Chương 1: TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT 1.1 Nguồn gốc bức xạ: Các bức xạ thứ cấp xem xét ở đây có nguồn gốc từ nguyên tử hoặc các quá trình hạt nhân. Chúng được phân thành bốn loại chung: + Các electron nhanh + Các hạt nặng tích điện + Bức xạ điện từ + Nơtron Electron nhanh bao gồm các hạt beta (dương và âm) phát ra từ phân rã hạt nhân cũng như từ các electron kích thích được sản sinh từ bất kì quá trình nào khác. Hạt nặng tích điện là loại hạt bao quanh tất cả các ion kích thích với khối lượng bằng một đơn vị khối lượng nguyên tử hoặc lớn hơn như hạt anpha, proton, sản phẩm phân hạch hoặc các sản phẩm của các phản ứng hạt nhân. Bức xạ điện từ quan trọng bao gồm tia X được phát ra bởi các electron bên ngoài hạt nhân nguyên tử và tia gamma phát ra từ hạt nhân.
Notron sinh ra trong nhiều quá trình hạt nhân thường được chia làm các loại là notron nhanh và notron chậm. Năng lượng notron được phân chia từ 10eV đến 20 MeV (notron chậm không nằm trong ngưỡng này nhưng được xếp vào vì tầm quan trọng kĩ thuật của nó). Vùng năng lượng thấp hơn được thiết lập bởi năng lượng tối thiểu cần thiết để thực hiện ion hóa trong các vật liệu điển hình bằng bức xạ hoặc các sản phẩm thứ cấp khi chúng tự tương tác. Những bức xạ với năng lượng lớn hơn loại này được xếp vào bức xạ ion hóa.
Các bức xạ khác nhau ở “độ cứng” hay khả năng đâm xuyên qua vật liệu dày. Bức xạ mềm như hạt anpha hoặc tia X năng lượng thấp, độ đâm xuyên qua vật liệu rất bé. Các hạt anpha có khả năng đâm xuyên lớn hơn, độ đâm xuyên có thể lên đến hàng 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chục mm. Các bức xạ “cứng” hơn, như tia gamma hoặc notron, bị ảnh hưởng bởi chất hấp thụ ít hơn, khả năng đâm xuyên mạnh hơn.1 Các nguồn electron nhanh: 1.1 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 ba loại phân rã beta là phân rã , phân rã và chiếm electron quỹ đạo. *Phân rã : Hạt beta gồm hai loại là hạt , còn gọi là electron với khối lượng me = 9,1091.10-31kg, điện tích bằng –e = -1,6.10-19 C và hạt là hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt electron song có điện tích +1e, gọi là positron (e+). Trong thực tế khi nói “hạt beta” người ta thường hiểu là , còn positron là . Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa notron.
Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu chuyển thành hạt nhân và phát ra hạt electron ( ) cùng phản hạt notrino. → + + ̅ Quá trình trên là kết quả của phân rã notron thừa trong hạt nhân để biến thành proton theo sơ đồ sau: + + ̅ ̅ : phản notrino – là hạt trung hòa về điện tích và khối lượng được coi gần bằng 0. Bởi vì notrino và phản notrino có xác suất tương tác với vật chất bé nên chúng không được phát hiện trong tất cả các kết quả đo đạc từ thực nghiệm. Hạt nhân giật lùi Y xuất hiện với năng lượng giật lùi bé dưới ngưỡng ion hóa thông thường nên các thiết bị không nhận ra sự có mặt của notrino.
11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Một số ví dụ về phân rã : + + ̅ " ! + + ̅ % % $ # &! + + ̅ K42 β 2,04 MeV - 3,55 MeV β- 18% Hình 1.1: Sơ đồ mô tả sự phân rã 82% beta của +, +, )*( thành ,/-. γ 1,53 MeV Ca22 Trên hình 1.1, hạt nhân ở trạng thái kích thích phát ra hai hạt beta để biến thành hạt nhân ở trạng thái kích thích với năng lượng 1,53 MeV và trạng thái cơ bản có năng lượng 0. Hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra tia gamma với năng lượng bằng 1,53 MeV. *Phân rã : Hạt positron là hạt có khối lượng bằng khối lượng hạt electron song có điện tích +1e.
Phân rã positron xảy ra khi hạt nhân có tỉ số N/Z quá thấp và phân rã anpha không xảy ra do không thỏa mãn điều kiện về năng lượng. Khi phân rã positron, hạt nhân ban đầu chuyển thành hạt nhân , phát ra hạt positron và hạt notrino ' + + Quá trình trên là kết quả của phân rã proton thừa trong hạt nhân để biến thành notron theo sơ đồ sau: 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ' + + Ví dụ về phân rã : ' $ $ % 0 + + ' 1 + + 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 0,511 MeV.2 Biến hoán nội: Hạt nhân ở trạng thái kích thích có thể chuyển về trạng thái cơ bản không chỉ bằng cách phóng ra lượng tử gamma mà còn bằng cách truyền năng lượng cho một electron của vỏ nguyên tử. Nếu năng lượng truyền này lớn hơn năng lượng liên kết 23 của electron trong nguyên tử thì electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử.
