Tìm hiểu về phóng xạ và Ứng dụng của nó trong cuộc sống

Tìm hiểu về hiện tượng phóng xạ và Ứng dụng của nó trong cuộc sống. Chương 1 Một số vấn đề xã hội về phóng xạ trên thế giới và trong nướcChương 2 Lịch sử phát hiện và quy luật phân rã phóng xạChương 3 Các đại lượng đặc trưng và các đơn vị đo lường phóng xạ Chương 4 Tìm hiểu các tia phóng xạ và hiện tượng phóng xạ trong tự nhiênChương 5 Các phương pháp ghi đo bức xạChương 6 Phóng xạ tự nhiên và ứng dụng của nóChương 7 Phóng xạ nhân tạo và ứng dụng của nóChương 8 Phân rã beta theo quan điểm hiện đại

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiê ̣n đề tài em đã gă ̣p không ít khó khăn ở nhiều vấn đề, nhưng

ngoài nỗ lực của bản thân em còn nhâ ̣n được sự giúp đỡ tâ ̣n tình của thầy cô ba ̣n bè, đă ̣c biê ̣t

là thầy giáo hướng dẫn , nên đến nay em đã hoàn thành luâ ̣n văn của mình

Lờ i đầu tiên em xin chân thành cám ơn trường Đa ̣i ho ̣c , khoa , bô ̣ môn Sư

đã ta ̣o điều kiê ̣n thuâ ̣n lợi, cung cấp tài liê ̣u để em thực hiê ̣n đề tài này Tiếp đến em xin

chân thành cám ơn thầy và tất cả ba ̣n bè đã giúp đỡ tâ ̣n tình cho em trong thời gian qua

Và em cũng cám ơn các ba ̣n đã giúp đỡ em trong lúc khó khăn

Cần Thơ, ngày 12 tháng 10 năm 2012

Sinh viên thực hiê ̣n

MU ̣C LỤC

Phần MỞ ĐẦU 7

Phần NỘI DUNG 10

Chương 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ XÃ HỘI VỀ PHÓNG XẠ 10

TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 10

1.1 Trên thế giới 10

1.2 Trong nướ c 11

Chương 2: LỊCH SỬ PHÁT HIỆN 13

VÀ QUY LUẬT PHÂN RÃ PHÓNG XẠ 13

2.1 Phát hiê ̣n hiê ̣n tượng phóng xa ̣ tự nhiên 13

2.2 Quy luật phân rã phóng xa ̣ 13

2.2.1 Phân rã phóng xạ đơn giản 13

2.2.2 Chuỗi nhiều phân rã phóng xạ 16

2.2.2.1 Chuỗi hai phân rã phóng xạ 16

1.2.2.2 Chuỗi ba phân rã phóng xạ 16

2.2.2.3 Cân bằng phóng xạ 17

Chương 3: CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG 19

VÀ CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG PHÓNG XẠ 19

3.1 Các đa ̣i lượng đă ̣c trưng 19

3.1.1 Hoạt độ 19

3.1.2 Chu kỳ bán rã T1/2 19

3.1.3 Hằng số phóng xạ 19

3.1.4 Đời sống trung bình  19

3.2 Các đơn vi ̣ đo lường phóng xa ̣ 19

3.2.1 Đơn vị Curie 19

3.2.2 Đơn vị Rơnghen 20

3.2.3 Đơn vị Rad 20

3.2.4 Đơn vị Rem 20

3.2.5 Phân biệt giữa đơn vị liều lượng phóng xạ với đơn vị hoạt độ phóng xạ 20

3.3 Các đi ̣nh luâ ̣t chi phối hiê ̣n tượng phóng xa ̣ 20

3.3.1 Định luật bảo toàn điện tích 20

3.3.2 Định luật bảo toàn số khối 21

3.3.3 Định luật bảo toàn năng lượng 21

3.3.4 Định luật bảo toàn xung lượng 21

3.3.5 Định luật bảo toàn spin 21

3.3.6 Định luật bảo toàn tính chẵn lẻ 21

Chương 4: TÌM HIỂU CÁC TIA PHÓNG XẠ 22

VÀ HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ TRONG TỰ NHIÊN 22

4.1 Phân rã  22

4.1.2.2 Thời gian bán rã và năng lượng 24

4.1.2.3 Cấu trúc tinh tế 24

4.1.3 Điều kiê ̣n về năng lượng đối với phân rã alpha 24

4.1.4 Cơ chế phân rã alpha 25

4.2 Phân rã  26

4.2.1 Các loại phân rã beta 26

4.2.1.1 Phân rã- 26

4.2.1.2 Phân rã + 28

4.2.1.3 Chiếm electron quỹ đạo 29

4.2.1.4 Các tính chất cơ bản của phân rã beta 30

4.2.2 Cân bằng năng lượng trong phân rã beta 31

4.2.2.1 Phân rã - 31

4.2.2.2 Phân rã + 31

4.3 Dịch chuyển gamma 32

4.3.1 Các tính chất của dịch chuyển gamma 33

4.3.1.1 Sơ đồ dịch chuyển gamma 33

4.3.1.2 Năng lượng của bức xạ gamma 33

4.4 Họ phóng xa ̣ 33

4.4.1 Họ Urani 33

4.4.2 Họ Actinium 34

4.4.3 Họ Thori 35

4.4.4 Kết luận 36

4.4.5 Họ Neptuni 37

Chương 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO BỨC XẠ 38

5.1 Detecter chứ a khí 38

5.1.1 Miền I: Miền tái hợp 40

5.1.2 Miền II: Miền buồng ion hóa 40

5.1.3 Miền III: Miền ống đếm tỷ lệ 40

5.1.4 Miền IV: Miền ống đếm Geiger-Muller 40

5.1.5 Miền V: Miền phóng điện 40

5.2 Buồng ion hóa 41

5.3 Ống đếm tỉ lê ̣ 41

5.4 Ống đếm Geiger- Nucler 42

5.4.1 Nguyên tắc hoạt động 42

5.4.2 Đặc trưng plateau 42

5.4.3 Thời gian chết và thời gian hồi phục 43

CHƯƠNG 6: PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 43

VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA NÓ 43

6.1 Các đồng vi ̣ phóng xa ̣ trong tầng sinh quyển 43

6.1.1 Phóng xạ trong đất 44

6.1.1.1 Các dãy phóng xạ tự nhiên 44

6.1.1.2 Các đồng vị phóng xạ khác 47

6.1.2 Tia vũ trụ 48

6.1.2.2 Thành phần cứng 48

6.1.2.3 Thành phần mềm 49

6.2 Các đa ̣i lượng và đơn vi ̣ đo liều bức xa ̣ 50

6.2.1 Hoạt độ 51

6.2.2 Liều bức xạ 51

6.2.3 Liều tương đương sinh học và liều hiệu dụng 51

6.2.4 Xác suất hiệu ứng ngẫu nhiên của bức xạ 53

6.2.5 Liều giới hạn cho phép 53

6.3.1 Chiếu xạ ngoài 53

6.3.1.1 Bức xạ gamma từ các nguồn phóng xạ trong đất đá 53

6.3.1.2 Phóng xạ của tia vũ trụ 54

6.3.1.3 Các vùng có dị thường của phóng xạ tự nhiên 54

6.3.2 Chiếu xạ trong 55

6.3.2.1 Dãy 238U 55

6.3.2.2 Radon và các sản phẩm phân rã của nó 57

6.3.2.3 Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc tử tia vũ trụ 57

6.3.2.4 Các đồng vị phóng xạ dài khác 58

6.3.2.5 Những vùng có chiếu xạ trong bất thường 58

6.3.3 Liều hiệu dụng tổng cộng (chiếu xạ ngoài và chiếu xạ trong) 58

6.4 Phương pháp phóng xa ̣ tự nhiên xác đi ̣nh niên đa ̣i 60

6.4.1 Nguyên lý 60

6.4.2 Phương pháp Uran- Chì 61

6.4.3 Phương pháp cacbon phóng xạ 63

6.4.3.1 Nguồn gốc của 14C 63

6.4.3.2 Xác định tuổi mẫu vật bằng phương pháp cacbon phóng xạ 64

6.4.4 Phương pháp nhiê ̣t huỳnh quang xác đi ̣nh niên đa ̣i 67

6.4.4.1 Hiện tượng nhiê ̣t huỳnh quang (thermoluminescence) 67

6.4.4.2 Cơ sở của phương pháp nhiê ̣t huỳnh quang xác đi ̣nh niên đa ̣i 69

Chương 7: PHÓNG XẠ NHÂN TẠO VÀ ỨNG DỤNG 70

7.1 Chế ta ̣o các đồng vi ̣ phóng xa ̣ nhân ta ̣o 70

7.1.1 Dùng máy gia tốc 70

7.1.2 Chiếu xạ bởi notron trong lò phản ứng 70

7.1.3 Từ các sản phẩm phân hạch 73

7.2 Ứng dụng các nguồn bức xa ̣ gamma, notron có hoa ̣t đô ̣ lớn 73

7.2.1 Chụp ảnh gamma 73

7.2.1.1 Coban Co60 73

7.2.1.2 Đồng vị tantan Ta182 74

7.2.1.3 Đồng vị Iridium Ir192 74

7.2.2 Chiếu xạ gamma 74

7.2.2.1 Diệt trùng để bảo quản thực phẩm 74

7.2.2.2 Diệt trừ côn trùng, bảo quản ngũ cốc, rau quả 75

7.2.2.3 Diệt trùng bảo quản dược liệu, vật liệu y tế

7.2.3.1 Tác dụng của bức xạ gamma lên các polime đại phân tử 76

7.2.3.2 Tác dụng của notron lên các vật liệu 77

7.3 Phương pháp đồng vi ̣ đánh dấu 78

7.3.1 Xác định độ hư mòn 78

7.3.2 Phương pháp đánh dấu ứng dụng trong y sinh, nông học, thủy văn… 79

7.3.2.1 Trong y sinh 79

7.3.2.2 Trong nông nghiệp 80

7.3.2.3 Trong thủy văn 80

7.4 Ứng dụng đồng vi ̣ phóng xa ̣ trong các phép đo, kiểm tra liên tu ̣c 81

7.4.1 Phép đo bề dầy 81

7.4.2 Phép đo mức, thể tích, lưu lượng chất lỏng 81

7.5 Phương pháp notron 81

7.5.1 Xác định độ ẩm của đất bằng phương pháp notron 82

7.5.2 Ứng dụng notron trong thăm dò, tìm kiếm dầu 82

7.6 Phương pháp gamma xác đi ̣nh mâ ̣t đô ̣ 83

7.6.1 Xác định mật độ bằng bức xạ gamma truyền qua 83

7.6.2 Xác định mật độ bằng gamma tán xạ 83

7.7 Một vài ứng du ̣ng đă ̣t biê ̣t 83

7.7.1 Pin hạt nhân 83

7.7.2 Kĩ thật triệt sản côn trùng 84

7.7.3 Trong chữa bệnh ung thư 84

7.8 Một vài ứng du ̣ng đã được áp du ̣ng ở viê ̣t nam 85

7.8.1 Trong nông nghiệp 85

7.8.2 Trong công cuộc bảo vệ môi trường 86

7.8.3 Phát triển các kỹ thuật phân tích hạt nhân 86

7.8.4 Nghiên cứu các quá trình trong tự nhiên 87

7.8.5 Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong khử trùng, bảo quản và biến tính vật liệu 87

7.8.6 Trong công nghiệp 88

7.8.7 Dịch vụ đo liều bức xạ 88

7.8.8 Thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử hạt nhân 89

Chương 8: PHÂN RÃ BETA THEO QUAN ĐIỂM HIỆN ĐẠI 90

8.1 Các ha ̣t quark 90

8.2 Cấu ta ̣o các ha ̣t hardron theo quark 91

8.2.1 Cấu tạo các hạt proton theo quark 91

8.2.2 Cấu tạo các hạt notron theo quark 91

8.3.1 Phân rã - 91

8.3.2 Phân rã + 92

8.4 Các loa ̣i tương tác 92

8.4.1 Tương tác hấp dẫn 92

8.4.2 Tương tác điê ̣n từ 92

8.4.3 Tương tác ma ̣nh 92

8.4.4 Tương tác yếu 92

8.5 Tương tác yếu - ha ̣t mezon vecto trung gian w+, w-, z0 93

Phần KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

Phần MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay kỹ thuật hạt nhân và đồng vị phóng xạ được ứng dụng có hiệu quả vào

nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội Thí du ̣: sản xuất đồng vị và điều chế dược

chất phóng xạ phục vụ chẩn đoán và điều trị bệnh; sử dụng kỹ thuật nguồn kín để xây dựng

các hệ đo đạc hạt nhân như đo mức chất lỏng, đo độ dày, độ ẩm của vật liệu; trong các dây

chuyền tự động hóa của các nhà máy công nghiệp; phát triển các kỹ thuật phân tích hạt nhân

