Báo cáo tiểu luận: Sơ đồ phân rã pot

Sơ đồ phân rã là sự biểu thị các mức năng lượng hạt nhân của hạt nhân phóng xạ và các cách thức kích thích.. Hai hàng đầu của sơ đồ phân rã là sự phát xạ beta, các mũi tên cho biết sự gi

Giáo viên hướng dẫn: Ths Phạm Nguyễn Thành VinhSinh viên thực hiện: Traàn Vaên Thònh

Buøi Vieät Duõng

Löông Vaên Minh

Hiệu ứng Compton

Sự tạo cặp

Sơ đồ phân rã là sự biểu thị các mức năng lượng hạt nhân

của hạt nhân phóng xạ và các cách thức kích thích Sơ đồ phân rã cho thấy các kiểu phát xạ, chu kỳ phân rã và các sản phẩm phân rã Sự biểu thị này được thực hiện bằng cách mô

tả các mức năng lượng tương đối (các đường kẻ theo chiều dọc), đường thấp nhất cho thấy các nguyên tố trong trạng thái năng lượng thấp nhất (trạng thái cơ bản) ngay cả khi nó là chất phóng xạ Sơ đồ phân rã thay đổi theo các trạng thái năng lượng Sau đó thường kèm theo sự chuyển tiếp một số tia gamma Sơ đồ phân rã rất quan trọng khi phóng liên quan đến số phân rã của hạt nhân

4.1 Sơ đồ phân rã:

4.1.1 Các kiểu phân rã:

Hình 4.1 minh hoạ các sơ đồ phân rã của một số hạt nhân phóng

xạ có ích cho thấy các kiểu phân rã đơn giản

Hai hàng đầu của sơ đồ phân rã là sự phát xạ beta, các mũi tên cho biết sự gia tăng số nguyên tử từ Z đến Z +1;

Vídụ, 14.3-d 32P miêu tả những hạt nhân phóng xạ này bị phân rã chỉ bằng sự phát xạ trực tiếp beta về trạng thái cơ bản của các mức năng lượng Trong ví dụ này phân rã trực tiếp tới trạng thái cơ bản của , phát ra các hạt beta với năng lượng lớn nhất là 1,71 MeV

Hình 4.1 các sơ đồ phân rã đơn giản

Một số sơ đồ phân rã của các chất phóng xạ được minh họa trong hình 4.2 Các hạt nhân tham gia phân rã hơn một kiểu,

ví dụ, 245-d 65Zn, hình thành do sự chiếu xạ Nơtron của 64Zn , phân rã bằng cả bức xạ positron (1,7% phân rã) và bắt electron (98,3% phân rã), trong đó 44% nhánh bắt electron dẫn đến trạng thái kích của 65Cu là 1,11 MeV

4.1.2 Sơ đồ phân rã phức tạp:

Hình 4.2 Sơ đồ phân rã của một số hạt nhân phóng xạ

với chế độ phân rã phức tạp

4.2 Tốc độ phân rã:

4.2.1 Chu kỳ bán rã:

Hằng số phân rã được thể hiện trong công thức của chu kỳ bán rã, T1/2 là thời gian cần thiết cho sự phân rã của bất kỳ lượng ban đầu nào của hạt nhân xuống một nửa con số đó Công thức (1-34) được lặp lại ở đây:

1 Nó quyết định thời gian chiếu xạ cho các yếu tố độ bão hòa

(1 – ) , với: te t1 1 là thời gian chiếu xạ

2 Nó quyết định bởi lượng phóng xạ vẫn còn hiện diện tại thời điểm

đo cho một thời gian t từ khi kết thúc chiếu xạ này

Vì vậy, tốc độ phân rã (được biểu diễn bằng chu kỳ bán rã) có thể là một yếu tố quan trọng hơn các sơ đồ phân rã trong nhiều trường hợp trong phân tích kích hoạt

Một hạt nhân với một chu kỳ bán rã rất ngắn có thể được chiếu xạ trong thời gian ngắn, nhưng nó cũng có thể phân

rã đến một mức độ không đáng kể sau khi chiếu xạ trước khi nó có thể được chuẩn bị cho đo

