bài giảng vật lý hạt nhân cơ sở

Phân tích được cấu tạo ng tử và hạt nhân ng tử để hiểu rõ bản chất HT phóng xạ, các dạng phân rã, quy luật phân rã px. Phân biệt được các loại tia phóng xạ: nguồn gốc, bản chất, các đặc điểm của tia phóng xạ. Vận dụng các cơ chế và đặc điểm của tương tác giữa các tia và vật chất để hiểu rõ các kỹ thuật ghi đo px, các biện pháp để phòng tránh tác hại của tia phóng xạ (an toàn bức xạ ). Nguyên Tử: Mọi vật đều do các phần tử hết sức nhỏ bé riêng rẽ hợp thành: Nguyên tử. Nguyên tử là phần tử nhỏ bé nhất không thể chia cắt được. Nguyên tử có cấu tạo phức tạp gồm các electron mang điện âm và hạt nhân mang điện dương.

VẬT LÝ HẠT NHÂN CƠ SỞ

GS.TS.TSKH Phan Sỹ An

Trường Đại học Y Hà Nội

MỤC TIÊU

1. Phân tích được cấu tạo ng tử và hạt nhân ng tử để

hiểu rõ bản chất HT phóng xạ, các dạng phân rã, quy luật phân rã px.

2. Phân biệt được các loại tia phóng xạ: nguồn gốc,

bản chất, các đặc điểm của tia phóng xạ.

3. Vận dụng các cơ chế và đặc điểm của tương tác

giữa các tia và vật chất để hiểu rõ các kỹ thuật ghi đo

px, các biện pháp để phòng tránh tác hại của tia phóng xạ (an toàn bức xạ ).

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - MẪU HÀNH TINH NGUYÊN TỬ

- Nguyên tử có cấu tạo phức tạp gồm các electron mang

điện âm và hạt nhân mang điện dương.

:

CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - MẪU HÀNH TINH NGUYÊN TỬ

Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutheford (1911):

- Ở tâm nguyên tử có một hạt nhân mang điện dương kích thước rất nhỏ d= 10-13 – 10-12cm

- Các electron mang điện âm quay xung quanh hạt nhân

- Điện tích dương của hạt nhân = đúng tổng số điện tích âm

:

-

-

-

-+ +

+ + ++

+ + +

K-shell (n=1, strongly bound) L-shell (n=2)

M-shell (n=3, weakly bound)

Valence electron

Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

- Proton (P): Là hạt mang điện dương giá trị tuyệt đối bằng

Có m = 1,00759 đvnt (m của hạt nhân H nhẹ)

- Nơtron (N): Là hạt trung hoà điện có m>m của prôton

= 1,00898 đvnt;

1đvnt = 1,66 10-24g)

Cấu tạo hạt nhân nguyên tử

Số Proton trong hạt nhân đúng bằng số Z của nguyên tố (số thứ tự trong bảng tuần hoàn M)

Tổng các nucleon là số khối của hạt nhân ký hiệu là A

Đồng vị

Nguyên tố Nguyên tử số Đồng vị Tỉ lệ % trong thiên nhiên

Hydro 01 1 H

2 H

3 H

99,984 0,0156 rất ít

4 He 1,3 x 10

-4

∼ 100 Cacbon 06 12 C

13 C

14 C

98,892 1,108 rất ít

Vµng 79 197 Au 100,00

- Muốn biến đổi một hạt nhân bền thành một hạt nhân khác cần phải bắn phá chúng bằng hạt vi mô hoặc photon.

- Sự bắn phá này dẫn đến sự bất cân bằng tạm thời trong hạt nhân bia Đó là phản ứng hạt nhân

- Tóm tắt một phản ứng hạt nhân như sau:

a+A  b+B hoặc có thể viết A(a,b)B

Phản ứng hạt nhân

- Hạt bắn phá thường là p, n, đơtêri, alpha, electron…

- Các hạt phát ra do phản ứng thường là n, p, gamma, alpha

- Đôi khi phản ứng tạo ra các hạt nhân bị phân chia

(ký hiệu f) tạo thành hai hạt nhân mới nhẹ hơn

Phản ứng hạt nhân

(anpha.n); (p.n); (d.n); (n.n); (gamma.n)

(anpha.p); (p.p); (d.p); (n.p); (gamma.p )

(anpha.gamma); (p.gamma); (d.gamma); (n.gamma)

(anpha.f); (p.anpha); (d.anpha); (n.anpha); (gamma.f)

• Người ta đã ứng dụng p/p này để sản xuất đvpx nhân tạo.

