Tương tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và lí thuyết của quá trình truyền năng lượng

Trờng đại học vinh Khoa vật lý Đề tài : Tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và lý thuyết của quá trình truyền năng lợng Tóm tắt Khóa luận tốt nghiệp đại học Cán bộ hớng dẫn : Th

Trờng đại học vinh Khoa vật lý

Đề tài :

Tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và lý thuyết của quá trình truyền năng lợng

Tóm tắt Khóa luận tốt nghiệp đại học

Cán bộ hớng dẫn : Th.S Nguyễn Thành Công

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Hoàng Thanh

Lớp : 44A Vật lý–

Vinh - 2007

Lời cảm ơn

Thực hiện khoá luận tốt nghiệp này tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáothạc sĩ Nguyễn Thành Công đã trực tiếp tận tình hớng dẫn, chỉ bảo và giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành khoá luận

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong BCN khoa Vật lý, cácthầy cô ở phòng thí nghiệm Vật lý Quang phổ đã có nhiều chỉ dẫn, giúp đỡtôi hoàn thành khoá luận này

Tôi xin chân thành cảm ơn ngời thân, bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ và

động viên tôi hoàn thành tốt khoá luận

Mục Lục

Mở đầu

1

Chơng I: Tơng tác của bức xạ với vật chất 4

1.1.Một số khái niệm cơ bản……… 4

1.1.1 Bức xạ hạt nhân ……… 4

1.1.2 Phân rã phóng xạ……… 5

1.1.3 Tơng tác của bức xạ với vật chất……… 6

1.2 Tơng tác của bức xạ với vật chất………. 7

1.2.1 Đặc điểm tơng tác của bức xạ với vật chất ……… 7

1.2.2 Bức xạ điện từ……… 7

1.2.2.1 Các nguồn bức xạ điện từ ……… 8

1.2.2.2 Tơng tác của tia gamma với vật chất ……… 9

1.2.2.3 Tóm tắt các tơng tác của photon……… 1

5 1.2.3 Bức xạ anpha……… 1

6 1.2.3.1.Các nguồn bức xạ anpha ……… 1

6 1.2.3.2 Tơng tác anpha……… 1

6 1.2.4 Bức xạ bêta……… 1

7 1.2.4.1 Các nguồn tia bêta……… 1

7 1.2.4.2 Tơng tác bêta……… 1

9 1.2.5 Nơtron ……… ……… 1

9 1.2.5.1 Nguồn nơtron……… ……… 2

0 1.2.5.2 Tơng tác của nơtron với vật chất ……… 2

1 1.2.6 Tóm tắt tính chất của bức xạ hạt nhân và đặc điểm tơng tác của chúng với vật chất……… ………… 2

2

Chơng II: Lý thuyết của quá trình truyền năng lợng

42.1.1.Liều chiếu……… 2

42.1.2 Suất liều chiếu……… 2

42.1.3 Liều hấp thụ……… 2

52.1.4 Suất liều hấp thụ……… 2

52.1.5 Mối tơng quan giữa X (R) và D (Gy) ……… 2

52.1.6 Liều tơng đơng (HT,R) ……… 2

52.1.7 Suất liều tơng đơng……… 2

62.1.8 Thông lợng bức xạ……… ……… ………… 2

6

2.2 Các lý thuyết của quá trình truyền năng lợng của bức xạ với vật

62.2.1 Lý thuyết tuyến tính phi ngỡng……… 2

72.2.2 Lý thuyết lợng tử……… 2

72.2.3 Lý thuyết cấu trúc vết……… 2

92.2.4 Mô hình truyền năng lợng……… 3

02.2.5 Các dẫn xuất của mô hình truyền năng lợng ……… 3

22.2.6 So sánh các lý thuyết về quá trình truyền năng lợng của bức xạ với

vật chất……… …… 3

42.2.7 Một số vận dụng của mô hình truyền năng lợng……… 3

52.2.7.1 Tơng tác của bức xạ với tế bào……… 3

52.2.7.2 Thuỷ tinh ……… 3

72.2.7.3 Hợp kim Fe- Ni……… 3

13.2.2 Các chất nhấp nháy thờng dùng……… 4

13.2.3 Bộ nhân quang điện……… 4

33.3.3 Cơ chế đo liều……… 4

43.3.4 Đặc trng của đêtectơ nhấp nháy……… 4

Mở Đầu

Ngày 28 tháng 12 năm 1895 một bản thông báo đã đi vào lịch sử của nhânloại với một sự kiện vĩ đại, đó là tia X đợc Rơnghen phát hiện ra khi nghiên cứuhiện tợng phóng điện qua chất khí Để rồi ngay năm sau đó 1896 Beccơren đãtìm thấy tia gamma đợc phát ra từ các tinh thể của muối Uran cũng có tính chấttơng tự nh tia X Đến năm 1898 Curie đã nhận dạng và tách đợc thêm 2 nguyên

tố phóng xạ nữa là Poloni và Radi Từ đó một kỉ nguyên của vật lý nguyên tửhạt nhân đã đợc mở ra

