SKKNPhuong phap giai bai tap phong xa

Năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel và sau đó là ông bà PierreCurie và Marie Curie phát hiện ra rằng các hợp chất của urani có khả năng tự phát ranhững tia không không nhìn t

LỜI NÓI ĐẦU

Bộ môn Vật lí được đưa vào giảng dạy trong nhà trường phổ thông nhằm cungcấp cho học sinh những kiến thức phổ thông, cơ bản, có hệ thống toàn diện Môn Vật

lí là một bộ phận khoa học tự nhiên nghiên cứu về các hiện tượng vật lý nói chung vàđiện học nói riêng

Do đó trong quá trình giảng dạy người giáo viên phải rèn luyện cho học sinh cóđược những kỹ năng, kỹ xảo và thường xuyên vận dụng những hiểu biết đã học đểgiải quyết những vấn đề thực tiễn đặt ra

Năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel và sau đó là ông bà PierreCurie và Marie Curie phát hiện ra rằng các hợp chất của urani có khả năng tự phát ranhững tia không không nhìn thấy được, có thể xuyên qua những vật mà tia sángthường không đi qua được gọi là các tia phóng xạ

Lợi ích thiết thực và phổ biến nhất của phóng xạ chính là được đem vào ứngdụng trong y học Cho đến cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20, công nghệ sản xuất hạtphóng xạ đã đạt được một bước đột phá trên trường quốc tế Người ta đã chế tác ra hạtphóng xạ năng lượng thấp, đồng thời các thiết bị chẩn đoán hình ảnh như siêu âmcũng phát triển nhanh chóng Việc xuất hiện hệ thống máy tính lập thể đã giúp choviệc ứng dụng Hạt phóng xạ vào điều trị các khối u ác tính trở nên rõ ràng và hiệu quảhơn

Thế nhưng, nếu không kiểm soát được nguồn năng lượng phóng xạ, nó sẽ gây

ra những tác hại khôn lường

Khi giảng dạy về “hiện tượng phóng xạ” các em học sinh đều rất hứng thú tìmhiểu về thực tế của hiện tượng này Tuy nhiên, việc tìm hiểu thực tế chủ yếu qua các tưliệu khoa học hoặc những video, những bộ phim khoa học hay những ứng dụng trongthực tế

Mặt khác, phần kiến thức về phóng xạ là một phần quan trọng và khá khó trong cáchình thức thi, kiểm tra, đòi hỏi học sinh phải vận dụng và hiểu cặn kẽ bản chất, đồngthời là liên hệ được thực tế vào bài học Khó khăn lớn nhất của các em là việc xácđịnh bài toán thuộc dạng nào để ra đưa phương pháp giải phù hợp cho việc giải bàitoán đó

Từ những lí do trên tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Tìm hiểu về phóng xạ và hệthống bài tập”

MỤC ĐÍCH ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1 Đối tượng nghiên cứu

- Học sinh lớp 12 ôn thi THPT Quốc Gia

2 Phạm vị nghiên cứu

-Thời gian nghiên cứu: trong năm học 2017-2018

- Đề tại nghiên cứu về “Hiện tượng phóng xạ” trong chương “Vật lí hạt nhân” thuộc chương trình lớp 12

III Phương pháp nghiên cứu

- Xác định đối tượng học sinh áp dụng đề tài

- Trình bày sơ lược các vấn đề về phóng xạ

- Trình bày về thực trạng việc khai thác, sử dụng và ô nhiễm phóng xạ hiện nay

- Trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng phóng xạ

- Phương pháp giải nhanh các dạng bài tập về hiện tượng phóng xạ

- Các ví dụ minh hoạ cho từng dạng bài tập

- Đưa ra các bài tập áp dụng trong từng dạng để học sinh luyện tập

- Kiểm tra sự tiếp thu của học sinh bằng các đề ôn luyện

- Đánh giá , đưa ra sự điều chỉnh phương pháp cho phù hợp từng đối tượng học sinh