Như một ví dụ về tầm quan trọng của chu kỳ bán rã, chúng ta kiểm tra việc xác định beri và flo ( ví dụ, trong hợp chất tinh khiết BeF2 ) sau chiếu xạ nơtron nhiệt Hợp chất này được chọn

vì cả hai nguyên tố là đồng vị đơn; thời gian sống của 9Be dài : 2,7x106 năm, 10Be có tiết diện của 0,010 b, và 19F: thời gian sống ngắn 11s 20F mặt cắt ngang xấp xỉ 0,009 b Nếu 1 g BeF2

được tiếp xúc với một thông lượng 1012 n/cm2.s trong 1 giờ, 20F

sẽ đạt hoạt độ bão hòa, kể từ khi:

Các hoạt độ ban đầu của 20F và 10Be, tương ứng, sẽ là :

x 6,023 x 1023 x 9 x 10-27 x 1012 x 1 = 2,31x108 dps

Khi giá trị của chu kỳ bán rã là sự đặc trưng của mỗi chất phóng xạ, nếu có nhiều chất phóng xạ trong mẫu thì tổng hoạt độ

DT(t) ở thời điểm bất kỳ t sau khi chiếu xạ sẽ bằng tổng các hoạt độ thành phần:

4.2.2 Cân bằng phóng xạ

t

o n

Các hoạt động ban đầu D i 0 có thể được xác định bằng thực nghiệm bằng cách phân tích đồ họa của đường cong phân rã nếu hỗn hợp có chứa không quá ba hoặc bốn nguyên tố với chu kỳ bán

rã khác nhau từng đôi một

S D

P

D T P

1

Một ngoại lệ quan trọng xảy ra khi một chất phóng xạ phân rã đến một chất mà sản phẩm phân rã là chính nó, một chuỗi biến đổi như vậy được gọi là một chuỗi phân rã, có thể được viết là: Với P là hạt mẹ, D là hạt con, và S là sản phẩm của hạt con, mà tự

nó có thể là một chất phóng xạ Trong phân tích kích hoạt thực tế,

S là hầu như luôn luôn bền Đặc biệt là trong các trường hợp của các hạt nhân ổn định trường hợp ngoại lệ Một số tồn tại, đặc biệt

là trong các trường hợp, trong đó chất phóng xạ có hạt nhân cháu

ở trạng thái siêu bền Các chuỗi phân rã của 111Pd, 117Cd, và 124Sn

là những ví dụ của trường hợp ngoại lệ này

Bảng 4.1 Liệt kê một số nguyên tố trong chuỗi phân rã từ kích hoạt nơtron Bảng bao gồm một số sản phẩm phân hạch đôi khi

sử dụng để xác định uranium hoặc dùng như là đồng vị phóng xạ đánh dấu

Hạt nhân Phản ứng Sản

phẩm kích hoạt (P)

Chu kỳ bán rã hạt mẹ

Hạt nhân con (D) Chu kỳ bán rã

hạt con

Hạt bền (S)

Tuy nhiên, sự thay đổi hạt nhân con với thời gian là một chức năng không chỉ của riêng hằng số phân rã mà còn của tốc độ phân rã mà

nó đang được sản xuất bởi sự phân rã của hạt nhân mẹ Phương trình tốc độ phân rã cho hạt nhân con được cho bởi

D D

P P

Việc giải phương trình vi phân này có trong một số sách giáo khoa

và được cho là

t t

t P

P D

P P

P D

4.3 Tương tác của bức xạ với vật chất:

Quá trình đo phóng xạ phụ thuộc vào sự tương tác của các tia phóng xạ phát ra bởi các hạt nhân phân hủy với một số vật liệu trong môi trường Phóng xạ truyền qua vật chất trong trạng thái khí, lỏng hoặc rắn bị tác động bởi các nguyên tử của vật chất do sự bức xạ để mất động năng qua mỗi sự tương tác

Có bốn thông số mà các tương tác của bức xạ với vật chất có thể được kiểm tra:

1 Các loại bức xạ Sự phóng xạ của hạt nhân có thể được phân loại là

hạt mang điện nặng (ví dụ như proton, deuterons, và các hạt alpha), electron (tích điện âm hoặc dương), photon, và Nơtron

2 Các loại vật chất Những đặc tính của vật chất như là tính chất vât

lý, tính chất hóa học, mật độ, và số nguyên tử ảnh hưởng đến các cơ chế và tốc độ phóng xạ