• KQ phản ứng tuỳ thuộc vào hạt nhân của đv bền, bản chất và E của hạt bắn phá.

• Nơtron không cần có động năng lớn mới đột nhập được vào hạt nhân nguyên tử.

• Nơtron càng chậm càng có nhiều khả năng gây ra phản ứng hạt nhân vì xác suất tương tác với hạt nhân tăng lên.

• Có thể làm chậm nơtron bằng nhiều môi trường khác nhau.

• Các nguồn thu nơtron chủ yếu từ lò phản ứng hạt nhân.

• Ngày nay,các hạt mang điện như e,p,d…còn được dùng làm “đạn” bắn phá Máy gia tốc đã cung cấp cho chúng động năng cần thiết đó có thể đạt tới hàng vạn MeV.

• 1892 Becquerel quan sát thấy hợp chất muối Uran phát ra các tia không nhìn thấy và có sức đâm xuyên khá mạnh.

• Dùng p/p điện từ trường phân tích thấy chùm tia có 3 loại: tia anpha mang điện +, tia bêta mang điện -, tia gamma không mang điện tương tự tia X

• Các n/c chứng tỏ chùm tia đó phát ra từ hạt nhân chứ không phải từ lớp vỏ nguyên tử

Hiện tượng phóng xạ

- Là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác,

- Hoặc từ 1 trạng thái E cao về 1 trạng thái E thấp hơn

- Đồng thời hạt nhân phát ra các tia px

Định nghĩa

Có 4 dạng phân rã Px:

a Phân rã bêta âm (negatron):

•Xảy ra với những đv có số n nhiều hơn số p Quá trình

này biến 1n thành 1p đồng thời phát ra 1 hạt electron (hạt bêta).

•Ví dụ: Phân rã của P-32 phát bêta thuần tuý được sử

dụng nhiều trong y học.

•Bức xạ bêta âm dẫn đến việc tăng diện tích hạt nhân lên

một đv nhưng không làm thay đổi số khối của nó.

CÁC DẠNG PHÂN RÃ PX

b Phân rã bêta dương (Positron):

- Xảy ra ở những đv có số p nhiều hơn số n.Quá trình biến 1

b Phân rã bêta dương (Positron):

β+

z -1YA

100%

Vậy bản chất của phân rã bêta âm dương

là sự biến đổi tương hỗ giữa n và p

c Phân rã anpha:

- Chỉ xảy ra ở các hạt nhân có khối lượng nguyên tử lớn

- Hạt anpha là hạt nhân của nguyên tử Hêli được tạo thành mối liên kết giữa cặp p và cặp n

- Phân rã này làm khối lương giảm 4, điện tích giảm 2

- Các hạt anpha phát ra từ cùng một loại phân rã, cùng 1 loại hạt nhân có E giống nhau Đó là đặc điểm đơn năng của chúng

CÁC DẠNG PHÂN RÃ PX

d Phát xạ tia gamma (γ ) từ hạt nhân :

•Hạt nhân chuyển từ trạng tháI bị kích thích về trạng thái cơ bản hay về trạng tháI bị kích thích ở mức E thấp hơn, hạt

nhân sẽ phát tia gamma

•Bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn, quá trình này không làm thay đổi cấu tạo hạt nhân, mà chỉ làm thay đổi trạng tháI năng lượng

CÁC DẠNG PHÂN RÃ PX

• Trong 1 nguồn px,số hạt nhân có tính px sẽ giảm dần theo thời gian.

• Nếu tại thời điểm t số hạt nhân có tính px là N0

• Sau thời gian dt số hạt nhân px giảm là -dNt tỷ lệ với N0 và dt

• λ là hằng số phân rã phụ thuộc bản chất hạt nhân px.Nó là xác suất phân rã của hạt nhân trên đv thời gian

ĐỊNH LUẬT PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

một nửa so với ban đầu.

Chu kỳ bán rã phụ thuộc vào bản chất hạt nhân phóng xạ,đặc trưưng cho tính px của nguyên tố px

Hiện tượng phóng xạ, bản chất và nguồn

N

Ln = λ

1 0

λ λ

693 ,0 2

=

= Ln

T

-Hoạt độ px được xét ở từng thời điểm.