Ngay sau khi tia X và các chất phóng xạ khác đợc phát hiện, con ngời đãbiết tận dụng những u điểm vốn có của chúng Tia X đã đợc sử dụng đầu tiêntrong y học để chụp ảnh các vết gãy xơng Cho tới năm 1939 khi Hahn vàStrasmann phát hiện ra hiện tợng phân hạch của hạt nhân Uran thì thế giới đãbắt đầu một thời kì mới, thời kì ứng dụng năng lợng nguyên tử Từ lò phản ứngngời ta đã chế tạo ra đợc các nguồn đồng vị phóng xạ phong phú ứng dụng củavật lý hạt nhân phát triển mạnh mẽ trên hai lĩnh vực quan trọng đó là:

- Các ứng dụng năng lợng: năng lợng to lớn giải phóng trong các phản ứngphân hạch và tổng hợp hạt nhân đợc sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân

và vũ khí hạt nhân

- Các ứng dụng phi năng lợng (hay kĩ thuật hạt nhân): lĩnh vực sử dụng cáctơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và các phản ứng hạt nhân phát ra nănglợng tơng đối nhỏ so với năng lợng tổng hợp và phân hạch hạt nhân

ứng dụng của kĩ thuật hạt nhân rất đa dạng và phong phú, không chỉ trong y

tế mà phát triển mạnh trong các lĩnh vực khác nh nông nghiệp (bảo quản thựcphẩm, hoa quả; tạo giống mới, chế biến phân bón…), công nghiệp (kiểm tra chấtlợng sản phẩm, cấy iôn để làm thay đổi tính chất vật liệu nh mong muốn…) Từnhiều năm nay, kĩ thuật hạt nhân đã trở thành công cụ đổi mới trong côngnghiệp, tăng hiệu quả và năng suất lao động, tiết kiệm năng lợng và bảo vệ môitrờng sinh thái

Tuy nhiên để hiểu, khai thác và ứng dụng hết khả năng to lớn của bức xạ hạtnhân đồng thời đảm bảo đợc an toàn bức xạ thì chúng ta cần phải hiểu rõ quátrình tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và cơ chế truyền năng lợng trongcác quá trình đó Đây là vấn đề rất quan trọng trong lĩnh vực kĩ thuật hạt nhân

và đã đợc rất nhiều các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu

Với ý nghĩa thiết thực của vấn đề và sự hớng dẫn của thầy giáo Th.S:

Nguyễn Thành Công, tôi đã lựa chọn đề tài: “ Tơng tác của bức xạ hạt nhân

với vật chất và lý thuyết của quá trình truyền năng lợng“.

Mục đích của bản luận văn là trình bày một số vấn đề cơ bản về bức xạ nhcác khái niệm, đại lợng đặc trng; quá trình tơng tác của một số loại bức xạ hạtnhân với vật chất; đa ra lý thuyết của quá trình truyền năng lợng của bức xạ vớivật chất, so sánh mô hình truyền năng lợng với các lý thuyết khác và nêu một sốvận dụng của nó; đề cập tới một số cơ chế đợc sử để ghi đo bức xạ dựa vào cáchiệu ứng do quá trình tơng tác của bức xạ với vật chất gây ra, nguyên tắc cấutạo và hoạt động của đêtectơ nhấp nháy và minh hoạ một số hình ảnh về đêtectơnhấp nháy NaI (một loại liều kế thông dụng đã và đang đợc sử dụng để xác địnhliều lợng bức xạ trong phòng thí nghiệm VLQP của trờng ĐH Vinh)

ở Việt Nam các lĩnh vực ứng dụng bức xạ hạt nhân cha đợc phát triển vàkhai thác đúng với tiềm năng to lớn của nó Đối với mọi ngời cũng nh sinh viên

đây là một lĩnh vực còn khá mới mẻ và xa lạ do những hiểu biết về lĩnh vực nàycòn rất hạn chế, chủ yếu là qua lý thuyết, ít đợc tiếp xúc thực tế Vì vậy vớinhững vấn đề trình bày trong bản luận văn này mong rằng sẽ cung cấp một sốkiến thức cơ bản để các bạn tham khảo, gần gũi hơn với vật lý nguyên tử hạtnhân và hiểu rõ hơn khả năng ứng dụng hết sức to lớn của nó

Bố cục của luận văn gồm

 Phần mở đầu: giới thiệu luận văn, nêu ý nghĩa và lý do chọn đề tài.