Những nghiên cứu về bản chất của các hiện tượng phóng xạ chứng tỏ rằng hạtnhân của các nguyên tử phóng xạ không bền, tự phân hủy và phóng ra các hạt vật chấtkhác nhau như hạt anpha, beta kèm theo bức xạ điện từ như tia gamma Đồng thời vớihiện tượng phóng xạ tự nhiên, người ta cũng phát hiện một số loại nguyên tử của một

số nguyên tố nhân tạo cũng có khả năng phóng xạ

Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương như hạt anpha, hạtproton; mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta); không mang điện như hạtnơtron, tia gamma (có bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều)

Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân rã phóng

xạ hay phân rã hạt nhân

Tự phân hạch là quá trình hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ có số khối lớn

Ví dụ urani tự vỡ ra thành các mảnh hạt nhân kèm theo sự thoát ra neutron và một sốhạt cơ bản khác, cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân

Trong tự phân hạch và phân rã hạt nhân đều có sự hụt khối lượng, tức là tổngkhối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu Khối lượng bịhao hụt này chuyển hóa thành năng lượng khổng lồ được tính theo công thức nổi tiếngcủa Albert Einstein E m c= 2trong đó E là năng lượng thoát ra khi phân rã hạtnhân, m là độ hụt khối và c=298 000 000 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không

Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi vàphát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ) Tia phóng xạ lạichia thành nhiều phần gồm tia alpha, tia beta tia gamma, các dòng neutron không cóđiện tích và dòng các hạt neutrino không có điện tích, chuyển động với tốc độ gầnbằng tốc độ ánh sáng (phát ra cùng với các hạt beta trong phân rã beta) Và trong đó

có những tia sẽ hủy hoại cơ thể con người nếu hoạt động ở cường độ cao

2 Ứng dụng trong y học

Công hiệu lâm sàng của nguồn phóng xạ năng lượng thấp là sự tương tác củacác hạt phóng xạ được cấy trực tiếp vào khối u và chiếu xạ ở cự ly gần ADN là chìakhóa dẫn tới hiệu quả của sự bức xạ, các tia phóng xạ phá vỡ chuỗi ADN khiến khối umất khả năng sinh sôi Nhờ đó, một số căn bệnh ung thư được chữa khỏi, hoặc kéo dàithêm sự sống của người bệnh

3 Tác hại với đời sống con người Chuyện gì xảy ra khi bị nhiễm xạ?

Tia alpha là hạt mang điện tích dương, dễ dàng bị chặn lại bởi các loại vật chất mỏng chỉ cỡ tờ giấy hoặc da người Nếu hấp thụ vào cơ thể qua đường hô hấp hay đường tiêu hóa, những chất phát tia alpha sẽ gây tác hại cho cơ thể

Tia beta là các điện tử, sức xuyên thấu của nó mạnh hơn so với tia alpha nhưng

có thể bị chặn lại bằng tấm kính mỏng hoặc tấm kim loại Sẽ nguy hiểm nếu hấp thụ vào cơ thể những chất phát ra tia beta

Hoạt độ phóng xạ là khả năng phát ra tia phóng xạ của nguồn phóng xạ Đơn vị của nó là Becquerel (viết tắt là Bq) Đơn vị lớn hơn là Curi (viết tắt là Ci; 1Ci = 3,7

1010 Bq) Đơn vị biểu thị ảnh hưởng của tia phóng xạ đối với con người là Sievert (Sv) Các đơn vị nhỏ hơn là mSv (1Sv = 103mSv)

Hoạt độ phóng xạ 1 Bq là khả năng của nguồn phóng xạ mà 1 hạt nhân nguyên

tử biến đổi trong 1 giây sau đó sinh ra 1 tia phóng xạ

Khi nhận một lượng tia phóng xạ trong thời gian ngắn thì cơ thể con người sẽ

có những biểu hiện như sau:

- Mức 0,2Sv: không có biểu hiện bệnh lý gì - Mức 0,5Sv: giảm cầu lymph trong máu

Theo uỷ ban năng lượng Hoa Kỳ, phóng xạ urani ở các nhà máy điện hạt nhân,kho vũ khí, trung tâm nghiên cứu và các khu vực trước kia có xảy ra nổ hạtnhân như Hiroshima, Nagasaki, Chernobyl v.v hằng năm làm nhiễm độc 2.500 tỉ

cối, động vật uống phải, hoặc hoà tan vào nguồn nước sinh hoạt của con người và cuốicùng tích luỹ vào cơ thể.

