Trờng đại học vinh Khoa vật lý === === Nguyễn thị huyền tán xạ compton của bức xạ gamma đối với một số vật liệu ở các góc khác nhau luận văn tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Vinh, 2006 = = 1 Lời cảm ơn Hoàn thành luận văn này, tác giả xin đợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với thầy giáo Th.s Nguyễn Thành Công, thầy đã đặt bài toán cung cấp tài liệu nhiệt tình hớng dẫn, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tác giả xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo phản biện PTS. Võ Thanh Cơng, đã có những ý kiến đóng góp quý báu và nhiệt tình để luận văn đ- ợc hoàn thành. Tác giả cũng xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới Ban chủ nhiệm, các thầy cô trong khoa Vật lý, đặc biệt là thầy Nguyễn Viết Lan, thầy Phan Văn Thuận, thầy Lu Tiến Hng đã giúp đỡ và có những chỉ dẫn khoa học quý báu để tác giả hoàn thành luận văn. Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới ngời thân, bạn bè đã giúp đỡ tác giả trong thời gian qua về mặt tinh thần cũng nh tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn. 2 Mục lục Trang Mở đầu Chơng I: Tơng tác bức xạ hạt nhân với vật chất . 1.1. Khái niệm bức xạ 1.2. Nguồn gốc bức xạ gamma . 1.2.1. Nguồn gốc gamma dựa trên quá trình phân rã bêta 1.2.2. Nguồn gốc bức xạ hủy cặp 1.2.3. Nguồn gốc gamma sau phản ứng hạt nhân . 1.2.4. Nguồn gốc từ các đồng vị phóng xạ đợc sản xuất nhân tạo 1.3. Đặc điểm chung của bức xạ gamma khi đi qua vật chất 1.4. Các hiệu ứng xảy ra khi cho bức xạ gamma tơng tác với vật chất . 1.4.1. Hiệu ứng quang điện . 1.4.2. Hiệu ứng Compton 1.4.3. Hiệu ứng tạo cặp . 1.5. Sự suy giảm cờng độ của bức xạ gamma khi đi qua vật chất 1.5.1. Biểu thức sự suy giảm của cờng độ gamma khi đi qua vật chất 1.5.2. Độ suy giảm cờng độ đối với một nguyên tử . 1.5.3. Hệ số suy giảm toàn phần của các hiệu ứng: Quang điện, Compton và tạo cặp 1.5.4. Quãng đờng tự do trung bình của photon gamma khi đi qua vật chất 1.6. Năng lợng hấp thụ 1.6.1 Trờng hợp hấp thụ mỏng . 1.6.2. Trờng hợp hấp thụ dày . 1.7. Một số đại lợng dùng trong bức xạ 1.7.1. Liều hấp thụ D 1.7.2. Liều chiếu xạ P 1.7.3. Thông lợng bức xạ 1.7.4. Liều tơng đơng . 1.8. ảnh hởng của bức xạ gamma gây ra một số chất rắn 1.8.1. Quá trình lý hoá chủ yếu 1.8.2. Khuyết tật điểm 1.8.3. Kim loại và hợp kim . 1.8.4. Chất bán dẫn . 1.8.5. Tinh thể kiềm . 1.8.6. Thủy tinh 1.8.7. ảnh hởng của bức xạ tới tốc độ hòa tan của vật rắn 1.8.8. Polyme 1.8.8.1. Biến đổi điện tính 1.8.8.2. Biến đổi tính chất cơ học 1.8.8.3. Biến đổi các tính chất vật lý khác . 3 Chơng II: Phần thực nghiệm: Tán xạ Compton của bức xạ gamma đối với một số vật liệu ở các góc khác nhau . 2.1. Cơ sở của phơng pháp . 2.2. Sơ đồ chung . 2.3. Kết quả thực nghiệm Chơng III: ứng dụng và che chắn bức xạ 3.1. ứng dụng của bức xạ gamma 3.1.1. Ngành sản xuất công nghiệp 3.1.2. Ngành giao thông vận tải . 3.1.3. Trong y học 3.1.4. Trong sản xuất vật liệu 3.2. Một số dụng cụ ghi đo bức xạ 3.3. Cách phòng tránh và che chắn bức xạ 3.3.1. Phòng tránh tập thể . 