Chơng I: Tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất

Chơng II: Lý thuyết của quá trình truyền năng lợng của bức xạ

với vật chất

Chơng III: Ghi đo bức xạ

Chơng I

tơng tác của bức xạ Hạt nhân với vật chất

Tìm hiểu quá trình tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất trớc hết ta cầnnắm một số khái niệm và định nghĩa cơ bản về bức xạ hạt nhân, phân rã phóngxạ và phản ứng hạt nhân, các thuật ngữ về tơng tác của bức xạ với vật chất

- Bức xạ điện tích (electron, pôzitron, prôtôn…)

- Bức xạ điện từ (lợng tử gamma, tia rơnghen…)

- Bức xạ trung hoà điện (nơtron, nơtrinô…)

Năng lợng bức xạ

Đơn vị năng lợng bức xạ thờng dùng là: electron-Von, kí hiệu là eV

1 eV là lợng năng lợng thu đợc bởi một điện tử khi gia tốc qua hiệu điện thế

một đơn vị diện tích nằm vuông góc với hớng bay của các hạt.

Đơn vị mật độ dòng bức xạ là: hạt /m2.s

Cờng độ bức xạ

Cờng độ bức xạ I là năng lợng của dòng bức xạ trong một đơn vị thời gian

đập vào một đơn vị diện tích nằm vuông góc với phơng truyền của dòng bức xạ

Đơn vị của cờng độ bức xạ là (W/m2 ) hay (

s m

Định luật phóng xạ: Khi nghiên cứu sự phân rã phóng xạ, ngời ta thấy rằng

không phải tất cả các hạt nhân của nuclit phóng xạ đều phân rã đồng thời.Trong mỗi giây chỉ có một phần nhất định trong tổng số hạt nhân nguyên tử củanguyên tố phóng xạ bị phân rã Phần này đợc đặc trng bằng xác suất phân rã,gọi là hằng số phân rã, kí hiệu là λ và đợc xác định bằng định luật sau:

N(t) = N0e- λ t

Trong đó:

N(t): số hạt phân rã tại thời điểm t

No : số hạt nhân nguyên tử không bị phân rã hay số hạt nhân phân rã tạithời điểm t = 0

Chu kì bán rã T1/2 : là khoảng thời gian trong đó một nửa số lợng hạt nhânphóng xạ đã cho bị phân rã

T1/2 = (ln2)/λ

VD: T1/2 đối với 60Co là 5,2714 ± 0,0005 năm; với 137Cs là 30,07±0,2năm

Hoạt độ phóng xạ A của nguồn phóng xạ là số nguyên tử của chất phóng

xạ phân rã trong một đơn vị thời gian

A =

dt dN

Đơn vị đo dộ phóng xạ là Beccơren(Bq), 1Bq là 1 phân rã /s.

Đơn vị đo độ phóng xạ cũ là Curie(Ci) đợc xác định nh độ phóng xạ củanguồn phóng xạ đã cho trong đó cứ 1 giây lại diễn ra 3,7.1010 phân rã

1.1.3 Tơng tác của bức xạ với vật chất

Quãng chạy của các hạt mang điện trong vật chất

Quãng đờng mà hạt đi đợc trong vật chất trớc khi mất toàn bộ năng lợng của

nó đợc gọi là quãng chạy của hạt tích điện trong vật chất

Quãng chạy của hạt phụ thuộc vào loại hạt tích điện, năng lợng của nó vàvật chất mà nó tơng tác Tuy nhiên các hạt có năng lợng ban đầu giống nhau sẽkhông có quãng chạy hoàn toàn giống nhau

Năng suất hãm: là năng lợng mất mát trung bình trên một đơn vị độ dài

quãng chạy của hạt điện tích và ký hiệu là dE/dx

Trạng thái kích thích: trạng thái không bền của một hệ lợng tử với năng

l-ợng lớn hơn năng ll-ợng ở trạng thái cơ bản

Tiết diện hiệu dụng: đại lợng vật lý đặc trng cho xác suất tơng tác của các

vi hạt khi chúng va chạm v o nhau, có thứ nguyên diện tích [thà ờng đo bằng

cm2, hoặc bacnơ (barn), 1 bacnơ = 10-24 cm2].