Ô nhiễm phóng xạ chỉ đề cập đến sự hiện diện của phóng xạ không mong muốnhoặc mong muốn, và không đưa ra dấu hiệu cho thấy mức độ nguy hiểm có liên quan

Đây chính là nguyên nhân gây nên những đột biến dị dạng, bệnh tật,… cho các

cơ thể sống tự nhiên Cũng theo điều tra của uỷ ban này, thực chất, lượng phóng xạ rò

rỉ trong không khí, không gây nguy hiểm nhiều cho con người bằng lượng phóng xạvào nguồn nước Bởi vì, trong không khí – các tia phóng xạ chỉ có một không gian tácđộng rất hạn chế và giảm dần theo thời gian; còn trong nước, nó có thể đi xa hơn vàgây độc cho những vùng lân cận Không những thế ảnh hưởng của chúng ngày càngtăng theo thời gian do sự tích tụ phóng xạ trong nước ngày càng lớn hơn Vì vậy,khi Hiroshima và Chernobyl bị ảnh hưởng trực tiếp của phóng xạ hạt nhân nhưngnhững vùng rất xa ở xung quanh cũng bị tác động theo, do nguồn nước ngầm liênthông giữa các vùng Người ta đã phát hiện những triệu chứng nhiễm độc phóng xạtrên cơ thể con người sống ở những vùng rất xa hai trung tâm phóng xạ này, dù theo lýthuyết thì những vùng đó không thể bị ảnh hưởng vì nằm quá tầm hoạt động của cáctia phóng xạ sau các vụ nổ Tuy nhiên, kết quả thực tế cho thấy chúng vẫn bị ảnhhưởng…

Một số hình ảnh về ô nhiễm phóng xạ

4.2 Xử lí ô nhiễm phóng xạ bằng vi khuẩn

Trong hơn một thập niên qua, các nhà khoa học thuộc trường Đại họcColumbia (Hoa Kỳ) nghiên cứu đã tìm ra loại vi khuẩn có khả năng giúp conngười thu gom được các nguyên tử urani Tên khoa học của loài vi khuẩn đó

là Tshewanella oneidensis thuộc chi Tshewanella Trong đời sống tự nhiên, chúng liênkết thành các tập đoàn không bền vững có cấu trúc giống như những chuỗi hạt ngọctrai mà mỗi hạt ngọc trai là một vi khuẩn Mỗi chuỗi như vậy dài 5 mm, các chuỗiđược liên kết lại với nhau tạo nên một mạng lưới chằng chịt

Tshewanella oneidensis là các vi khuẩn kỵ khí không bắt buộc, không dùng đếnôxy Chúng hô hấp theo dạng "khử urani", nên chúng thu gom nguyên tử urani làmxúc tác hô hấp Khi hoạt động chúng sẽ tập trung urani lại, và nó sẽ tạo thành một lớp

vỏ ngăn cản sự rò rỉ của urani hoà tan ở bên trong ra bên ngoài Điều này cũng giốngnhư Tshewanella oneidensis tạo ra một nhà tù để nhốt urani lại vậy Khi vi khuẩn chết

đi, urani được tập trung và bọc trong vỏ của vi khuẩn Vì vậy, người ta có thể thu hồichúng bằng các phương pháp lọc truyền thống hay bằng các cột trao đổi ion

4.3 Làm giầu, tái chế phóng xạ

Do trữ lượng urani là có hạn và nhu cầu sử dụng nó ngày càng nhiều nên việctận dụng và tìm nguồn thay thế là một vấn đề đang được quan tâm Các lò phản ứngtái sinh hoặc tái sinh nhanh tạo ra ít chất thải hơn các lò bình thường khác trong khisản xuất ra cùng một năng lượng Hàm lượng thori gấp 5 lần urani trong vỏ Trái Đất

và đây được xem là một nguồn có thể được sử dụng thay cho urani chỉ với những cảitiến nhỏ trong các lò phản ứng hiện đại, đặc biệt là ở Ấn Độ

II Phóng xạ, tia phóng xạ, định luật phóng xạ

α : hạt nhân con lùi hai ô so với hạt nhân mẹ trong bảng tuần hoàn:

β + + : hạt nhân con lùi một ô so với hạt nhân mẹ trong bảng tuầnhoàn: Z AX → +10e + Z−A1Y

-Ion hoá yếu hơn nhưng đâmxuyên mạnh hơn tia α.