để tham gia vào các chương trình thăm dò, khai thác tài nguyên khoáng sản và nghiên cứu,

bảo vệ môi trường; sử dụng các đồng vị tự nhiên và nhân tạo để đánh giá một số quá trình

trong tự nhiên như hiện tượng bồi lấp, xói mòn; sử dụng các nguồn bức xạ cường độ cao để

khử trùng các dụng cụ, chế phẩm và bảo quản thực phẩm, dược phẩm; ứng dụng kỹ thuật hạt

nhân trong nông nghiệp và sinh học

Đặt biệt là sử dụng năng lượng hạt nhân mở ra một quá trình tiến hóa, trong đó bao

gồm cả cuộc cách mạng kỹ thuật mới dẫn tới cơ sở mới về công nghệ và năng lượng cho nền

kinh tế Đó là một số ưu điểm nổi bật của ngành hạt nhân nói chung còn về hiện tượng

phóng xạ nói riêng đang được đầu tư nghiên cứu phát triển ngày càng nhiều nhằm phục vụ

cho đời sống con người Hiện nay trên thế giới cũng như Việt Nam phóng xạ ngày được ứng

dụng phục vụ cho các ngành khoa học đặc biệt là y học

Các nguồn phóng xạ trong tự nhiên và bản thân các nguồn phóng xạ nhân tạo cũng đã

đóng góp một phần không nhỏ vào sự phát triển của thế giới hiện nay Tuy nhiên, bên cạnh

các yếu tố tích cực, các nguồn phóng xạ này cũng gây ra các hiệu ứng khác nhau tác động

trực tiếp hay gián tiếp tới cơ thể con người cũng như môi trường xung quanh, điển hình là vụ

nổ nhà máy điện nguyên tử Chernobyl năm 1986, và gần đây là các sự cố liên tiếp tại nhà

máy điện hạt nhân Fukushima số 1 tỉnh Fukushima phía Đông Bắc Nhật Bản sau thảm hoạ

động đất sóng thần vào tháng 3/2011

Nếu không có lợi ích thực tiễn từ các chất phóng xạ và từ tia phóng xạ của chúng phát

ra, thì việc sản xuất và sử dụng chúng là vô nghĩa Qua nhiều thập kỷ, các chất phóng xạ

nhân tạo đã đem lại nhiều lợi ích to lớn trong chẩn đoán, điều trị bệnh, cũng như hàng loạt

kỹ thuật trong khoa học, nghiên cứu, nông nghiệp và công nghiệp, những lĩnh vực đã cải

thiện cuộc sống trên Trái đất với mức độ khó có thể đánh giá được

Ngày nay, chủ đề phóng xạ là một chủ đề mang tính thời sự và rõ ràng là nhiều người

thực sự lo lắng đặc biệt là về ảnh hưởng lâu dài của nó đối với sức khoẻ của chính họ và con

cháu họ Khả năng sự cố trong các cơ sở hạt nhân, vấn đề quản lý, vận chuyển và lưu giữ

chất thải hạt nhân, ảnh hưởng của rác thải từ các nhà máy điện hạt nhân ra môi trường và các

vụ thử vũ khí hạt nhân là chủ đề lặp đi lặp lại trong sách vở, tạp chí, trên các chương trình ti

vi và trong câu chuyện hàng ngày

Trước tình hình hiện nay việc nghiên cứu chuyên sâu về hiện tượng phóng xạ là điều hết sức

cần thiết

Trong quá trình học tập em đã được trang bị kiến thức khoa học về phóng xạ nhưng tầm hiểu

biết vẫn còn hạn hẹp

Mặt khác, để trang bị kiến thức về phần hạt nhân một cánh sâu sắc hơn phục vụ cho

việc giảng dạy ở trường phổ thông sau này và để cho sinh viên nắm rõ hơn về sự thống nhất

của Vật lý hạt nhân và Vật lý hạt cơ bản

Căn cứ vào những biến động gần đây của giới hạt nhân và những thuận lợi có được em đã

chọn nghiên cứu đề tài ”Tìm hiểu về phóng xạ và Ứng dụng của nó trong cuô ̣c sống”.Hy

vọng sẽ đáp ứng được phần nào yêu cầu đặt ra

Đề tài này được giới ha ̣n trong 5 vấn đề lớn:

- Những hiểu biết khoa học về hiện tượng phóng xạ

- Các phương pháp ghi đo bức xa ̣

- Phóng xa ̣ tự nhiên và ứng du ̣ng của nó

- Phóng xa ̣ nhân ta ̣o và ứng du ̣ng của nó

-Tìm hiểu về sự phân rã  theo quan điểm hiện đại

Những vấn đề này được triển khai trong các chương sau:

Chương 1 Mô ̣t số vấn đề xã hô ̣i về phóng xa ̣ trên thế giới và trong nước

Chương 2 Lịch sử phát hiện và quy luâ ̣t phân rã phóng xạ

Chương 3 Các đại lượng đặc trưng và các đơn vị đo lường phóng xạ

Chương 5 Các phương pháp ghi đo bức xa ̣

Chương 6 Phóng xa ̣ tự nhiên và ứng du ̣ng của nó

Chương 7 Phóng xa ̣ nhân ta ̣o và ứng du ̣ng của nó

Chương 8 Phân rã  theo quan điểm hiện đại

2 MU ̣C ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu về hiện tượng phóng xạ và Ứng dụng của nó trong cuô ̣c sống

3 GIỚI HA ̣N CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài chỉ nghiên cứu lý thuyết, không tiến hành thực nghiê ̣m

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Nhận đề tài

2 Thu thập và nghiên cứu tài liê ̣u

3 Viết bài luận văn

4 Bảo vệ luận văn

Phần NỘI DUNG

Chương 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ XÃ HỘI VỀ PHÓNG XẠ

TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 1.1 TRÊN THẾ GIỚI

Kể từ ngày được nhà bác học Henri Becquerel tìm ra vào năm 1896, tính đến nay, phát minh

về chất phóng xạ đã có gần 120 tuổi Trong hành trình hơn 100 năm lịch sử đó, chất liệu này

đã trải qua những biến đổi thăng trầm, có khi là một giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp quân sự và cuộc sống nhưng ngày nay đang trở thành nguy cơ âm thầm của một tai họa tự nhiên mà các nhà khoa học mới vừa khám phá

Vào những năm 1930, hai nhà khoa học Frederic và Irene Joliot Curie làm ra chất phóng xạ nhân tạo Từ đó, các nhà khoa học không phải lệ thuộc vào chất phóng xạ tự nhiên, quý hiếm

và vô cùng đắt đỏ nữa Năm 1945, cụ thể hơn là ngày 6/8/1945, quả bom hạt nhân đầu tiên trong lịch sử loài người bùng nổ trên đảo Hiroshima - Nhật Bản đã cho thấy mặt trái của chất phóng xạ trong tay nhà quân sự

Từ những thập niên 1950 - 1960, việc thải chất plutonium ra môi trường đã trở thành một vấn đề đáng báo động Vùng Sellafield (vương quốc Anh) là nơi sản xuất ra plutonium cho việc chế tạo các đầu đạn hạt nhân Hậu quả là chất phóng xạ gia tăng trong môi trường sống, tác hại đến sức khỏe và tính mạng của con người Tại một ngôi làng nhỏ ở Seascale, cách Sellafield 2km về phía Nam, số trẻ em bị bệnh bạch cầu tăng gấp 7 lần so với những nơi khác Tình trạng tương tự xảy ra tại nhiều nơi trên đất nước Ireland, buộc Chính phủ nước này phải lên tiếng cáo buộc chính quyền vương quốc Anh đã làm ô nhiễm phóng xạ trên vùng duyên hải của họ Chính phủ Anh cho biết, họ đã chi ra 2 tỷ bảng Anh trong 15 năm để

xử lý chất thải hạt nhân Theo những số liệu được công bố gần đây, tại vùng biển Ireland, mật độ chất phóng xạ quanh nhà máy Sellafield vẫn còn ở mức cao