Va chạm : là sự tơng tác giữa các hạt, không nhất thiết phải có sự chạm trán

thực sự

Va chạm đàn hồi: bức xạ tơng tác và truyền năng lợng cho nguyên tử chất

hấp thụ dới dạng động năng

Va chạm không đàn hồi: bức xạ tơng tác và truyền năng lợng cho nguyên

tử chất hấp thụ, gây ra sự kích thích hoặc iôn hoá

1.2 Tơng tác của bức xạ với vật chất

1.2.1 Đặc điểm tơng tác của bức xạ với vật chất.

Tơng tác của bức xạ với vật chất mang tính chất tác động qua lại:

- Vật chất làm suy giảm cờng độ và năng lợng của bức xạ

- Bức xạ làm thay đổi cấu trúc của vật chất, gây ra các biến đổi vật lý, hóa học…

và các biến đổi này phụ thuộc rất mạnh vào năng lợng và dạng bức xạ

Phần sau sẽ trình bày sự tơng tác với vật chất của bốn loại bức xạ hạt nhân

điển hình: tia X, gamma (bức xạ điện từ), tia bêta (hạt nhẹ mang điện), tiaanpha (hạt nặng mang điện) và nơtron (hạt không mang điện)

- Tia γ đợc phát ra từ hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ

- Tia X đợc sinh ra do sự tơng tác của các điện tử nhanh với trờng hạt nhân (bứcxạ hãm) hay khi điện tử nguyên tử bị thay đổi về quỹ đạo

1.2.2.1 Các nguồn bức xạ điện từ.

Nguồn gamma dựa trên quá trình phân rã bêta:

Tia gamma thờng đợc phát ra bởi những hạt nhân kích thích ngay sau quátrình phân rã β của hạt nhân mẹ

Bốn quá trình phân rã sau đây thờng đợc sử dụng trong các nguồn gammachuẩn: bắt electron (EC), phân rã β+ và EC, phân rã β- với hai chuyển mứcgamma và phân rã β- với một chuyển mức gamma

Các nguồn gamma điển hình là: 60Co

27 , 22Na

11 , 57Co

27 , 137Cs

55

Nguồn gamma từ quá trình hủy cặp:

Khi hạt nhân mẹ phân rã β+, pozitron bị mất dần động năng rồi cuối cùngkết hợp với electron nó gặp trên đờng đi và diễn ra quá trình hủy cặp, phát ra haiphôtôn γ theo chiều ngợc nhau với năng lợng là 511 KeV Cùng với bức xạ hủycặp này, hạt nhân con ở trạng thái kích thích sau đó cũng phát ra bức xạgamma Ví dụ: đồng vị 22Na

11 cho tia gamma năng lợng 511 và 127 KeV

Nguồn gamma phát ra sau phản ứng hạt nhân:

Sau phản ứng hạt nhân, hạt nhân đợc tạo ra có thể ở trạng thái kích thích,khi trở về trạng thái cơ bản phát ra tia gamma

Nguồn tia X đặc trng:

Khi nguyên tử ở vào trạng thái kích thích, electron có thể rời khỏi vị trí ờng trực của nó Sự sắp xếp lại quỹ đạo của electron có thể kèm theo quá trìnhgiải phóng năng lợng dới dạng phôtôn tia X đặc trng với năng lợng bằng hiệunăng lợng của trạng thái đầu và trạng thái cuối

th-Trạng thái kích thích của nguyên tử có thể do phân rã hạt nhân hoặc do kíchthích bằng nguồn bức xạ từ bên ngoài gây ra

1.2.2.2 Tơng tác của tia gamma với vật chất.

Các tia gamma vμ tia X dịch chuyển một khoảng cách dμi giữa các tơng tác

vμ năng lợng của chúng không thể bị hấp thụ hoμn toμn mμ chỉ bị giảm cờng

độ

Tơng tác của bức xạ γ, X với vật chất chủ yếu xảy ra ba quá trình:

- Hấp thụ quang điện

- Tán xạ compton

- Tạo cặp

a Hấp thụ quang điện

Hình 1 Hiện tợng hấp thụ quang điện

Trong hấp thụ quang điện, một photon năng lợng tơng đối thấp (nhỏ hơn 1MeV) khi tơng tác với nguyên tử của vật chất truyền toμn bộ năng lợng của nócho một điện tử liên kết ở lớp vỏ trong, lμm cho điện tử nμy bứt ra khỏi nguyên

tử hấp thụ (xem hình 1)