(β+) -Là dòng hạt êlectron dương (còn gọi là

pozitron) 0

1 (+ e), vận tốc ≈c.

(γ)

-Là bức xạ điện từ có bước sóng rất

ngắn (dưới 10-11 m), là hạt phôtôn có

năng lượng rất cao

-Ion hoá yếu nhất, đâm xuyênmạnh nhất

giảm theo thời gian :

Trong quá trình phân rã,

khối lượng hạt nhân

phóng xạ giảm theo thờigian :

- Đại lượng đặc trưng chotính phóng xạ mạnh hay yếucủa chất phóng xạ

( )t

H :độ phóng xạ còn lại sauthời gian t

Thực tế còn dùng đơn vị curi

(Ci):

1 Ci = 3,7.1010 Bq, xấp xĩbằng độ phóng xạ của mộtgam rađi

N)/N0 ;(m0 – m)/m0

N0 – N = N 0 (1- e -λt )

T t

III Hệ thống, phương pháp giải các bài tập về phóng xạ

Dạng 1: Xác định lượng chất còn lại (N hay m):

t T

t T

-Chú ý: + t và T phải đưa về cùng đơn vị

+ m và m 0 cùng đơn vị và không cần đổi đơn vị

HD Giải : t = 8 tuần = 56 ngày = 7.T Suy ra sau thời gian t thì khối lượng chất

15 P còn lại là 2,5g Tính khối lượng ban đầu của nó

HD Giải : Phương trình của sự phát xạ: 3215P 01e + S3216

hạt nhân ban đầu chưa phân rã Sau 1 năm nữa, số hạt nhân còn lại chưa phân rã củachất phóng xạ đó là

1 =

9

1 3

1 2

N

N

Hoặc N2 =

9 3 3

0 2 0

Chọn: C

đi e lần (e là cơ số của loga tự nhiên với lne = 1) T là chu kỳ bán rã của chất phóng

N N e = −λ , với λ là hằng số phản xạ, N0 là số hạt nhân ban đầu tại t = 0

Theo điều kiện đầu bài: e No e t

Lượng chất còn lại sau thời gian 0,15∆t tỉ lệ thuận với số hạt:

t

e m m

m

-Số hạt nhân bị phân rã là : ΔN = (1 2 ) (1 . )

0 0

t

e N

N N

rã của 226Ra là 1580 năm Số Avôgađrô là NA = 6,02.1023 mol-1

A

m

hạt Suy ra số hạt nhân nguyên tử Ra phân rã sau 1 s là :

1 21

đầu, tỉ số giữa số hạt nhân bị phân rã thành hạt nhân của nguyên tố khác với số hạtnhân của chất phóng xạ còn lại

N N N

N

m − = − − ⇒∆ = −− =

−

T t T t

m

m

2

2 1 0

N N

N N

Dạng 3 : Xác định khối lượng của hạt nhân con :

a.Phương pháp:

- Cho phân rã : Z A X→Z B'Y + tia phóng xạ Biết m 0 , T của hạt nhân mẹ.

Ta có : 1 hạt nhân mẹ phân rã thì sẽ có 1 hạt nhân con tao thành

Do đó : ΔN X (phóng xạ) = N Y (tạo thành)

-Số mol chất bị phân rã bằng số mol chất tạo thành X X n Y

A m

n =∆ =

-Khối lượng chất tạo thành là

A

B m

m Y ∆ X.