Hiện tượng nhiễm xạ cao của môi trường dẫn đến tình trạng nhiều loại thực phẩm do con người sử dụng hàng ngày cũng bị nhiễm xạ

Thời gian gần đây, một phát hiện khoa học mới đã mang đến cho mọi người nỗi ngạc nhiên

thực phẩm chúng ta sử dụng hàng ngày Nhận định này được giới khoa học đưa ra sau khi tìm thấy hàm lượng cao chất phóng xạ trong phân chim và cây cối mọc trên một hòn đảo gần Bắc cực Họ giải thích là các chất phóng xạ tích tụ trong đại dương qua những biến chuyển địa chất dưới đáy biển, thêm vào đó là các chất đồng vị phóng xạ do con người thải ra trong việc xử lý các cơ sở hạt nhân trên đất liền, trong đó, có chất phóng xạ từ thảm họa Chernobyl ở Ukraina vào năm 1986, đã khiến nước biển và các sinh vật biển bị nhiễm xạ và cuối cùng thì thông qua các loài chim biển, chất phóng xạ đó nhiễm vào thực phẩm, rau củ quả trên đất liền và gần đây là các sự cố liên tiếp tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima số 1 tỉnh Fukushima phía Đông Bắc Nhật Bản sau thảm hoạ động đất sóng thần vào tháng 3/2011

Mặc dù ngày nay, chất phóng xạ vẫn đang được sử dụng nhưng hình ảnh của radium đã thay đổi nhanh chóng dưới con mắt của đại chúng Người ta đã cảnh giác hơn rất nhiều với các chất phóng xạ trong tự nhiên cũng như nhân tạo Còn các nhà khoa học thì vẫn miệt mài không ngừng nghỉ trong việc nghiên cứu các chất phóng xạ để tìm ra cách khai thác tối đa mặt có lợi và hạn chế mặt có hại của chúng

1.2 TRONG NƯỚC

Chính sách phát triển năng lượng bền vững được Đảng và Nhà nước ta quan tâm mà nội dung cơ bản là đa dạng hóa các nguồn năng lượng có tính đến việc bảo tồn phát triển tài nguyên và bảo vệ môi trường Nhận thức rõ vai trò của điện hạt nhân trong chính sách phát triển năng lượng trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, ngành hạt nhân được giao nhiệm vụ tham gia "Nghiên cứu xây dựng nhà máy điện nguyên tử trong quy hoạch dài hạn" Vào tháng 11 năm 1983, lò phản ứng hạt nhân đầu tiên ở nước ta đặt tại Đà Lạt được đưa vào hoạt động Mục tiêu của lò là nghiên cứu cơ bản và sản xuất các đồng vị phóng xạ phục vụ nhu cầu thực tế của nước ta và dùng phương pháp đồng vị phóng xạ để đánh dấu khảo sát quá trình công nghiệp, nghĩa là kỹ thuật soi, dùng tia phóng xạ truyền qua lấp hình ảnh, một số kỹ thuật phân tích trực tiếp trên vật mẫu

Gần đây, phương pháp đánh dấu đồng vị phóng xạ được ứng dụng trong khai thác dầu khí để theo dõi sự di chuyển của nước bơm ép trong mỏ, chẩn đoán tối ưu hóa các quá trình công

nghệ nhằm góp phần đảm bảo chất lượng, an toàn trong sản xuất và đời sống phục vụ công tác khai thác các mỏ dầu ở thềm lục địa Việt Nam

Kỹ thuật hạt nhân và đồng vị phóng xạ đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng vì mục đích hòa bình của Năng lượng nguyên tử của nhiều nước, trong đó có nước ta, bởi lẽ các ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân không những đóng góp có ý nghĩa vào chương trình phát triển kinh tế - xã hội mà còn góp phần chuẩn bị nhân lực và mở rộng khả năng chấp nhận của dân chúng đối với Chương trình điện hạt nhân trong tương lai

Chương 2: LỊCH SỬ PHÁT HIỆN

VÀ QUY LUẬT PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

2.1 PHÁT HIÊ ̣N HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN

Nhà Vật Lý người Pháp Antonine Henri Becquerel là người đầu tiên khám phá ra hiện tượng phóng xạ vào năm 1896 Bằng phương pháp thực nghiệm ông đã phát hiện ra muối Urani phát ra những tia không trông thấy nhưng lại có khả năng xuyên qua các lớp vật chất không trong suốt, ion hóa được không khí, tác dụng lên kính và phim ảnh hoặc gây ra hiện tượng phát quang ở một số chất

Phóng xạ tự nhiên là một quá trình biến đổi tự phát của những hạt nhân không bền, trong quá trình phân rã đó, hạt nhân đồng vị này phát ra những hạt hoặc tia phóng xạ và biến thành hạt nhân đồng vị khác

2.2.1 Phân rã phóng xạ đơn giản

Khi phân rã phóng xạ, số hạt nhân chưa bị phân rã sẽ giảm theo thời gian Giả sử ở thời điểm

t, số hạt nhân phóng xạ chưa bị phân rã là N Sau thời gian dt số đó trở thành N – dN vì có

dN hạt nhân phân rã Độ giảm số hạt nhân chưa bị phân rã –dN tỉ lệ với N và dt:

Trong đó N0 là số hạt nhân chưa bị phân rã ở thời điểm ban đầu t = 0, N là số hạt nhân chưa

bị phân rã ở thời điểm t Đây là quy luật phân rã của hạt nhân phóng xạ

Thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ được tính như sau:

Vậy T còn có nghĩa là khoảng thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi e = 2,72 lần Nó

còn được gọi là chu kỳ phân rã

Để phân biệt được tốc độ phân rã của hạt nhân phóng xạ người ta dùng đại lượng thời gian bán rã T1/2 Đó là khoảng thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi một nửa Thay t = T1/2

Ví dụ, thời gian bán rã của hạt nhân phóng xạ Co60 là T1/2 = 5,27 năm, của Cs137 là T1/2 =

Hình 2.1 : Quy luật phân rã phóng xạ

Hoạt độ phóng xạ là số phân rã của nguồn phóng xạ trong một đơn vị thời gian:

Trong đó N là số hạt nhân chưa bị phân rã, tính theo công thức (2.3) Như vậy :

Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ trong hệ SI là Becquerel (kí hiệu là Bq) 1 Bq là 1 phân rã trong