Phôtôn bị biến mất Năng lợng của phôtôn Eγ đợc dùng để bứt điện tử rakhỏi quĩ đạo và cung cấp cho nó một động năng T

T = Eγ - E1

E1 là thế năng ion hóa của quĩ đạo điện tử thứ I

Nếu Eγ< EK thì hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với lớp quĩ đạo L, M, màkhông xảy ra với lớp K Tơng tự nh vậy nếu Eγ< EL thì hiệu ứng chỉ xảy ra ởlớp M, N mà không xảy ra với các điện tử ở lớp quĩ đạo L và K

Đặc điểm cơ bản của hấp thụ quang điện là: tiết diện hấp thụ (σ) phụ thuộcvào năng lợng của phôtôn tới (Eγ) và số nguyên tử Z của chất hấp thụ

Hình 2 Sự phụ thuộc của tiết diện hấp thụ quang điện

vào năng lợng phôtôn tới.

Các điện tử bị bứt ra để lại các chỗ trống trên các quỹ đạo của chúng Các

điện tử từ các quỹ đạo vòng ngoài sẽ nhảy đến chiếm chỗ trống đó và giải

qd

0 EM EL EK Eγ

phóng ra một năng lợng dới dạng bức xạ X đặc trng hoặc truyền cho một điện

tử vòng ngoài và làm chúng bứt ra khỏi nguyên tử (các điện tử đợc bứt ra nh vậy

đợc gọi là các điện tử Auger)

Hình 3 Quá trình tạo điện tử Auger

Hấp thụ quang điện chỉ xảy ra với các điện tử ở trạng thái liên kết Hiệu ứngxảy ra càng mạnh khi liên kết của điện tử càng bền vững Hiệu ứng hầu nhkhông xảy ra với điện tử có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng lợng liên kết E e lk

<< E γ Điều này do định luật bảo toàn năng lợng và xung lợng của các hạt thamgia phản ứng không cho phép Nói chung hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra với lớp

điện tử trong cùng

Lu ý rằng hiệu ứng quang điện hầu nh chỉ xảy ra trong các chất có sốnguyên tử Z cao, vì vậy một chất nh chì (Z = 82) đợc sử dụng lμ chất che chắntốt đối với các photon năng lợng thấp Hiệu ứng quang điện đóng vai trò quantrọng đối với các nguyên tố nặng và không quan trọng lắm với các chất có số Zthấp

b.Tán xạ Compton

Tán xạ Compton là tán xạ đàn hồi của phôtôn với điện tử tự do và các điện

tử lớp ngoài của nguyên tử có liên kết yếu với hạt nhân Phôtôn tới với năng

l-ợng E và bớc sóng λ truyền một phần năng lợng cho điện tử, điện tử nμy đợcgiải phóng khỏi nguyên tử (sự ion hoá sơ cấp) vμ sẽ tiếp tục dịch chuyển quachất hấp thụ gây ra sự ion hoá thứ cấp vμ sự kích thích Còn phôtôn sẽ bị tán xạ

đi một góc θ và giảm năng lợng, chuyển động với bớc sóng λ/ nhỏ hơn bớc sóngban đầu λ

Giá trị E/ đợc xác định nh sau:

e

e E E

EE E

+

−

=

) cos 1 (

Trong tán xạ Compton phôtôn tơng tác với từng điện tử riêng lẻ nên tiết diệntán xạ trên một điện tử ký hiệu là σCe.

E ≅ 2m0c2 = 1,022 MeV

Nếu năng lợng của phôtôn tới bằng 1,022 MeV thì cặp điện tử và pozitron sẽtái hợp ngay sau khi đợc sinh ra Nếu năng lợng của phôtôn tới lớn hơn 1,022MeV thì cặp điện tử và pozitron này sẽ đợc cung cấp một động năng và gây rahạt nhân của nguyên tử lμm bia bị giật lùi

Tiết diện của quá trình tạo cặp là một hàm của số nguyên tử Z

Phôtôn tới γ, E e

e+

σp ~ Z2

Sau đó điện tử vμ pozitron mất động năng do sự ion hoá thứ cấp Mộtpozitron không thể tồn tại khi không có động năng vì vậy khi bị mất toμn bộnăng lợng thì nó sẽ kết hợp với một điện tử tự do khác có trong vật chất trênquãng đờng đi của mình bởi quá trình huỷ cặp