Quá trình này được gọi là biến hoán nội. Như vậy quá trình biến hoán nội là quá trình tương tác trực tiếp của hạt nhân với electron trong vỏ nguyên tử, chủ yếu là các lớp vỏ K và L. Electron biến hoán nội có năng lượng Ee đơn sắc và được tính bởi công thức: 24 = 246 − 23 Tính đơn năng của electron biến hoán nội cho phép phân biệt nó với electron của phân rã beta có phổ liên tục. Cơ chế của quá trình biến hoán nội là hạt nhân phóng ra tia gamma và tia này được electron của vỏ nguyên tử hấp thụ.
Cường độ quá trình biến hoán nội được xác định bằng tỉ số giữa số electron biến hoán nội Ne so với số photon Nγ phát ra: 4 8= 9 Do quá trình biến hoán nội xảy ra từ các lớp vỏ K, L, M, nên hệ số bằng: 8 = 8: + 8; + 8< + ⋯ 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hệ số 8 trong khoảng 10 < 8 < 10. Nó tăng khi tăng tốc độ đa cực của dịch chuyển và giảm khi tăng năng lượng dịch chuyển. Khi tăng năng lượng kích thích vượt quá 2mc = 1,02 MeV thì quá trình biến hoán nội cho ra hạt electron và hạt positron, gọi là quá trình biến hoán cặp.1: Một vài nguồn electron biến hoán nội phổ biến Hạt nhân Chu kì Loại Sản Năng lượng chuyển Năng lượng mẹ bán rã phân phẩm tiếp của sản phẩm electron biến rã phân rã phân rã (keV) hóa nội (keV) 109 453 109m 62 Cd EC Ag 88 ngày 84 113 115 113m 365 Sn EC In 393 ngày 368 137 30,2 137m 624 Cs Ba 662 năm 656 139 137 139m 126 Ce EC La 166 ngày 159 570 482 207 207m 554 Bi 38 năm EC Pb 1064 976 1048 1.3 Electron Auger: Sau quá trình biến hoán nội xuất hiện một lổ trống trên lớp K hay lớp L do electron bị bắn ra và một electron ở lớp vỏ cao hơn chuyển về chiếm vị trí lổ trống này, phát ra tia X đặc trưng. Đến lượt mình, tia X đặc trưng này lại bị hấp thụ, gây ra hiệu ứng 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quang điện nội mới, làm bắn electron liên kết khác ra ngoài nguyên tử.
Electron phát ra này gọi là electron Auger.2 Nguồn các hạt nặng tích điện: 1.1 Phân rã anpha: Hạt anpha là hạt nhân A1 , có điện tích bằng +2e và khối lượng gần bằng 4 lần khối lượng nuclon. Phân rã anpha xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỉ số N/Z quá thấp. Sơ đồ phân rã anpha tổng quát: B + A1 Về quan hệ khối lượng, phân rã anpha thỏa mãn điều kiện sau: CD = CE + FB + 2F4 + H Trong đó Mm, Mc, mα và me lần lượt là khối lượng các nguyên tử mẹ, nguyên tử con, hạt nhân anpha và hạt electron. 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 anpha.
Hạt electron quỹ đạo bị mất đi khi hạt nhân mẹ phân rã ra hạt nhân con có số nguyên tử thấp hơn. Ví dụ về phân rã anpha: B %" % I Jℎ + A1 B ""L " L + A1 B "# "#M + A1 Hạt anpha phát ra với năng lượng cố định và với suất ra cố định. Hình 2 trình bày B quá trình phân rã ""L " L + A1 , gồm hai nhánh phát anpha: nhánh thứ nhất với hạt anpha năng lượng 4,591 MeV, suất ra 5,7% và nhánh thứ hai với hạt anpha năng lượng 4,777 MeV, suất ra 94,3%. Hạt nhân Rn222 sau phân rã theo nhánh thứ nhất nằm ở trạng thái kích thích và tiếp tục phân rã gamma để chuyển về trạng thái cơ bản.
Hạt nhân Rn222 sau phân rã theo nhánh thứ hai nằm ở trạng thái cơ bản. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4,591 MeV Ra226 Hình 1.7% α B α 4,777 MeV ""L " L + A1 94,3% γ 0,186 MeV (35% ε-) Rn222 Hiện nay có hơn 200 hạt nhân phân rã anpha. Phân rã này chủ yếu xảy ra với hạt nhân nặng ở cuối bảng tuần hoàn Mendeleev 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 anpha nào, chì (Z=82) có hai đồng vị phát anpha, bismuth (Z=83) có 9 đồng vị còn polonium (Z=84) có không ít hơn 21 đồng vị phát anpha.
Ngoài ra có một nhóm nhỏ các hạt nhân trong vùng đất hiếm cũng phân rã anpha với A = 140 đến 160, hạt nhân nhẹ nhất là $"1 chứa 84 notron.