-Nó không những phụ thuộc vào bản chất hạt nhân px mà còn phụ thuộc vào số lượng hạt nhân px có trong nguồn tại thời điểm đó (Nt)

Hiện tượng phóng xạ, bản chất

và nguồn gốc tia

phóng xạ

b Tốc độ phân rã phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ:

Ngoài ra còn dùng các đơn vị khác là Curie (Ci) và các ước

số của nó

1 Ci = 3,7.1010Bq

1 mili Curi = 1 mCi = 10-3Ci = 3,7.107Bq

1 micrô Curi = 1 µCi = 10-6Ci = 3,7.104Bq

1 nanô Curi = 1 nCi = 10-9Ci = 3,7.10Bq

1 picrô Curi = 1 pCi = 10-12Ci = 3,7.10-2Bq

1

1

N dt

dN

q = = λ

n j

1

-* Không mang điện: N

*Photon năng lượng cao:

* Tia X

* Tia gamma

λ

c h

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HểA

VỚI VẬT CHẤT

1.3.1 Tương tỏc của hạt vi mụ điện tớch và vật chất:

a Hạt vi mô t ơng tác với các điện tử quỹ đạo:

2

'

d

qq k

F =

x

E LET

∆

∆

=

Bảng 1.2 Giá trị LET của các bức xạ ion hoá.

12,3 2,3 0,42 0,25

2 5 10

92 16 8 4

3 5

260 140 95

3 ÷ 30 Tia X, γ Từ bóng 200 kV

Từ nguồn Co - 60 0,4 ÷ 36

0,2 ÷ 2

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

• Tất cả các bx ( photon,hạt vi mô ) đều mang năng lượng E

• Khi chúng tương tác đó E sẽ được truyền cho môi trường vật chất

• Cơ chế này rất quan trọng vì nó quyết định kỹ thuật thích hợp để ghi đo, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả chiếu xạ

• Sự tương tác này gây nên những hệ quả vật lý, hoá học, sinh học

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

Có 2 cơ chế vật lý về chuyển giao E từ tia qua vật chất:

Kích thích và ion hoá.

•Kích thích là quá trình không bị tách 1 điện tử nào

•Nguyên tử hoặc tử kt nhanh chóng phát ra E đã hấp thụ được dưới dạng photon, bx nhiệt hoặc phản ứng hoá học để trở về trạng thái ban đầu

•Ion hoá là quá trình E từ tia tới làm bật điện tử quỹ đạo của nguyên tử Từ đó tạo ra một cặp ion: ion âm, dương

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

1.3.1 Tương tác của hạt vi mô tích điện và vật chất:

a Hạt vi mô tương tác với các điện tử quỹ đạo:

2

'

d

qq k

x

E LET

∆

∆

=

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

a Hạt vi mô tương tác với các điện tử quỹ đạo:

•Khi tương tác với v/c, hạt vi mô truyền 1 phần E cho e đang chuyển động trên quỹ đạo của nguyên tử vật chất

•E hấp thụ đó làm chuyển e từ quỹ đạo thấp lên quỹ đạo có E cao hơn mà không bứt e ra khỏi quỹ đạo

•Hạt vi mô đã đưa nguyên tử về trạng thái kt

-

Relaxation

electron is stripped from atom

-

-The neutral atom gains a + charge

= an ion

+

+

Alpha Particle

• Khi chùm hạt vi mô tích điện tương tác với v/c thì bản thân hạt vi mô hoặc điện trường của nó có thể tương tác với e trên quỹ đạo hoặc hạt nhân của nguyên tử vật chất.

• Do các hạt vật chất có khối lượng và điện tích nhất định nên lực tác dụng ở đây là lực tĩnh điện

• Độ lớn của F tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách d giữa 2 điện tích

+ Xác suất tương tác phụ thuộc vào:

- Mật độ,kích thước và điện tích của hạt tới

- Mật độ,kích thước và điện tích của thành phần cấu tạo vật chất

+ Sự ion hoá trực tiếp:

•Phần E của tia tới mất đi được dùng để bứt e ra khỏi quỹ đạo và cung cấp cho e đó một động năng nhất định

•E của tia tới giảm dần trên quỹ đạo

•Cuối cùng các hạt vi mô không còn E đủ lớn để ion hoá v/c,

sẽ liên kết với ion tráI dấu để trở thành nguyên tử trung hoà điện hoặc tồn tại tự do ở trạng thái chuyển động nhiệt

•Trên đường đI hạt vi mô có nhiều lần va chạm, tạo ra rất nhiều cặp ion

•Quỹ đạo của nó không phảI là đường thẳng

• Dọc theo quỹ đạo của hạt vi mô qua vật chất có nhiều cặp ion.