Trong quá trình nμy, hai hạt cùng bị phá huỷ vμ biến đổi thμnh hai photon,với mỗi mức năng lợng lμ 0,511 MeV Các photon nμy đợc phát ra theo các h-ớng đối nhau

Hình 6 Quá trình tạo cặp vμ huỷ cặp trong điện trờng

xungquanh nhân của một nguyên tử chì

Điện tử ở lớpngoài Hạt nhân

Năng lợng của

phôton

Thấp(nhỏ hơn 1 MeV)

Trung gian(0,2 đến 5 MeV)

Cao( > 1,022 MeV)

Z của chất

Kết quả

Điện tử ở lớp vỏtrong (quangelectron) bịbứt từ nguyên tửTạo các tia-X đặc

trng

Điện tử ở lớp vỏngoμi bứt ra từ mộtnguyên tử

Photon bị tán xạ

đồng thời với sựgiảm năng lợng

Tạo cặp pozitron.Pozitron bị huỷ cặptạo th nh haiμphoton có năng l-

electron-ợng0,511 MeV

Xác suất của mỗi tơng tác phụ thuộc vào năng lợng của photon tới v sốμnguyên tử Z của chất hấp thụ đợc biểu diễn trên Hình 7

Hình 7 Mối liên hệ giữa ba loại tơng tác phôton chủ yếu

1.2.3 Bức xạ anpha

có thể đợc coi l hạt nhân He có số khối nguyên tử l 4u v điện tích l μ μ μ μ +2e.Hạt anpha đợc biểu diễn bằng kí hiệu α

1.2.3.1.Các nguồn bức xạ anpha.

Phân rã anpha:

Các hạt nhân nặng có thể không bền vững về mặt năng lợng đối với phân rãanpha Quá trình phân rã nh sau:

X A

Z

4 2

−

2

Năng lợng của hạt anpha phát ra là đơn năng Năng lợng Q của phản ứng

đ-ợc coi là hiệu năng lợng giữa các trạng thái cơ bản của hạt nhân đầu và cuối.Năng lợng này đợc chia cho hạt nhân anpha và hạt nhân giật lùi Vì vậy hạtanpha xuất hiện với động năng Eα đợc xác định nh sau:

Eα = Q−4A Q =Q(A A−4)

Điều này có nghĩa rằng các hạt α xuất hiện với động năng hầu nh bằngnhau Tuy nhiên trong thực tế trạng thái của hạt nhân con có thể là trạng tháikích thích, do đó năng lợng của hạt α có thể nhỏ hơn năng lợng nói trên

Các nguồn α điển hình là: 232Th, 235U, 238U và một số đồng vị khác

Phân hạch tự phát:

Tất cả các hạt nhân nặng thờng không bền vững, chúng phân hạch tự phátthành hai mảnh với khối lợng nhỏ hơn khối lợng của hạt nhân ban đầu và cónăng lợng phản ứng khá lớn

Nguồn phân hạch điển hình là 252Cf; 1àg của nó có suất lợng 6,14 x 105

phân hạch/ s và T1/2 = 85 năm Nó đồng thời phân rã anpha với suất lợng 1,92 x

107 hạt α/s Do đó chu kì bán rã thực của nó là 2,65 năm

1.2.3.2 Tơng tác anpha

Khi các hạt anpha dịch chuyển qua vật chất chúng bị mất năng lợng do quá trình tơng tác điện từ và các va chạm không đàn hồi với tiết diện tán xạkhoảng σ = 10-17 – 10-16 cm2 Năng lợng đợc truyền từ các hạt tích điện chonguyên tử gây nên sự kích thích (các điện tử quĩ đạo đợc đẩy lên các lớp vỏ cómức năng lợng cao hơn) hoặc sự ion hoá (bứt điện tử ra khỏi nguyên tử, tạothành các cặp iôn) Trong một số va chạm, năng lợng truyền cho điện tử không

những đủ để ion hoá nguyên tử mà chính điện tử đó còn gây nên ion hoá thứcấp

Các hạt anpha có độ đâm xuyên yếu nhất so với các loại bức xạ Một hạtanpha có thể truyền một lợng lớn năng lợng cho chất hấp thụ trên một khoảngcách ngắn vμ tạo ra một số lợng lớn các cặp ion Ví dụ, một hạt anpha có nănglợng 3,5 MeV sẽ dịch chuyển xấp xỉ 20 mm vμ tạo ra một trăm nghìn cặp iontrong không khí hoặc dịch chuyển một khoảng xấp xỉ 0,03 mm trong mô

Năng lợng mất mát trên một đơn vị quãng đờng dE/dx tỷ lệ với Z2, mật độ

điện tử no và tỷ lệ nghịch với bình phơng vận tốc của hạt ν

2 0 2

v

n Z dx

1.2.4.1 Các nguồn tia bêta

Phân rã bêta:

Nguồn bêta thông dụng nhất là các đồng vị phân rã bêta

Phân rã bêta là quá trình biến đổi tự phát của hạt nhân nguyên tử phát raelectron và phản nơtrino hoặc pozitron và nơtrino

- Bắt electron: hạt nhân bắt electron của lớp vỏ điện tử, thờng là ở lớp K (gọi làbắt K) đồng thời phát ra nơtrino.

