Luận văn thạc sĩ: Đánh giá ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi và ứng dụng thực tiễn

Luận văn phân tích Đánh giá ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi trong luận văn thạc sĩ, vận dụng lý thuyết vững chắc, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Bùi Thị Hương
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Văn Loát
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lượng cao
• Đề tài: Đánh Giá Ưu Điểm Của Phương Pháp Chuẩn Nội Hiệu Suất Ghi Trong Luận Văn Thạc Sĩ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
• 1.1. Hiện tượng phân rã phóng xạ
• 1.2. Định nghĩa và đặc điểm của hiện tượng phân rã phóng xạ
• 1.3. Quy luật phân rã phóng xạ. Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tượng cân bằng phóng xạ
• 1.3.1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp
• 1.3.2. Hiện tượng cân bằng phóng xạ
• 1.4. Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên
• 1.4.1. Dãy phóng xạ Urani
• 1.4.2. Dãy phóng xạ Thori
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi
• 2.2. Phương pháp phổ gamma
• 2.3. Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra
• 2.3.1. Đầu dò bán dẫn BEGe, Model BE530
• 2.3.2. Khối tiền khuếch đại, model Canberra 2002C
• 2.3.3. Khối khuếch đại phổ, model Canberra 2026
• 2.3.4. Khối cao thế, model Canberra 3106D
• 2.3.5. Khối phân tích đa kênh
• 2.4. Phân tích phổ gamma
• 2.4.1. Mục đích phân tích phổ gamma
• 2.4.2. Phần mềm phân tích phổ gamma
• 2.4.3. Đường cong hiệu suất ghi của detector
• 2.4.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo
• 2.4.4.1. Hiệu ứng thời gian chết
• 2.4.4.2. Hiệu chỉnh chồng chập xung
• 2.4.4.3. Hiệu ứng cộng đỉnh
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 3.1. Xác định tỉ số hoạt độ của 208Tl / 228Ac trong nguồn TS5
• 3.1.1. Nguồn không bọc chì đặt song song với bề mặt detector
• 3.1.2. Nguồn bọc chì 1,5mm
• 3.2. Xác định tỉ số hoạt độ của một số đồng vị trong dãy 238U
• 3.3. Đánh giá tính cân bằng phóng xạ trong dãy 238U. Xác định tỉ số hoạt độ 235U và 238U
• 3.4. Đánh giá sai số
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi

Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là một kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, đặc biệt trong việc xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ. Phương pháp này cho phép xác định tỷ số hoạt độ mà không cần mẫu chuẩn, điều này mang lại nhiều lợi ích trong các nghiên cứu thực nghiệm. Theo nghiên cứu, phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều hình học đo khác nhau, giúp tăng tính linh hoạt và độ chính xác trong các phép đo. Việc không cần mẫu chuẩn giúp giảm thiểu sai số do sự khác biệt trong cấu trúc mẫu và điều kiện đo. Điều này đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu liên quan đến nghiên cứu thạc sĩ, nơi mà độ chính xác và tính khả thi của phương pháp là rất cần thiết.

1.1. Đặc điểm của phương pháp

Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi có những đặc điểm nổi bật. Đầu tiên, nó cho phép xác định tỷ số hoạt độ của hai đồng vị phóng xạ mà không cần mẫu chuẩn. Thứ hai, phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều hình học đo khác nhau, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong thực tiễn. Theo nghiên cứu, việc sử dụng phương pháp này giúp giảm thiểu sai số do các yếu tố bên ngoài như sự hấp thụ và phân tán bức xạ gamma. Hơn nữa, phương pháp này còn cho phép đánh giá trạng thái cân bằng phóng xạ trong các chuỗi phóng xạ, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu về vật lý hạt nhân.