1 giây Đơn vị thường dùng khác là Curie (kí hiệu là Ci), liên hệ với đơn vị Bq như sau:

2.2.2 Chuỗi nhiều phân rã phóng xạ

2.2.2.1 Chuỗi hai phân rã phóng xạ

Ta xét chuỗi phân rã từ đồng vị 1, gọi là đồng vị mẹ, thành đồng vị 2, gọi là đồng vị con, rồi đồng vị 2 phân rã thành đồng vị 3 Chuỗi phân rã này được miêu tả bởi hệ hai phương trình tương tự như phương trình (2.1)

dN2(t) = 1N1(t)dt - 2N2(t)dt (2.12)

Trong đó N1(t) và N2(t) là số hạt nhân của các đồng vị 1 và 2 tại thời điểm t, 1 và 2 là các hằng số phân rã của các hạt nhân 1 và 2 Từ hai phương trình này ta được hệ hai phương trình vi phân sau:

dt = 1N1(t) - 2N2(t) (2.14)

Để giải hệ phương trình vi phân (2.13) và (2.14) ta đặt các điều kiện ban đầu tại thời điểm

t = 0 như sau: Số hạt nhân 1 là N1(0) = N10 và số hạt nhân 2 là N2(0) = N20 Khi đó ta được các nghiệm bằng:

1-2 (e-1 - e-2t ) + N20e-2t (2.16)

Nếu ở thời điểm ban đầu chỉ có đồng vị 1 mà không có đồng vị 2, nghĩa là N20 = 0 thì (2.16) trở thành:

N2(t) = N01

1-2 (e-1 - e-2t ) (2.17)

1.2.2.2 Chuỗi ba phân rã phóng xạ

Ta xét chuỗi gồm ba đồng vị phóng xạ nối tiếp nhau từ đồng vị mẹ 1 sang đồng vị con 2, đồng vị con 2 sang đồng vi cháu 3, và đồng vị cháu 3 lại tiếp tục phân rã

Ví dụ: chuỗi phân rã trong dãy U238 :

Đồng vị 3 có số hạt nhân tại thời điểm t là N3(t), tại thời điểm t = 0 là N30 và hằng số phân rã

là 3 Khi đó ta có hệ 3 phương trình vi phân sau đây:

e-2t(1-2)(3-2)+

e-3t(1-3)(1-3) (2.23)

2.2.2.3 Cân bằng phóng xạ

rã nhỏ hơn hằng số phân rã của đồng vị con 2, nghĩa là 1 < 2 và các thời gian bán rã của chúng xấp xỉ bằng nhau T1/2, 1  T1/2, 2 thì các đồng vị đó thiết lâ ̣p một trạng thái cân bằng phóng xạ động Từ biểu thức (2.17) thấy rằng, sau khoảng thời gian t lớn hơn thì số hạng thứ

2 trong dấu ngoặc đơn có thể bỏ qua so với số hạng thứ nhất và (2.17) trở thành:

Nếu đồng vị mẹ có thời gian bán rã rất lớn so với thời gian bán rã của đồng vị con, nghĩa là

Từ (2.29) ta thu được biểu thức tương tự như (2.28):

N1 : N2 : … : Nn = T1/2, 1 : T1/2, 2 : … : T1/2, n (2.30)

Chương 3: CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG

VÀ CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG PHÓNG XẠ

3.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG

3.1.1 Hoạt độ

Để so sánh khả năng phóng xạ mạnh hay yếu của nhiều chất phóng xạ khác nhau, ta phải căn cứ vào số hạt nhân phân rã trong cùng một đơn vị thời gian Đại lượng này được gọi là hoạt độ phóng xạ Kí hiệu A

trong một đơn vị thời gian của nguồn

dt Dấu (-) cho biết số hạt phân rã dN giảm theo thời gian t

3.1.2 Chu kỳ bán rã T1/2

Khoảng thời gian để cho các hạt nhân phóng xa N0 giảm đi phân nữa được gọi là chu kỳ bán

rã T1/2( hay là chu kỳ bán hủy):

Đây là đơn vị đo độ phóng xạ của một nguồn

1Ci = 3,7.1010 phân rã trong một giây

1 Ci bằng độ phóng xạ của 1 gram Radie

Ta nói một đối tượng đã nhận được liều lượng hấp thụ một rad khi nó được cung cấp 10mJ\kg bởi các bức xạ ion hóa

Toàn bộ cơ thể nhận được một liều lượng tia gamma 300rad trong một thời gian ngắn có thể gây tử vong với tỉ lệ 50%

3.2.5 Phân biệt giữa đơn vị liều lượng phóng xạ với đơn vị hoạt độ phóng xạ

Trong khi đơn vị “hoạt độ” phóng xạ phản ánh tính khách quan của nguồn phóng xạ thì đơn

vị “liều lượng “ phóng xạ phụ thuộc vào chủ quan đối tượng vật chất nó tác động

Thât vây, hai nguồn phóng xạ bản chất khác nhau tác động lên vật chất với cùng liều lượng 1 rad chẳng hạn sẽ gây ra những hiệu ứng sinh học khác nhau vì môi trường vật chất chịu tác động khống nhau từ những tia phóng xạ bản chất khác nhau

3.3 CÁC ĐI ̣NH LUẬT CHI PHỐI HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

3.3.1 Định luật bảo toàn điện tích

3.3.2 Định luật bảo toàn số khối

Tổng số nuclon trước và sau hiện tượng phóng xạ phải bằng nhau

Với: A  b + B

Thì AA = Ab + AB

A: số hạt nuclon của hạt nhân phóng xạ

3.3.3 Định luật bảo toàn năng lượng

Năng lượng trước phóng xạ phải bằng tổng năng lượng sau khi phóng xạ

3.3.4 Định luật bảo toàn xung lượng

Nhờ đinh luật này ta xác đinh được góc  bay ra

3.3.5 Định luật bảo toàn spin

spin của hệ trước và sau biến đổi (hiện tượng phóng xa) hoặc đều là nguyên hoặc là đều bán nguyên

3.3.6 Định luật bảo toàn tính chẵn lẻ

Tình chẵn lẻ của trạng thái hệ trước và sau khi phân rã phóng xạ phải không đổi

Chương 4: TÌM HIỂU CÁC TIA PHÓNG XẠ

VÀ HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ TRONG TỰ NHIÊN

4.1 PHÂN RÃ 

4.1.1 Quy tắc dịch chuyển

Hạt alpha là hạt nhân 2He4 , có điện tích bằng +2e và khối lượng gần bằng 4 lần khối lượng

nuclon Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỷ số N

Z quá thấp Khi phân rã alpha, hạt nhân ban đầu ZXA chuyển thành hạt nhân Z-2YA-4 và phát ra hạt alpha

Z XA  Z-2 YA-4 + 2 He4 (4.1)

Về quan hệ khối lượng, phân rã alpha thỏa mãn điều kiện sau đây:

Mm = Me + M + 2me + Q (4.2)

Trong đó Mm, Me, me và m tương ứng là khối lượng các nguyên tử mẹ, nguyên tử con, hạt

electron và hạt nhân alpha Q là khối lượng tương đương với năng lượng tổng cộng giải

phóng khi phân rã, bằng tổng động năng của hạt nhân con và hạt alpha Hai hạt electron quỹ

đạo bị mất đi khi hạt nhân mẹ phân rã ra hạt nhân con có số nguyên tử thấp hơn

nhất với hạt alpha năng lượng 4,591 MeV, suất ra 5,7 % và nhánh thứ hai với alpha năng

thái cơ bản Hạt nhân Rn222 sau phân rã theo nhánh thứ hai nằm ở trạng thái cơ bản

Hiện nay người ta đã biết được hơn 200 hạt nhân phân rã alpha Phân rã alpha chủ yếu xảy

ra với các hạt nhân nặng ở cuối bảng tuần hoàn Medeleev với Z > 83, tức là các hạt nhân có điện tích Z lớn hơn từ hai đơn vị trở lên so với số magic Z = 82 Chẳng hạn thallium (Z = 81) không có đồng vị phát alpha nào, chì (Z = 82) có hai đồng vị phát alpha, bismuth ( Z = 83) có 9 đồng vị còn polonium ( Z = 84) có không ít hơn 21 đồng vị phát alpha Ngoài

ra có một nhóm nhỏ các hạt nhân trong vùng đất hiếm cũng phân rã alpha với A = 140 đến

160, hạt nhân nhẹ nhất là 58 Cs142 chứa 84 notron Một trường hợp đặc biệt là hạt nhân nhẹ

4 Be8 cũng phát alpha với thời gian bán rã 3.10-6 s

4.1.2 Các tính chất của phân rã alpha

4.1.2.1 Xác đi ̣nh các đặc trưng của phân rã alpha

Các đặc trưng của phân rã alpha là thời gian bán rã T1/2 của hạt nhân trước phân rã, động năng E và quãng chạy R của hạt alpha

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

kỷ

Năng lượng hạt alpha có thể xác định bằng phổ kế từ hay buồng ion hóa

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 liên hệ giữa năng lượng và quãng chạy Rkk  0,318 E3/2 (4.5)

Trong môi trường với khối lượng hạt nhân A thì quãng chạy hạt alpha được tính theo công thức: R = 0,56 Rkk A1/3 (4.6)

Nhờ các công thức (4.5), (4.6) có thể tính được quãng chạy khi đo được năng lượng hay ngược lại đối với hạt alpha

4.1.2.2 Thời gian bán rã và năng lượng

Thời gian bán rã của hạt nhân alpha thay đổi trong một dãy rất rộng Chẳng hạn

82 Pb204 có T1/2 = 1,4.107 năm còn 80 Rn215 có T ½ = 10-6 s

Năng lượng của các hạt bay ra chỉ thay đổi trong một dãy hẹp Đối với các hạt nhân nặng thì

năng lượng các hạt alpha thay đổi từ 4MeV đến 9MeV còn đối với nhóm đất hiếm từ 2MeV

đến 4,5MeV

Tính chất quan trọng của các hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc rất mạnh của thời gian

có thể làm tăng thời gian bán rã lên một bậc Nếu giảm 10% năng lượng thì T1/2 thay đổi từ 2

đến 3 bậc Sự phụ thuộc của T1/2 vào E tuân theo định luật Geiger- Nuttall như sau:

lgT1/2 = C + D

E (4.7) Trong đó C và D là hằng số không phụ thuộc vào số khối lượng A mà chỉ phụ thuộc vào

điện tích Z

Định luật Geiger- Nuttall còn được biểu diễn dưới dạng mối liên hệ giữa quãng chạy R của

hạt alpha và hằng số phân rã của hạt nhân phát alpha:

Định luật Geiger- nuttall áp dụng rất tốt cho các hạt nhân chẵn- chẵn

4.1.2.3 Cấu trúc tinh tế

Các hạt alpha từ cùng một đồng vị sẽ có năng lượng như nhau, tức là năng lượng hạt alpha

đơn sắc Nhưng các thí nghiệm chính xác chứng tỏ rằng phổ năng lượng alpha thường có cấu

trúc tinh tế, tức là một số vạch năng lượng nằm sít nhau Cho nên trong thực tế ta thấy có

một số hạt nhân chỉ có mô ̣t nhóm ứng với một giá trị năng lượng nhưng cũng có một số hạt

nhân phát ra nhiều hơn nhóm alpha với năng lượng khác nhau Đó là cấu trúc tinh tế của phổ

alpha

4.1.3 Điều kiê ̣n về năng lươ ̣ng đối với phân rã alpha

Ta hãy xét quá trình phân rã alpha theo công thức (4.1), trong đó ZXA là hạt nhân mẹ còn

Z-2XA-4 là hạt nhân con Để phân rã alpha xảy ra thì năng lượng liên kết của hạt nhân mẹ EA, Z

phải nhỏ hơn tổng năng lượng liên kết của hạt nhân con EA-4, Z-2 và hạt alpha E Vậy: E = Elk, A-4, Z-2 + Elk, - Elk, A, Z (4.8)

Điều kiện để xảy ra phân rã alpha là E >0 Năng lượng liên kết của hạt alpha là 28 MeV

do đó năng lượng liên kết riêng trên một nuclon là 7 MeV Như vậy để phân rã alpha xảy ra thì năng lượng lên kết riêng của hạt nhân mẹ phải nhỏ hơn 7 MeV Điều kiện này không cho

Năng lượng liên kết riêng đối với các hạt nhân giảm xuống do năng lượng Coulomb của các proton Trong miền A = 190 thì năng lượng liên kết riêng nhỏ hơn 7MeV

Hình 4.2 Sự phụ thuộc năng lượng phân rã alpha vào số khối lượng A

4.1.4 Cơ chế phân rã alpha

Trường thế Coulomb và hiệu ứng đường ngầm

hạt alpha người ta xem xét cơ chế để hạt alpha thoát ra khỏi hạt nhân Giả thuyết gần đúng nhất người ta sử dụng 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 lực tương tác hạt nhân, nó còn chịu tác dụng của trường thế Coulomb

Để giải bài toán tương tác này ta giả sử hạt alpha từ ngoài đi vào hạt nhân Thế Coulomb do hạt nhân tương tác lên nó tăng tỷ lệ nghịch với khỏang cách r theo biểu thức:

2

r (4.8) Hàm (4.8) được thể hiện trên hình (4.3a) tăng dần trong miền ngoài bán kính hạt nhân, tại đó lực hạt nhân bằng 0 Đến biên hạt nhân r = R thì lực hút hạt nhân đóng vai trò quan trọng và đường biểu diễn giảm đột ngột theo đường thẳng đứng Dạng của thế bên trong hạt nhân

r < R chưa được biết tường tận, ở đây giả thuyết nó có dạng hố hình chữ nhật với thế không đổi bên trong hạt nhân Chiều cao bờ thế Coulomb tại r = R = 10-12 cm và với Z = 100 là:

2

r = 30MeV (4.9) U(r)

4.2.1 Các loại phân rã beta

Phân rã beta là hiện tượng biến đổi tự nhiên một hạt nhân này thành hạt nhân khác với cùng khối lượng nhưng điện tích thay đổi một đơn vị kèm theo việc phát ra một electron, một positron hay chiếm một electron của lớp vỏ nguyên tử Như vậy có 3 loại phân rã beta là phân rã -, phân rã + và chiếm electron quỹ đạo

4.2.1.1 Phân rã-

Hạt beta gồm 2 loại là hạt -, đó là hạt electron (e-) với khối lượng mc = 9,1091.10-31 kg, điện tích bằng -1e = -1,6.10-19 C và hạt +, là hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt electron song có điện tích dương +1e, gọi là hạt positron (e+) Tuy nhiên trong thực tế, khi nói “hạt beta” người ta thường hiểu là hạt -, còn hạt positron là +

Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron, tức là tỷ số N

cong bền của hạt nhân Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu ZXA chuyển thành hạt nhân Z+1YA

ra tia gamma với năng lượng bằng 1,53MeV

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 và bằng năng lượng tĩnh của electron 0,511MeV

4.2.1.3 Chiếm electron quỹ đạo

Một nguyên tử neutron muốn trở về trạng thái bền bằng cách phát hạt positron thì khối lượng của nó phải lớn hơn khối lượng hạt nhân con ít nhất hai lần khối lượng electron Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì sự thiếu hụt neutron phải khắc phục bằng quá trình chiếm electron quỹ đạo, hay còn gọi là chiếm K:

Na22

c.e 10,2% + 0,544MeV 89,8%

 1,277MeV

Ne22

Hình 4.5: Sơ đồ biến đổi Na22 thành Ne22

Ví dụ quá trình chiếm electron của hạt nhân Na22 như sau:

e- + 11Na22 c.e 10 Ne22 +  (4.22)

Năng lượng liên kết của electron lớp K trong nguyên tử Na22 là Elk = 1,08MeV Năng lượng phản ứng bằng EQ = 3,352MeV Do sau quá trình chiếm electron hạt nhân phát ra tia 

với năng lượng 1,277MeV (hình 4.5) nên phần năng lượng còn lại 3,352- 1,277 = 2,057MeV

hạt nhân Ne22 bằng hai quá trình phân rã positron và chiếm electron lớp K, với quá trình phân rã gamma tiếp theo của Ne22

4.2.1.4 Các tính chất cơ bản của phân rã beta

 Lực tương tác:

Đặc điểm chính của quá trình 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

Phân rã beta không phải là một quá trình biến đổi bên trong hạt nhân như quá trình phân rã alpha mà là quá trình phân rã bên trong hạt nucleon Đó chính là các quá trình phân rã neutron thành proton (4.11) hay quá trình phân rã proton thành neutron (4.16) Như vậy nếu quá trình phân rã alpha là một quá trình thuần túy hạt nhân thì quá trình phân tã beta là một quá trình phức tạp hơn rất nhiều, liên quan cả với lý thuyết tương tác yếu lẫn lý thuyết cấu trúc hạt nhân

Một câu hỏi được 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

Đối với phân rã alpha thì dãy các nguyên tố phân rã là các nguyên tố nặng nhất và một số nguyên tố đất hiếm Còn đối với phân rã beta thì dãy các nguyên tố phân rã rất rộng, từ hạt neutron tự do đến nguyên tố nặng nhất

Năng lượng giải phóng khi phân rã beta biến thiên từ 0,02MeV trong phân rã

1H3 - 1He3 + e- +  + 0,02MeV (4.23)

Đến 13,4MeV trong phân rã

4.2.2 Cân bằng năng lượng trong phân rã beta

Nếu coi rằng khối lượng neutrino và phản neutrino bằng 0 thì để xảy ra quá trình phân rã betaphải thỏa mãn các điều kiện về khối lượng như sau:

4.2.2.3 Quá trình chiếm electron

Đối với quá trình chiếm electron thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là:

Trong quá trình phân rã + và quá trình chiếm electron, hạt nhân cùng chịu biến đổi từ

proton sang neutron Vì vậy cả hai quá trình này có thể xảy ra cùng một hạt nhân và thường

cạnh tranh nhau Theo các biểu thức (3.30) và (3.27), ta thấy rằng từ quan điểm cân bằng

năng lượng, quá trình chiếm electron dễ xảy ra hơn quá trình phân rã + Nói riêng, nếu các

hạt nhân đầu và cuối thỏa mãn bất phương trình :

Mf + 2m > Mi > Mf (4.33)

Thì quá trình chiếm electron được phép xảy ra còn quá trình phân rã + bị cấm Ví dụ, điều

kiện (4.33) đúng đối với quá trình chiếm electron sau đây:

e- + 4Be7  3Li7 (4.34)

Trong đó hiệu số các khối lượng nguyên tử bằng 0,864MeV trong lúc khối lượng hai hạt electron bằng 1,02MeV Vậy 4Be7 chỉ bắt electron mà không phân rã +

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 trong trạng thái kích

thích Khi hạt nhân con chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nó có thể phát ra

rất lớn Khi dịch chuyển gamma hạt nhân ZXA không thay đổi các giá trị Z và A Ngoài các

loại phân rã này, còn có thể bắn phá hạt nhân bia bởi các hạt tích điện, neutron hay proton để

chuyển hạt nhân lên trạng thái kích thích và hạt nhân kích thích đó chuyển về trạng thái cơ

bản bằng cách phát ra một số bức xạ gamma

Về bản chất bức xạ gamma của hạt nhân là do tương tác của các nuclon riêng lẻ trong hạt

nhân với trường điện từ Tuy nhiên, khác với bức xạ beta, bức xạ gamma không phải là hiện

tượng bên trong nuclon mà là bên trong hạt nhân Một nuclon tự do cô lập không thể bức xạ

hay hấp thụ lượng tử gamma do yêu cầu của các định luật bảo toàn năng lượng và động

lượng Còn bên trong hạt nhân, nucleon có thể bức xạ hay hấp thụ gamma do nó truyền động

lượng cho các nucleon khác

Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hay trạng thái

cơ bản, ngoài dịch chuyển gamma còn có quá trình biến hoán nội, trong đó một electron bị

4.3.1 Các tính chất của dịch chuyển gamma

4.3.1.1 Sơ đồ dịch chuyển gamma

Theo hình 4.6 Ta thấy hạt nhân 11Na24 ở trạng thái cơ bản có spin và độ chẵn lẻ là