Đa số các hạt nhân phân rã bêta thờng nằm ở trạng thái kích thích, nên phânrã bêta thờng kèm theo phát xạ gamma sau đó

Tuy nhiên, cũng có một số hạt nhân phân rã bêta ở trạng thái cơ bản, nghĩa

là sản phẩm phân rã thuần túy là bêta, gọi là hạt nhân phát bêta thuần túy, ví

dụ : 3H, 14C, 32P, 33P, 35S, 90Sy, 90Y …

Electron biến hoán nội:

Sau quá trình phân rã α, β hoặc bắt electron (EC), hạt nhân thờng ở trạngthái kích thích, khi trở về trạng thái cơ bản hạt nhân có thể phát xạ trực tiếpphôtôn gamma Tuy nhiên trong một số trờng hợp, sự phát xạ này bị cấm, khi

đó năng lợng kích thích của hạt nhân Eex đợc truyền trực tiếp cho một electronquỹ đạo nào đó và làm cho nó bắn ra khỏi quỹ đạo Quá trình này khác với phânrã bêta là điện tích của hạt nhân không thay đổi và đợc gọi là quá trình biếnhoán nội Năng lợng của electron khi đó đợc xác định bằng công thức:

E = Eex – Eb

Trong đó Eb là năng lợng liên kết của electron trong lớp vỏ nguyên tử

Các nguồn electron biến hoán nội thờng dùng là: 109Cd, 113Sn, 137Cs, 207Bi…

Electron Auger:

Electron Auger (EA) cũng gần tơng tự nh electron biến hoán nội, có

điều chúng bắt nguồn từ các kích thích của nguyên tử chứ không phải từ hạtnhân Chẳng hạn khi diễn ra một quá trình chiếm đoạt electron (thờng ở lớp K)bởi hạt nhân, điện tích của hạt nhân giảm đi một đơn vị, đồng thời tạo ra một lỗtrống trên lớp K Vị trí này sau đó đợc một electron ở lớp ngoài chiếm cứ, kèmtheo sự phát xạ phôtôn tia X đặc trng Năng lợng của tia X này có thể bị hấp thụbởi một electron ngoài cùng và làm cho nó bật ra khỏi nguyên tử Electron đó

đợc gọi là electron Auger Phát xạ EA thờng xảy ra ở các nguyên tử có Z lớn, lànơi electron có năng lợng liên kết yếu

1.2.4.2 Tơng tác bêta

Giống nh các hạt tích điện nặng, các electron và pozitron khi đi qua vật chất

bị mất mát năng lợng do các quá trình sau đây:

- Va chạm không đàn hồi: gây nên sự ion hoá trực tiếp bằng cách đẩy các

điện tử quĩ đạo ra khỏi nguyên tử vật chất Các hạt bêta ít gây ra sự ion hoá hơn

so với các hạt anpha dọc quãng đờng đi của nó vμ do vậy nó sẽ dịch chuyểnquãng đờng xa hơn so với một hạt alpha có cùng năng lợng

- Huỷ cặp: Pozitron khi mát hết động năng sẽ huỷ cặp với electron trong môitrờng vật chất tạo ra hai hoặc ba phôton gamma

- Sự tạo ra bức xạ hãm: đối với các hạt bêta có năng lợng cao hơn chúng cóthể dịch chuyển sát tới hạt nhân tích điện dơng của chất hấp thụ các nguyên tử.Các hạt n y sẽ phải chịu một lực hútμ tĩnh điện của các nucleon l m lệch phμ ơngchuyển động của chúng, và năng lợng bị phát xạ ra dới dạng tia X (bức xạhãm)

Khi năng lợng tăng thì xác suất xảy ra bức xạ hãm tăng lên, bắt đầu ở nănglợng cỡ chục MeV sự mất năng lợng bởi bức xạ có thể so sánh bằng hay lớn hơnmất mát năng lợng do ion hoá va chạm Tại các năng lợng trên năng lợng tớihạn, bức xạ hãm hoàn toàn trội hơn

1.2.5 Nơtron

Nơtron là hạt cơ bản không mang điện, cùng với proton tạo nên hạt nhân

nguyên tử Có spin 1/2 và khối lợng lớn hơn khối lợng của proton một chút

cả hoạt độ anpha) 1 microgam 252Cf cho 2,3x10 n/s Phổ nơtron của 252Cf có giátrị cực đại ở khoảng 0,5 - 1 Mev và trải dài tới 10 MeV.