3.3.2. Phòng chống cá nhân 3.3.3 Tiêu chuẩn quy định về an toàn phóng xạ đối với các đối tợng 3.3.4. Che chắn bức xạ . Kết luận Tài liệu tham khảo 4 Mở đầu Ngày nay các ứng dụng khoa học của ngành năng lợng hạt nhân nguyên tử đi sâu vào rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, nh lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học, hóa lý . Kỹ thuật hạt nhân ngày nay còn trở thành một ngành kinh tế kỹ thuật, và thực tế ở một số nớc công nghiệp phát triển nó đã trở thành một ngành kinh tế thực sự, với lợi nhuận lên tới hàng trăm tỷ đô la, mang lại hàng triệu việc làm, có thể so sánh ngang với các ngành kinh tế quan trọng của đất nớc. Hoa Kỳ là một ví vụ điển hình, năm 1991 ứng dụng của ngành phi năng lợng hạt nhân mang lại cho đất nớc này 257 tỷ USD chiếm 78% lợi nhuận, chẳng hạn trong ngành sản xuất điện năng giao thông vận tải, ngành hàng không, công nghiệp dân dụng, sản xuất hàng hoá vật liệu, thực phẩm y tế ở Việt Nam tuy chiếm một tỷ trọng rất khiêm tốn trong công nghiệp, nhng công nghệ bức xạ phát triển rất mạnh mẽ, với tốc độ tăng trởng hàng năm khá cao lên tới 25%. Nghiên cứu công nghệ bức xạ là nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hóa học, sinh học, . và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền năng lợng cho vật chất, nhằm biến các hiệu ứng này thông qua các quy trình công nghệ để tạo ra các sản phẩm với những tính năng và công dụng mới phục vụ con ngời. Bên cạnh đó có những phơng pháp để phòng tránh, che chắn do tác hại của bức xạ gây ra. Nhận thức đợc sự quan trọng đó, nên tôi đã lựa chọn đề tài: "Tán xạ Compton của bức xạ gamma đối với một số vật liệu ở các góc khác nhau" dới sự chỉ dẫn trực tiếp của các thầy. Tính thời sự: Đây là một loại tơng tác mà các sinh viên cử nhân khoa học cũng nh sinh viên cử nhân s phạm còn đợc ít biết đến. Tài liệu tiếng việt về hiện tợng này còn ít nên luận văn đa đến cho các bạn ít nhiều hiểu biết thêm về một dạng tơng tác của bức xạ của vật chất, đồng thời cho ta nghiệm lại những lý thuyết đã nêu ra về tính chất của bức xạ gamma khi đi qua vật chất qua thực nghiệm. 5 Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo luận văn gồm có các ch- ơng (thuộc phần nội dung). Chơng I: Bức xạ hạt nhân.Tơng tác của bức xạ với vật chất. Chơng II: Tán xạ Compton của bức xạ gamma đối với một số vật liệu ở các góc khác nhau Chơng III: ứng dụng và che chắn bức xạ 6 Chơng I: tơng tác Bức xạ hạt nhân với vật chất 1.1. Khái niệm bức xạ Bức xạ là những dạng năng lợng phát ra trong quá trình vận động và biến đổi vật chất. Về mặt vật lí nó đợc thể hiện dới dạng sóng hạt. Mỗi dạng bức xạ đợc đặc trng bằng giải năng lợng hay tơng ứng với nó một giải bớc sóng xác định. Mối tơng quan giữa năng lợng E và bớc sóng của bức xạ đợc mô tả bằng biểu thức: hc hE == (1.1) h = 6,602.10 -34 (js); là hằng số plăng; c: là vận tốc ánh sáng. Tiên đề cơ bản để làm căn cứ cho việc giải thích theo quan điểm lợng tử là: Bức xạ điện từ đợc tạo thành từ các hạt mang năng lợng nhỏ và gián đoạn, gọi là các photon hay các lợng tử. Mỗi photon có một năng lợng E chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ theo biểu thức: hE = Một phôton sẽ tơng tác hoàn toàn hoặc không tơng tácvật chất, nghĩa là nó có thể truyền toàn bộ năng lợng của mình hoặc không truyền một chút năng l- ợng nào. Vì các photon chuyển động với vận tốc ánh sáng nên theo thuyết tơng đối, khối lợng nghỉ của chúng phải bằng không. Do đó năng lợng của các photon chỉ có thể có nguồn gốc động học. Theo quan điểm lợng tử thì một bức xạ năng lợng điện từ đợc cấu thành cácphoton chuyển động với vận tốc c. Cờng độ bức xạ sẽ tỉ lệ với số phôton đi qua một đơn vị thể tích đặt vuông góc phơng lan truyền. Khi đó, một bức xạ đơn sắc sẽ có cờng độ I bằng: ts n EI . . = (1.2) E : Năng lợng photon; n: Số photon; s: Diện tích; t: Thời gian 7 1.2. Nguồn gốc bức xạ gamma. 