3 Thành phần của các nguyên tử bị ảnh hưởng Bức xạ có thể tương

tác với hạt nhân, với quỹ đạo electron, hoặc ngay cả với điện trường của hạt nhân hoặc các obital electron

4 Loại tương tác Sự tương tác có thể diễn ra theo ba cách:

Tán xạ đàn hồi Tán xạ không đàn hồi Hấp thụ

Tán xạ đàn hồi, làm thay đổi năng lượng và hướng của bức xạ

nhưng không thay đổi nội năng của môi trường tán xạ

Tán xạ không đàn hồi, làm thay đổi năng lượng và hướng của

bức xạ, nhưng cũng gây ra sự thay đổi về năng lượng của môi trường tán xạ

Hấp thụ, trong đó bức xạ trở thành một phần của một hệ với

môi trường và các quá trình giải phóng năng lượng dư thừa của

hệ mới

Hiệu ứng quang điện

Các photon tương tác với nguyên tử và bứt ra một quang electron (chủ yếu từ vỏ K ) có năng lượng là Ee = Eγ - Be Do sự ion hóa, trong

vỏ nguyên tử sẽ xuất hiện một lỗ trống Chỗ trống này sẽ nhanh chóng bị lấp đầy bởi electron từ lớp trên và sẽ xuất hiện một tia X đặc trưng hay một electron Auger Năng lượng của tia X đặc trưng xấp xỉ bằng năng lượng liên kết Be của electron

Sự hấp thụ bởi các hiệu ứng quang điện giảm nhanh chóng với sự tăng năng lượng tia gamma (như được thể hiện trong hình) mà còn tăng nhanh với sự gia tăng số lượng nguyên tử hấp thụ Nó đã được chứng minh rằng xác suất của sự hấp thụ quang điện cho tia gamma với năng lượng trong khoảng giữa năng lượng liên kết của lớp vỏ-K

và 0,5 Me V là xấp xỉ bằng:

5 , 3

pe 

Làm cho sự hấp thụ quang điện xảy ra chủ yếu đối với các tia gamma có năng lượng thấp và trong các nguyên tố có Z lớn

Photon tới va chạm với một electron từ nguyên tử và bị tán xạ theo

góc Φ với năng lượng bị suy biến Electron Compton bị lệch khỏi

phương chuyển động một góc với năng lượng Ee = Eγ - Eγ’ , bỏ qua

sự năng lượng liên kết tương đối nhỏ của electron

Hiệu ứng Compton

Trong tán xạ Compton các photon chỉ chuyển hóa một phần năng lượng của mình cho một electron, tạo thành một photon mới với năng lượng thấp hơn Sau đó có thể trải qua một sự tán

xạ Compton hoặc sự hấp thụ quang điện Sự bảo toàn năng lượng của nó theo công thức sau:

) cos 1

Từ sự bảo toàn động lượng đã dẫn đến sự thay đổi bước sóng

Δλ đối với các photon tán xạ là :

Với Ф là góc của các photon tán xạ ứng với các photon tới Phương trình (45) cho thấy sự thay đổi bước sóng của các photon tán xạ là độc lập với bước sóng của chính nó Vì vậy, năng lượng photon bị mất trong một tán xạ Compton tăng với sự gia tăng năng lượng photon Phương trình (45) có thể được chuyển đổi để cung cấp cho các phương trình năng lượng của các photon suy biến như sau:

E

Khi Eγ >> mc2 thì:

) cos 1

(

2 '

Các photon có năng lượng vượt quá 1,02 MeV có thể tương tác với điện trường của hạt nhân Photon bị hấp thụ để tạo ra một cặp electron mang điện dương và mang điện âm, có tổng động năng là

Eγ ~ 1,02 MeV Positron này, sau khi dừng lại, sẽ bị hủy với một electron, nên đi kèm với sự tạo cặp là sự hủy cặp, thể hiện ở sự tạo

ra hai photon có năng lượng 0,51 MeV

Sự tạo cặp

Điện trường của một hạt nhân

Sự tạo cặp

Việc tạo cặp positron và negatron phải diễn ra trong điện trường tĩnh của hạt nhân để bảo toàn động lượng của photon tới Năng lượng dư thừa của photon được chuyển hóa thành động năng của cặp.

KE = Eγ – 1,02 MeV (48)

MERRY! CHRISTMAS!! EVERYBODY