= Tổng quát : m con = con

me

me A A

A 10,5g B 5,16 g C 51,6g D 0,516g

- Khối lượng Na bị phân rã sau 45 = 3T giờ:

Δm (1 2 ) 12(1 2 3)

1 0

A

A m

gam.⇒Chọn đáp án A

Bài 2 : Chất phóng xạ Poloni 210Po

84 có chu kì bán rã T = 138 ngày phóng ra tia α và biến thành đồng vị chì 206Pb

82 ,ban đầu có 0,168g poloni Hỏi sau 414 ngày đêm có :

a Bao nhiêu nguyên tử poloni bị phân rã?

b Tim khối lượng chì hình thành trong thời gian đó

a.Số nguyên tử bị phân rã sau 3 chu kì:

0

3 0 0 0

8

7

N N N N

0 6 , 023 10 4 , 214 10

210 8

168 , 0 7 8

Trong năm thứ 786: khối lượng 226

Bài 4 : Đồng vị 23592U phân rã α thành hạt nhân AZTh

1) Viết đầy đủ phương trình phân rã trên Nêu rõ cấu tạo của hạt nhân được tạo thành.2) Chuỗi phóng xạ trên còn tiếp tục cho đến hạt nhân con là đồng vị bền 20782Pb Hỏi

có bao nhiêu hạt nhân Hêli và hạt nhân điện tử được tạo thành trong quá trình phân rã đó

HD Giải 1) Phương trình phân rã 23592U → α +42 AZTh

Từ định luật bảo toàn số khối: 235 = 4 + A => A = 231

Từ định luật bảo toàn điện tích: 92 = 2 + Z => Z = 90 Vậy phương trình phản ứng:

Cấu tạo hạt nhân 23190Th gồm 231 hạt nucleôn với 90 hạt prôtôn và 231 – 90 = 141 hạt nơtrôn

2) Gọi x là số phân rã α, y là số phân rã β

Từ định luật bảo toàn số khối: 235 = 207 + 4x + 0y -> x = 7

Từ định luật bảo toàn điện tích: 90 = 82 + 2x – y -> y = 4

Mỗi hệ phân rã α sẽ tạo ra một hạt nhân Hêli, mỗi phân rã β sẽ tạo ra một hạt điện tử.Vậy có 7 hạt nhân Hêli và 4 hạt điện tử được tạo thành

giảm, cò số nguyên tử 5525Mn không đổi

Sau 10 giờ = 4 chu kì số nguyên tử của 5625Mn giảm 24 = 16 lần

Do đó thì tỉ số giữa nguyên tử của hai loại hạt trên là:

a.Phương pháp:

1) Tìm chu kì bán rã khi biết khi cho biết m & m 0 ( hoặc N & N 0 ; H&H 0 ):

- Biết sau thời gian t thì mẫu vật có tỉ lệ m/m 0 ( hay N/N 0 ) Tìm chu kì bán rã T của mẫu vật ?

a) Tỉ số số nguyên tử ban đầu và số nguyên tử còn lại sau thời gian phóng xạ t

N= N0 e λ t=> T=

N N

t

0 ln

2 ln

Hoặc m=m0 e λ t=> T=

t ln m ln m 0

log2

m

m T

t m

log 2

N

N T

t N

0

N N

1 2

ln

2 ln ) (

N N

( ) ln 2 ln

t t m m

phóng xạ bị phân rã thành chất khác Chu kì bán rã của chất phóng xạ đó là

A 12 giờ B 8 giờ C 6 giờ D 4 giờ.

Giải :

0 0

1 8 8

7 8

7 100

5 , 87

24 3

3 ⇒ = = =

xạ bị phân rã Chu kì bán rã của đồng vị đó là:

T

t k

1 2

1 75 0 2

1 1

ln 0

m

m T

=

2 ln

707 , 0

1 ln 138

= 69 ngày (Chọn A)

Bài 5 : Đồng vị Cacbon 146C phóng xạβ và biến thành nito (N) Viết phương trình của

sự phóng xạ đó Nếu cấu tạo của hạt nhân nito Mẫu chất ban đầu có 2x10-3 g Cacban

14

6 C Sau khoảng thời gian 11200 năm Khối lượng của Cacbon 146 C trong mẫu đó cònlại 0.5 x 10-3 g Tính chu kì bán rã của cacbon 146C

HD Giải: – Phương trình của sự phóng xá : 146 C →−o1 e +147 N

-Hạt nhân nitơ 147 N gồm Z = 7 prôtôn Và N = A – Z = 14 – 7 = 7 nơtrôn