• Các ion này không tồn tại lâu mà gây nên các phản ưng hoá học tiếp hoặc kết hợp lại thành những nguyên tử trung hoà điện

• Để diễn đạt khả năng ion hoá người ta dùng khái niệm độ ion hoá tuyến tính và độ iôn hóa khối

• Độ ion hoá được đo bằng số cặp ion do hạt vi mô tới tạo

ra trên một đơn vị chiều dài hoặc khối

• Xác suất gây ra ion hoá tỷ lệ với khối lượng, điện tích và tốc độ hạt tới.

• Điện tích và khối lượng càng lớn,tốc độ càng bé thì xác suất ion hoá càng lớn

• Vì vậy Độ ion hoá của hạt anpha lớn hơn nhiều so với electron

• Sự lệch hướng quỹ đạo của hạt anpha ít hơn e

• Quỹ đạo hạt anpha ít gấp khúc hơn quỹ đạo e

+ Hướng hạt bêta (e) với vật chất bị lệch nhiều hơn.

+ Quỹ đạo có nhiều gấp khúc

+ Quãng chạy R của tia bêta được tính bằng bề dày cực đại của lớp vật chất mà nó xuyên qua

+ Phổ E của chùm bêta đa năng từ thấp đến cao, dẫn đến kháI niệm E trung bình của chùm bêta

- Còn dùng hệ số truyền năng lượng tuyến tính LET để diễn đạt giá trị năng lượng chùm tia truyền cho vật chất.

- Đơn vị LET là J/m hoặc ke V/mm

- LET nói lên khả năng ion hoá tỷ lệ với độ ion hoá tuyến

tính của chùm hạt vi mô

- Các tia tới có bản chất khác nhau, có cùng E thì LET khác nhau vì khả năng ion hoá khác nhau

VD: LET của hạt anpha > LET của hạt bêta và gamma

- LET ở cuối quỹ đạo > ở đầu quỹ đạo vì vận tốc hạt chậm, xác suất tương tác cao, độ ion hoá lớn

(Bảng giá trị LET của các bx)

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

b Hạt vi mô tương tác với hạt nhân nguyên tử:

- Các hạt vi mô tích điện có thể gây phản ứng hạt nhân tạo ra hạt nhân nguyên tử mới

Khả năng dễ xảy ra khi hạt vi mô tích điện tới gần hạt nhân nguyên tử vật chất cũng mang điện thì chúng sẽ tương tác với nhau

- Khối lượng của hạt tới nhỏ hơn nhiều so với hạt nhân nguyên tử nên quỹ đạo và vận tốc của nó bị thay đổi nhiều, tạo ra chuyển động cong có gia tốc

Beta Particle

- Bremsstrahlung Photon

Nucleus

- Khi hạt vi mô tích điện chuyển động có gia tốc sẽ phát ra sóng điện từ (photon).Đó là bx hãm.

- E của bx hãm phụ thuộc vào gia tốc của chuyển động, giá trị Z của hạt nhân nguyên tử, điện tích z và khối lượng m của hạt tới

bx hãm có thể phát ra từ cơ thể sinh vật khi điều trị bằng

nguồn P-32

E bx hãm phụ thuộc nhiều vào Z của nguyên tử vật chất,

nên không dùng vật liệu có số Z lớn để che chắn tia bêta

1.3 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

1.3.2 Tương tác của photon E cao (tia gamma, tia X) với vật chất:

- Sóng điện từ có bước sóng càng ngắn có E càng cao

- Khi xuyên qua vật chất nó truyền hết E sau một lần tương tác (Khác với hạt vi mô tích điện thì mất dần)

- Sản phẩm của quá trình này là những hạt vi mô tích điện

có năng lượng cao và các photon.

Chùm tia gamma,tia X sẽ giảm cường độ I do sự lệch

hướng ban đầu khi xảy ra 1 trong các hiệu ứng đã nêu.

- Các hệ số hấp thụ cũng phụ thuộc vào E của photon.

Tương tác của photon năng lượng cao

Tương tác của photon năng lượng cao

(tia γ và tia X) và vật chất.

b Hiệu ứng Comtơn (Compton)

•hν = hν' + Ed

•hν : năng lượng của photon tới.