J = 4+ phân rã - để trở thành hạt nhân 12Mg24 Hạt nhân 12Mg24 có trạng thái cơ bản với

J = 0+, trạng thái kích thích thứ nhất ở mức năng lượng E1 = 1,37MeV với J = 2+ và mức

kích thích thứ hai ở mức năng lượng E2 = 4,12MeV với J = 4+ Phân rã beta chuyển hạt nhân

11Na24 về mức kích thích thứ hai của 12Mg24 với thời gian bán rã T1/2 = 15h mà không về

mức kích thích thứ nhất hoặc mức cơ bản vì hai quá trình này bị cấm Hạt nhân 12Mg24

chuyển từ mức kích thích thứ hai về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra hai bức xạ gamma

liên tiếp với năng lượng 2,75MeV và 1,37 MeV

Hình 4.6: Sơ đồ phân rã - của hạt nhân 11Na24 có kèm theo các dịch chuyển gamma

4.3.1.2 Năng lượng của bức xạ gamma

Năng lượng của bức xạ gamma bằng hiệu số các mức năng lượng đầu cuối của mỗi dịch

chuyển gamma Như vậy phổ năng lượng của bức xạ gamma là phổ gián đoạn Năng lượng

E, động lượng p, tần số  và bước sóng  của nó được xác định như đối với các bức xạ điê ̣n

- Ba họ phóng xạ có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất của đồng vị phóng xạ sống lâu,

với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất Điều này dễ hiểu vì nếu xét thời gian

từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn phân rã trong một vài tỉ năm tồn

tại của Trái Đất Thật vậy, họ phóng xạ nhân tạo neptunium, trong đó thành viên thứ nhất là

Np237 với thời gian bán rã 2,2.106 năm, rất ngắn để nó phân rã hết nếu nó được sinh ra cùng

thời với các nguyên tố khác của trái đất Họ thorium với hạt nhân đầu tiên là 90Th232 với thời

trái đất Trong lúc đó, hạt nhân đầu tiên 92U238 của họ uranium có thời gian sống 4,5.109 năm nên U238 bị phân rã một phần còn hạt nhân U235 với thời gian bán rã 1,7.108 năm bị phân rã

lần bé hơn hàm lượng U238 Đồng vị Np237 chỉ có một lượng nhỏ rất bé trong mỏ uranium do

phản ứng 92U238 (n, 2n)92U237 và phân rã  tiếp theo:

92U237  93Np237 + e- + 

Neutron tham gia trong các phản ứng này do tương tác của các tia vũ trụ

- Đặc điểm chung thứ hai của 3 họ phóng xạ tự nhiên là mỗi họ đều có một thành viên dưới

dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của các nguyên tố Radon Trong trường

hợp họ uranium, khí 86Rn222 được gọi là radon, trong họ thorium, khí 86Rn220 được gọi là

thoron còn trong họ actinium khí 86Rn219 được gọi là actinon Tuy nhiên, trong họ phóng xạ

nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ Trong 3 khí phóng xạ thì radon đóng

vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian

bán rã của thoron (52s) và actinon(3,92s)

- Đặc điểm thứ 3 của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì: Pb206 trong họ uranium, Pb207 trong họ actinium và Pb208 trong họ thorium Trong

khí đó thành viên cuối cùng trong họ neptunium là Bi209

4.4.5 Họ Neptuni

Hình 5.1: Sơ đồ nguyên tắc của Detecter chứa khí

Detecter chứa khí là dụng cụ đo bức xạ mà môi trường vật chất của nó là môi trường khí Detecter gồm một hình trụ rỗng trong đó chứa khí, hai điện cực dương và âm của mô ̣t nguồn điện một chiều và mạch các tụ điện và điện trở lấy tín hiệu ra ( hình 5.1) Detecter thường có hai điện cực hình trụ đồng trục cách điện nhau rất tốt, điện cực ở giữa là một dây đặc còn hình trụ bên ngoài là hình trụ rỗng, không gian giữa các điện cực chứa đầy chất khí Trên hai điện cực đặt một hiệu điện thế từ nguồn điện có thể điều chỉnh được Theo cách mắc nguồn diện trên hình 5.1 thì điện cực ở giữa mang điện dương nên gọi là anode còn điện cực bên ngoài mang điện âm, gọi là cathode Ở trạng thái bình thường, chất khí không dẫn điện và giữa các điện cực không có dòng điện Khi bức xạ đi qua môi trường khí của detecter, chất khí bị ion hóa, các electron chuyển động tới catode, tạo nên dòng điện tức thời có giá trị bé giữa hai điện cực Dòng điện này nạp điện cho tụ điện C tạo nên một tín hiệu lối ra

Hình 5.2 mô tả các đường cong đặc trưng của detecter chứa khí đối với các hạt alpha (1) và hạt beta (2) Khi tăng hiệu điện thế U giữa anode và cathode thì các đường đặc trưng có 5 miền

Điện tích I II III IV V

thu góp 106

(1)

(2)

1

Hình 5.2: Đường đặc trưng điện tích- điện thế đối với ống đếm chứa khí

5.1.1 Miền I: Miền tái hợp

Trong miền I có sự cạnh tranh giữa quá trình tái hợp của các ion dương và electron tự

do tạo nên nguyên tử trung hòa, tức là mất đi một số cặp ion, và quá trình thu góp các ion về các điện cực Khi điện thế U tăng thì vận tốc dịch chuyển của các ion tăng và quá trình tái hợp giảm, do đó lượng điện tích thu góp cũng tăng lên Detecter chứa khí không làm việc trong miền này

5.1.2 Miền II: Miền buồng ion hóa

Trong miền này, do điện thế lớn các ion chuyển động nhanh đến các điện cực và quá trình tái hợp giảm mạnh Dòng điện ở lối ra phụ thuộc vào số ion do bức xạ gây ra và hầu như không phụ thuộc vào giá trị điện thế U Do đó trong miền này dòng lối ra bão hòa Đây

là miền làm việc của buồng ion hóa

5.1.3 Miền III: Miền ống đếm tỷ lệ

Trong miền này các electron được gia tốc với vận tốc cao nên sinh ra các ion thứ cấp

do va chạm với nguyên tử môi trường Kết quả là lượng điện tích được nhân lên với hệ số nhân đạt đến 103 - 105 Do đó dòng lối ra phụ thuộc vào điện thế U và miền này gọi là miền

tỷ lệ giới hạn Đây là miền làm việc của ống đếm tỷ lệ

5.1.4 Miền IV: Miền ống đếm Geiger-Muller

Trong miền IV hệ số ion tăng nhanh chóng tạo nên quá trình “thác lũ” Các electron

sơ cấp và thứ cấp đều được gia tốc đủ lớn nên có thể sinh ra một lượng lớn các electron sơ cấp và thứ cấp Dòng lối ra trong miền này không đổi và miền đó gọi là miền plateau Đây là miền làm việc của detecter Geiger-Muller