Nguồn nơtron dựa trên phản ứng (α,n):

Các nguồn nơtron đồng vị (α,n) thờng dựa trên phản ứng:

Phản ứng này có giá trị năng lợng Q = 5,71 MeV

Phổ nơtron của loại nguồn (α,n) có dạng tơng đối phức tạp Ngoài 9Be, ngời tacòn sử dụng các đồng vị khác nh 10B, 11B, 19F, 13C, 7Li để phát nơtron trong phảnứng (α,n) Tuy nhiên, hiệu suất phát nơtron của các nguồn đồng vị này thờngthấp hơn so với phản ứng 9Be(α,n)

Nguồn quang nơtron:

Các nguồn quang nơtron (γ,n) thờng sử dụng dựa trên các phản ứng:

107 d với suất lợng 229.000 n/s cho hoạt độ gamma tơng tự

Nguồn của máy gia tốc:

Trừ hạt anpha, các hạt mang điện nh p, n muốn có năng lợng đủ lớn đểgây phản ứng thờng phải gia tốc Hai loại phản ứng thờng đợc sử dụng là:

là 14 MeV Dòng 1mA đơtron cho ta khoảng 109 n/s từ bia đơtri và 1011 n/s từbia triti Máy gia tốc thuộc loại CoCroft Walton hay còn gọi là máy phát nơtron

Điện áp gia tốc tơng đối thấp, cỡ ≤ 400 kV Để phát nơtron có thể sử dụng cácphản ứng 9Be(d,n), 7Li(p,n) và 3H(p,n) trong các máy gia tốc Cyclotron hoặcVan de Graff với điện áp cao hơn.

1.2.5.2 Tơng tác của nơtron với vật chất.

Tuy không phải là hạt mang điện, nhng nơtron vẫn tơng tác với electronthông qua tơng tác của mômen từ của chúng Sự mất mát năng lợng của quátrình này không đáng kể Quá trình mất năng lợng chủ yếu khi nơtron tơng tácvới hạt nhân phụ thuộc vào nơtron có va chạm trực tiếp với hạt nhân hay không.Ngời ta chia tơng tác của hạt nhân thành một số loại:

- Tán xạ đàn hồi: Trong quá trình này nơtron không trực tiếp va chạm vớihạt nhân Nó bị mất năng lợng và lệch hớng do lực hạt nhân Về phần mình, hạtnhân nhận một động năng nào đó Tán xạ đàn hồi có thể xảy ra trong quá trìnhlàm chậm nơtron Độ mất năng lợng lôgarit trung bình cho một va chạm đợc

Trong đó: T1, T2tơng ứng là động năng của nơtron trớc và sau va chạm

Hoặc: ζ = 1+ ln 11

2

) 1

A

Trong đó: A là số khối của hạt nhân bị va chạm

- Tán xạ không đàn hồi: Trong quá trình này nơtron bị mất năng lợng vàthay đổi hớng chuyển động, hạt nhân ở trạng thái kích thích

- Quá trình bắt nơtron: Đó là quá trình dẫn tới các phản ứng hạt nhân donơtron va chạm trực tiếp với hạt nhân gây ra nh trong các phản ứng sau:

Bøc x¹ Khèi lîng

AU §iÖn tÝch

Qu·ng ch¹ytrong kh«ng khÝ

Qu·ng ch¹y trong

m«

Anpha 4 +2 0,03m 0,04mmBªta 1/1840 ±1 3m 5mm

Tia X, γ 0 0 RÊt lín Xuyªn qua c¬ thÓn- nhanh 1 0 RÊt lín Xuyªn qua c¬ thÓn- nhiÖt 1 0 RÊt lín 0,15m

B¶ng 3: T¬ng t¸c cña bøc x¹ víi vËt chÊt

Hñy cÆp

KÝch thÝch vµ i«n hãa.Ph¸t ra bøc x¹ h·m

§æi híng, mÊt n¨ng lîngH¹t nh©n bÞ kÝch thÝch