Chương 8 Phân rã phóng xạ

HIỆN TƯỢNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ Nhà vật lý người Pháp Bécơren là người đầu tiên khám phá ra hiện tượng phóng xạ vào năm 1896 Sản phẩm phân rã phóng xạ Tia α là chùm các hạt tích điện dương c

Chương 8: PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

§1 HIỆN TƯỢNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

Nhà vật lý người Pháp Bécơren là người đầu tiên khám phá ra hiện tượng phóng xạ vào năm 1896 Sản phẩm phân rã phóng xạ

Tia α là chùm các hạt tích điện dương chính là

chùm hạt nhân của nguyên tử Hêli

Tia β: bản chất tia β là các êlectron (β− ) và các pôditrôn (β+ ) (positron)

1934, Irene và Joliot Curie: β+ - positron

13 Al 2 He β 15P n

+

1996, phòng thí nghiệm Damstadd, Đức

30 Zn +82 Pb → 112 → 112 + → → n K 100 Fm

1500 nuclid, trong đó khoảng 250 bền

§2 ĐỊNH LUẬT PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân phóng xạ

chưa phân rã là N

hay

dN

N

dt = − λ

0

t

t T

N = N −

ln 2 0,693

T

N

0 T 2T 3T

Thời gian sống trung bình:

0

0

tdN

N e tdt e tdt

λ

∞

Hoạt độ phóng xạ:

dN H

dt

Đơn vị hoạt độ phóng xạ(SI): Bq (Bequeren)

1Ci = 3,7.1010 pr/s

§3 QUY TẮC DỊCH CHUYỂN

HỌ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN

1 Phân rã α

1 Quy tắc dịch chuyển

Ví dụ:

+

α

−

→

−

+

92 U → 90 Th 2He

2 Phân rã β

Phân rã β− + e

1

β −

−

→

+

Phân rã β+ + e

1

β +

+

→

−

Bắt K Z A X + e− → Z A 1Y

−

Ví dụ: 12 12 +

β +

→

β −

−

Ví dụ:

0

0

1,015 0,834

β

-27

12 Mg

22

11Na

22

10 Ne

210

84 Po

206

82 Pb

27

13 Al

2 Các họ phóng xạ

♦ Họ Urani bắt đầu bằng hạt nhân , phóng xạ α

với chu kỳ bán rã T1/2 = 4,51.109 năm biến thành

Đồng vị này lại phóng xạ β− biến thành …

Họ Urani tận cùng bằng đồng vị bền chì

Số khối của các đồng vị tham gia trong chuỗi phóng

xạ có thể được biểu thị A = 4n + 2

238

92U

234

90Th

206

82 Pb

Công thức chung: A = 4n + c

♦ Họ Actinium: Bắt đầu bằng hạt nhân , phóng

xạ α với chu kỳ bán rã T1/2 = 7,07.108 năm, biến thành , … cuối cùng kết thúc ở đồng vị bền của chì Các đồng vị của họ này có A = 4n + 3

235

92U

231

90Th

207

82 Pb

♦ Họ Thori: Bắt đầu bằng hạt nhân , phân rã α

với chu kỳ bán rã T1/2 = 1,41.1010 năm, biến đổi thành , … và kết thúc bằng đồng vị bền của chì Các đồng vị tham gia trong họ này có A

= 4n

228

88 Ra

232

90Th

208

82 Pb

-

-232 228 228 228 224 220 216

212 212 212 208

82

208

Th Ra Ac Th Ra Rn Po

Pb Bi Po

Te

Pb

β α

♦Họ Neptuni: Bắt đầu bằng hạt nhân với T1/2

= 2,14.106 năm, tận cùng bằng đồng vị bền của Bizmut Các đồng vị tham gia trong họ này có

A = 4n + 1

209

83Bi

237

93 Np

3 Cân bằng phóng xạ

t=0 N A(0) = N0A

Xét: A → B → C

A

A A

dN

N

B

dN

Tại thời điểm t

Thay biểu thức định luật phóng xạ của NA

t

B

dN

dt

λ

Nghiệm

0

B

N

−

0

B

B A

N

N t λ e λ e λ

−

NB(0)=0

0

B

N

−

Bao nhiêu hạt nhân mẹ A phân rã thì bấy nhiêu

Do vậy U234 có tỷ lệ 5,4.10-3 % trong Urani tự nhiên

B

N

AN A λB NB Z NZ

4

0,54.10

B B

A

A

N

T

T N

−

Ví dụ: Họ U238 có TA=4,5.109 năm, U234 có

TB=2,48.105 năm

) A B :

b λ ? λ Số hn mẹ hầu như hoàn toàn biến

đổi sang hn con

§4 PHÂN RÃ α

+

α

−

→

−

Y Y

M v M v

α α

=

Phổ vạch, các nhóm cùng vận tốc

%

α1

α2

α3

α1: 6% - 4,170 MeV

α2: 84% - 4,370 MeV

α3: 10% - 4,559 MeV

Từ phương trình bảo toàn động lượng

Y Y

M v = M vα α

Suy ra

4

A

A

D ≈ Q

Y Y

M D = M Dα α

Các khối lượng của hạt nhân con và của hạt α có thể lấy gần đúng, bằng A − 4 và 4 đvklnt

Do A rất lớn nên coi gần đúng

Năng lượng giải phóng trong phân rã α là

Q D = + Dα = M − M − M cα

§5 PHÂN RÃ β

1

β −

−

→

+

1

β +

+

→

−

− →

−

Số hạt

2 Các định luật bảo toàn

Năng lượng e bay

ra nhỏ hơn Emax,

năng lượng mất đi

đâu?

1 Các dạng phân rã

1930, Pauli nêu giả thuyết: còn một hạt nữa tham gia phản ứng và nó mang phần năng lượng “hao hụt”

n → p+ − υ%

Phản ứng trên vừa thỏa mãn định luật bảo toàn

năng lượng, vừa thỏa mãn bảo toàn spin

3 Điều kiện phân rã β

M A Z c M A Z c m c D D D

M A Z c M A Z c m c D D D

M A Z c m c M A Z c D D

υ υ υ

%

1956: tìm được bằng chứng neutrino

2000: đo được khối lượng neutrino mν≈10-6me

Cộng thêm Zmec2 sẽ suy ra điều kiện

a M A Z M A Z

c M A Z M A Z

1 Không có 2 hạt nhân đồng phân bền có điện tích sai khác nhau 1 đơn vị

2 b)→c): có thể có phản ứng bắt K đồng thời với phản ứng β+

3 Nếu a), b) thỏa mãn thì c) cũng thỏa mãn

Nhận xét:

§6 PHÂN RÃ γ

Hạt nhân từ trạng thái kích thích chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn

Bản chất: sóng điện từ có bước sóng nhỏ hơn tia X

m n

2 Cách tạo ra hạt nhân kích thích

- Bắn phá hạt nhân

- Kết quả phân rã α, β

- Hấp thụ tia gamma

- Kích hoạt neutron

Nguồn gốc