1.2.1. Nguồn gốc gamma dựa trên quá trình phân rã bêta (Các loại nguồn thờng đợc dùng để chuẩn năng lợng cho các phổ kế gamma). Tia gamma thờng đợc phát ra bởi những hạt nhân có kích thích ngay sau quá trình phân rã của hạt nhân mẹ. Bốn quá trình phân rã sau đây thờng đợc sử dụng trong các nguồn gamma chuẩn: bắt electron ( EC ), phân rã + và EC , phân rã với 2 chuyển mức gamma và phân với 1 chuyển mức gamma. EC 2 EC% % 10 90 + 1 3 Ne 22 10 Fe 57 26 a) %);9(014,0: %);8(112,0: %)11(136,0: 3 2 1 Mev Mev Mev b) Bức xạ hủy cặp ;511,0 Mev 8 Co 56 27 Na 22 11 ),(Cs 1431 137 56 Co 60 27 )27,5( y 505,2 (%)5,93 1 (%)62,0 2 (%)65,0 Ni 60 28 c) %)100(132,1: %)100(173,1: 2 1 Mev Mev d ) %)85(662,0: Mev Hình1: Sơ đồ phân rã với các chuyển mức chính của một số nguồn gamma điển hình: a) EC ; b) Phân rã + và EC ; Phân rã với hai chuyển mức gamma; d) Phân rã với 1 chuyển mức gamma. 1.2.2. Nguồn gốc bức xạ hủy cặp Khi hạt nhân mẹ phân rã + , pôsittron bị mất dần động năng rồi cuối cùng kết hợp với electron nó gặp trên đờng đi và diễn ra quá trình hủy cặp. Cùng với bức xạ hủy cặp này, hạt nhân con ở trạng thái kích thích sau đó cũng phát ra bức xạ gamma. 1.2.3. Nguồn gamma pháp ra sau phản ứng hạt nhân Sau phản ứng hạt nhân đợc tạo ra ở trạng trái kích thích, sau đó phát ra tia gamma khi nó trở về trạng thái cơ bản. 1.2.4. Nguồn gốc từ các đồng vị phóng xạ đợc sản xuất nhân tạo Hầu hết các đồng vị phóng xạ thờng đợc dùng để chụp ảnh đợc sản xuất nhân tạo. Một số trong chúng đợc sản xuất bằng cách bắn phá notron trong lò phản ứng hạt nhân. Phản ứng (n ) đợc áp dụng để sản xuất hầu hết các nguồn tia gamma, Phản ứng (n ) này là một phản ứng notron nhiệt. Notron bị bắt giữ trong hạt nhân của nguyên tố bị bắn phá và chất tạo ra là một đồng vị có nguyên tố gốc, ví dụ: ++ 60159 0 CnC 1.3. Đặc điểm chung của bức xạ gamma khi đi qua vật chất 9 Ba 137 56 Tia gamma là một bức xạ điện từ có tính thâm nhập cao đối với vật chất. Giả sử năng lợng là E , xung lợng P và bớc sóng có hệ thức sau: hc E = ; h P = Phổ năng lợng của tia gamma quan sát đợc luôn luôn là gián đoạn, do đó ngời ta nói rằng các mức hạt nhân là gián đoạn. Khi đi qua vật chất các lợng tử gamma tơng tác với các nguyên tử nói chung, với hạt nhân, với electron và do đó cờng độ của chúng giảm đi. Sự yếu dần của chùm tia gamma tuân theo quy luật hàm mũ: X eII à = 0 (1.3) Với :0 I Cờng độ tia gamma ban đầu : à Hệ số suy giảm tuyến tính :x Chiều dày mà tia gamma đã đi vào vật chất Và ngoài ra còn phụ thuộc vào mật độ vật chất và số thứ tự của nguyên tố hình thành vật chất, cũng nh năng lợng của chính các lợng tử gamma. Mặt khác bức xạ gamma khi đi qua vật chất sẽ làm thay đổi cấu trúc của vật chất, gây ra các biến đỏi vật lí, hóa học, sinh học .và các biến đổi này phụ thuộc rất mạnh vào năng lợng bức xạ. Nói chung không kể đến các phản ứng hạt nhân do tia gamma gây ra và các hiệu ứng khác thì 3 hiệu ứng là, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp đóng góp đáng kể vào quá trình hao tổn năng lợng của tia gamma trong vật chất. Ta lần lợt đi xét các hiệu ứng này. 1.4. Các hiệu ứng chủ yếu xảy ra khi cho bức xạ Gamma tơng tác với vật chất 1.4.1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình tơng tác giữa lợng tử gamma với vật chất. Trong hiệu ứng này lợng tử gamma tới va chạm không đàn hồi với nguyên tử của vật chất. Khi này photon gamma mất toàn bộ năng lợng hv do hấp thụ. Năng lợng mất mát này một phần tiêu tốn cho việc bứt điện tử ra khỏi qũy đạo 10 . dung). Chơng I: Bức xạ hạt nhân.Tơng tác của bức xạ với vật chất. Chơng II: Tán xạ Compton của bức xạ gamma đối với một số vật liệu ở các góc khác nhau Chơng. hại của bức xạ gây ra. Nhận thức đợc sự quan trọng đó, nên tôi đã lựa chọn đề tài: " ;Tán xạ Compton của bức xạ gamma đối với một số vật liệu ở các góc