dfrac{2Ze^2}{r_2}=E \end{equation} Số mũ $\gamma$ là \begin{align} \gamma = \dfrac{1}{\hbar}\int_{r_1}^{r_2} \sqrt{2m\left(\dfrac{1}{4\pi\epsilon_0}\dfrac{2Ze^2}{r}-E\right)}\,dr = \dfrac{\sqrt{2mE}}{\hbar}\int_{r_1}^{r_2} \sqrt{\dfrac{r_2}{r}-1}\,dr \end{align} Tích phân có thể tính bằng phép đổi biến ($r=r_2\sin^2u$) và kết quả thu được là \begin{align} \gamma = \dfrac{\sqrt{2mE}}{\hbar}\left[r_2\left(\dfrac{\pi}{2} -\sin^{-1}\sqrt{\dfrac{r_1}{r_2}}\right)-\sqrt{r_1(r_2-r_1)}\right] \end{align} Thông thường $r_1 \ll r_2$, ta có thể đơn giản kết quả trên bằng gần đúng \begin{align} \gamma \approx \dfrac{\sqrt{2mE}}{\hbar} \left[\dfrac{\pi}{2}r_2 - 2\sqrt{r_1 r_2} \right] = K_1 \dfrac{Z}{\sqrt{E}} - K_2 \sqrt{Zr_1} \end{align} trong đó \begin{align} K_1 = \left( \dfrac{e^2}{4\pi \epsilon_0} \right)\dfrac{\pi\sqrt{2m}}{\hbar} = 1.980~{\rm MeV}^{1/2} \end{align} và \begin{align} K_2 = \left( \dfrac{e^2}{4\pi \epsilon_0} \right)^{1/2}\dfrac{4\sqrt{m}}{\hbar} = 1.485~{\rm fm}^{-1/2} \end{align} Hãy tưởng tượng một hạt $\alpha$ dao động bên trong hạt nhân với vận tốc trung bình $v$ thì thời gian trung bình giữa các "va chạm" với "tường" khoảng $2r_1/v$, do đó tần số va chạm là $v/2r_1$. Xác suất thoát tại mỗi va chạm là $e^{-2\gamma}$, do đó xác suất phát trong một đơn vị thời gian là $(v/2r_1)e^{-2\gamma}$, do đó thời gian sống của hạt nhân mẹ vào khoảng \begin{align} \tau = \dfrac{2r_1}{v}e^{2\gamma} \end{align} Ta không biết được $v$ nhưng với các hạt nhân nặng sự biến thiên theo $v$ là không đáng kể. Ta có một bức tranh đẹp liên quan giữa năng lượng $E$ và $\log \tau_{1/2}$

Đồ thị logarithm thời gian sống với $1/\sqrt{E}$ (trong đó $E$ là năng lượng của hạt alpha phát ra), cho uranium và thorium.

Năng lượng của hạt $\alpha$ phát ra có thể được tính bằng công thức Einstein \begin{align} E = (m_p - m_d - m_{\alpha})c^2 \end{align} trong đó $m_p$ là khối lượng hạt nhân mẹ, $m_d$ là khối lượng hạt nhân con và $m_\alpha$ là khối lượng hạt $\alpha$.

Comments

Popular posts from this blog

Hạt nhân bất ngờ có hình quả lê

Các thí nghiệm xác nhận rằng hạt nhân barium-144 có hình quả lê và gợi ý rằng sự bất đối xứng này rõ ràng hơn so với suy nghĩ trước đây. Hầu hết các hạt nhân đều có hình tròn hoặc hơi dẹt, giống như một quả bóng đá. Nhưng trong một số hạt nhân nhất định, proton và neutron sắp xếp theo cấu hình hình quả lê hơn. Chỉ một số ít hạt nhân bị biến dạng này được nhìn thấy trong các thí nghiệm. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng barium-144 (144Ba) là thành viên của câu lạc bộ độc quyền này. Hơn nữa, nó có thể bị bóp méo nhiều hơn những gì các nhà lý thuyết mong đợi, một phát hiện có thể thách thức các mô hình cấu trúc hạt nhân hiện tại. Việc kiểm tra trực tiếp nhất xem hạt nhân có hình quả lê hay không là tìm kiếm cái gọi là sự chuyển dịch bát cực giữa các trạng thái hạt nhân, chúng bị triệt tiêu trong các hạt nhân đối xứng hơn. Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng radium-224, radium-226 và một số hạt nhân nặng khác có hình quả lê. Trong nhiều thập kỉ, các nhà ...

Giải Nobel: Xuyên hầm lượng tử trên quy mô lớn

Giải Nobel Vật lý năm 2025 ghi nhận việc khám phá ra hiệu ứng xuyên hầm lượng tử vĩ mô trong mạch điện. John Clarke, Michel Devoret và John Martinis. Khi vượt rào thế, một vật trong vật lý cổ điển sẽ bị bật trở lại, nhưng một hạt lượng tử có thể thoát ra ở phía bên kia. Đây được gọi là hiệu ứng xuyên hầm lượng tử giải thích một loạt các hiện tượng, từ các bước nhảy electron trong chất bán dẫn đến sự phân rã phóng xạ trong hạt nhân. Nhưng hiệu ứng xuyên hầm không chỉ giới hạn ở các hạt hạ nguyên tử, như được nhấn mạnh bởi Giải Nobel Vật lý năm nay. Những người nhận giải-John Clarke từ Đại học California, Berkeley; Michel Devoret từ Đại học Yale và John Martinis từ Đại học California, Santa Barbara đã chứng minh rằng các vật thể lớn bao gồm hàng tỷ hạt cũng có thể tạo đường hầm xuyên qua rào cản [1-3]. Sử dụng mạch siêu dẫn, các nhà vật lý đã chỉ ra rằng các electron siêu dẫn, hoạt động như một đơn vị tập thể, tạo đường hầm xuyên qua rào cản năng lượng giữa hai trạng thái điện áp. Cô...