•hν' : năng lượng của photon thứ cấp.

•Eđ : động năng của điện tử tự do.

•c Hiệu ứng tạo cặp:

•hν = Eđ+ + Eđ- + 1.02 MeV

Tương tác của photon năng lượng cao

(tia γ và tia X) và vật chất.

b Hiệu ứng Comtơn (Compton)

•photon có E = 0,1 – 1 MeV khi đI qua vật chất sẽ tương tác với e tự do trong đó

•e này nhận toàn bộ E của photon tới, giữ một phần làm

động năng cho mình, phần còn lại phát ra một photon khác

có năng lượng thấp hơn và có hướng truyền làm thành một góc với hướng truyền của photon tới

•Gọi là photon lùi (thứ cấp) e lùi với động năng sẽ tiếp tục tương tác với v/c gây hiện tượng ion hoá

Tương tác của photon năng lượng cao

(tia γ và tia X) và vật chất.

c Hiệu ứng tạo cặp:

• Photon có E>,=1,02MeV có thể gây ra hiệu ứng tạo cặp

• Khi photon đến gần hạt nhân có số Z, chúng tương tác với trường hạt nhân và biến mất đồng thời xuất hiện một cặp

Định luật hấp thụ các bức xạ ion hoá

:

• Do quá trình tương tác khi xuyên qua v/c : E , mật độ ,

cường độ chùm tia giảm đi.

• Tuỳ theo b/c,đặc điểm mỗi loại tia mà các quy luật

giảm khác nhau.

Đối với tia anpha:

• Quỹ đạo trong v/c là đường thẳng.

• E giảm dần cho tới khi dừng lại.

• Quy luật giảm mật độ tia J sau :

J = Jo nếu x

J = 0 nếu x > x

Định luật hấp thụ các bức xạ ion hoá

:

a Đối với tia α

J = Jo nếu x < R

J = 0 nếu x ≥ R Trong đó R là quãng chạy của chùm tia α trong vật chất

mà nó đi qua.

Định luật hấp thụ các bức xạ ion hoá

:

b Tia bêta âm, dương:

•Giảm Cường độ do lệch hướng và bị hấp thụ sau tương tác

•Nó dừng lại trong v/c khi E của nó giảm Bằng E của chuyển động nhiệt

•Hệ số hấp thụ khối cũng phụ thuộc vào E cực đại của hạt bêta trong chùm tia đó

Định luật hấp thụ các bức xạ ion hoá

c Đối với tia β ± , tia γ , tia X.

I = I0 e - µ x.x (1.10)

d = x ρ

µ = τ + σ + χ Trong đó : µ là hệ số hấp thụ khối (toàn phần) của tia γ , tia X.

τ là hệ số hấp thụ theo hiệu ứng quang điện

σ là hệ số hấp thụ do tán xạ Comtơn

χ là hệ số hấp thụ theo hiệu ứng tạo cặp.

Quy luật hấp thụ, giảm cường độ

• Quỹ đạo, quãng chạy.

• Sự tán xạ, bức xạ hãm.

• Sự hấp thụ: I=I 0 e -µx

Hệ số Kγ của nguồn

1 cm

1mCi - K γ = Suất liều

Liều lượng bức xạ

Ngoài ra còn dùng các đơn vị rad/s, rad/h

Liều lượng chiếu:

1000 10

1 ,

R rad 1 , 14

877 , 0 1

- Đơn vị đo là J/kg ( Jun/kg) = Gy (Gray)

hoặc Rad (Radiation absorbed dose

1 Gy = 100 rad

Liều lượng bức xạ

a Các khái niệm liều lượng bức xạ

•Liều lượng hấp thụ

1 rad = 0,01 Gy hay 1 Gy = 100 rad.

Ngoài ra còn dùng các đơn vị suất liều rad/s, rad/h

Các đơn vị đo

*) Liều tương đương

- Với cùng một năng lượng hấp thụ như nhau (liều hấp thụ như nhau) các tia khác nhau gây ra HƯSH khác nhau do khả năng iôn hoá khác nhau

VD: 1Rad tia alpha gây HUSH gấp 10-20 lần so với 1Rad tia X hoặc gamma

- Để tính liều HUSH cần nhân với trọng số bức xạ WR:

Liều tương đương = Liều hấp thụ x WR

Đơn vị đo liều tương đương là Sivert ( Sv) Trước đây dùng Rem (Roentgen equivalent man)

1 Sv = 100Rem