II. Đánh giá hiệu suất ghi

Đánh giá hiệu suất ghi là một phần quan trọng trong việc áp dụng phương pháp chuẩn nội. Hiệu suất ghi được xác định thông qua đường cong hiệu suất ghi, được xây dựng từ các phép đo thực nghiệm. Việc xác định chính xác hiệu suất ghi giúp nâng cao độ chính xác của các phép đo hoạt độ. Theo nghiên cứu, hiệu suất ghi có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thời gian chết của detector, hiệu chỉnh chồng chập xung và hiệu ứng cộng đỉnh. Do đó, việc thực hiện các hiệu chỉnh này là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo. Hơn nữa, việc phân tích hiệu suất ghi còn giúp đánh giá khả năng hoạt động của các thiết bị đo, từ đó cải thiện quy trình thực nghiệm.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghi trong các phép đo phóng xạ. Thời gian chết của detector là một trong những yếu tố quan trọng, vì nó có thể làm giảm số lượng sự kiện được ghi nhận. Hiệu chỉnh chồng chập xung cũng cần được thực hiện để đảm bảo rằng các tín hiệu không bị nhầm lẫn, dẫn đến sai số trong kết quả. Ngoài ra, hiệu ứng cộng đỉnh có thể làm thay đổi hình dạng của đỉnh trong phổ gamma, ảnh hưởng đến việc xác định năng lượng và cường độ bức xạ. Do đó, việc hiểu rõ và kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi.

III. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp

Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực vật lý hạt nhân. Một trong những ứng dụng quan trọng là trong việc xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong các mẫu khác nhau. Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các phép đo mà không cần mẫu chuẩn, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí. Hơn nữa, phương pháp này còn được sử dụng để đánh giá trạng thái cân bằng phóng xạ trong các chuỗi phóng xạ, giúp cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu về nguồn gốc và sự phân rã của các đồng vị phóng xạ. Theo nghiên cứu, việc áp dụng phương pháp này trong các luận văn thạc sĩ đã cho thấy tính khả thi và hiệu quả cao trong việc xác định hoạt độ của các đồng vị phóng xạ.

3.1. Tính khả thi và hiệu quả

Tính khả thi và hiệu quả của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm. Việc không cần mẫu chuẩn giúp giảm thiểu sai số và tăng tính linh hoạt trong các phép đo. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều loại mẫu khác nhau, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong thực tiễn. Hơn nữa, việc sử dụng phương pháp này trong các luận văn thạc sĩ đã cho thấy kết quả đáng tin cậy và chính xác, từ đó khẳng định giá trị của phương pháp trong nghiên cứu khoa học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phân tích và xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong nhiên liệu hạt nhân là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và năng lượng cao. Theo ước tính, việc xác định chính xác tỷ số hoạt độ giúp đánh giá độ giàu và tuổi của nhiên liệu hạt nhân, từ đó phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp hạt nhân và nghiên cứu khoa học. Luận văn tập trung vào việc đánh giá bằng thực nghiệm ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi trong xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ, đặc biệt trong các dãy phóng xạ 238U, 235U và 232Th. Nghiên cứu được thực hiện tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2015, sử dụng hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe của hãng Canberra.

Mục tiêu chính của luận văn là kiểm tra tính chính xác và ưu việt của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi trong việc xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ mà không cần mẫu chuẩn và không phụ thuộc vào hình học mẫu đo. Phạm vi nghiên cứu bao gồm xác định tỷ số hoạt độ của các đồng vị trong nguồn TS5, đánh giá trạng thái cân bằng phóng xạ trong dãy 238U, và xác định tỷ số hoạt độ của 235U và 238U. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác phân tích phổ gamma, góp phần phát triển kỹ thuật đo lường trong vật lý hạt nhân và ứng dụng năng lượng hạt nhân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về phân rã phóng xạ và cân bằng phóng xạ trong các dãy đồng vị tự nhiên. Quy luật phân rã phóng xạ được mô tả bằng phương trình hàm mũ, trong đó hằng số phân rã đặc trưng cho mỗi đồng vị không đổi theo thời gian. Hiện tượng cân bằng phóng xạ xảy ra khi hoạt độ của các đồng vị trong chuỗi phân rã liên tiếp bằng nhau, giúp đơn giản hóa việc xác định hoạt độ của các đồng vị khó đo trực tiếp.

Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là trọng tâm của nghiên cứu, cho phép xác định tỷ số hoạt độ của hai đồng vị dựa trên tỷ số tốc độ đếm tại các đỉnh gamma đặc trưng, không cần mẫu chuẩn và không phụ thuộc vào hình học mẫu đo. Hàm chuẩn nội hiệu suất ghi được xây dựng dựa trên các tia gamma phát ra từ một trong hai đồng vị, biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào năng lượng gamma.

Các khái niệm chính bao gồm: hoạt độ phóng xạ (Becquerel), hiệu suất ghi của detector, hệ số phân nhánh gamma, và các hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác như hiệu ứng thời gian chết, hiệu chỉnh chồng chập xung và hiệu ứng cộng đỉnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các phổ gamma thu được từ mẫu TS5 và mẫu urani US2, được đo bằng hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe model BE5030 của hãng Canberra. Cỡ mẫu gồm các đồng vị phóng xạ trong dãy 238U, 235U và 232Th. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các nguồn phóng xạ tự nhiên và mẫu chuẩn có hoạt độ đã biết.

Phân tích phổ gamma được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng như GammaVision 6.01, FitzPeaks Gamma Analysis, và MAESTRO 2.2 để xác định diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần, năng lượng và độ phân giải của các đỉnh gamma. Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi được xây dựng bằng cách nội suy và khớp hàm đa thức bậc hai dựa trên các đỉnh gamma đặc trưng của đồng vị tham chiếu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2015, bao gồm các bước chuẩn bị mẫu, đo phổ gamma với hai cấu hình đo (nguồn không bọc chì và nguồn bọc chì 1,5 mm), xử lý số liệu và phân tích kết quả. Các hiệu chỉnh nâng cao như hiệu ứng thời gian chết, chồng chập xung và cộng đỉnh được áp dụng để nâng cao độ chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác định tỷ số hoạt độ 208Tl/228Ac trong nguồn TS5:

   • Với cấu hình đo nguồn không bọc chì, tỷ số hoạt độ 208Tl/228Ac đạt khoảng 1,16 ± 0,01.
   • Với cấu hình đo nguồn bọc chì 1,5 mm, tỷ số này là khoảng 1,15 ± 0,01.
   • Sự khác biệt giữa hai cấu hình đo rất nhỏ, chứng tỏ phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi không phụ thuộc vào hình học mẫu đo.

2. Đánh giá cân bằng phóng xạ trong dãy 238U:

   • Tỷ số hoạt độ A(238U)/A(214Bi) và A(214Pb)/A(214Bi) được xác định dựa trên các đỉnh gamma đặc trưng với sai số dưới 5%.
   • Kết quả cho thấy các đồng vị trong dãy 238U cân bằng phóng xạ với nhau, phù hợp với lý thuyết cân bằng phóng xạ.

3. Xác định tỷ số hoạt độ 235U/238U:

   • Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi cho tỷ số hoạt độ là 0,046 ± 0,002.
   • Tỷ số hoạt độ tính toán theo lý thuyết là 0,045, rất gần với kết quả thực nghiệm.
   • Điều này khẳng định độ chính xác và tin cậy của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi trong xác định tỷ số hoạt độ.

4. Độ chính xác và sai số:

   • Sai số toàn phần của kết quả nằm trong phạm vi cho phép, bao gồm sai số thống kê số đếm, sai số nội suy hàm hiệu suất ghi, và sai số do các hiệu chỉnh.
   • Việc đo nhiều lần, tăng thời gian đo và sử dụng phần mềm phân tích phổ hiện đại giúp giảm thiểu sai số.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi có ưu điểm vượt trội khi không cần mẫu chuẩn và không phụ thuộc vào hình học mẫu đo, điều này giải quyết được khó khăn lớn trong phân tích phổ gamma với các mẫu có hình dạng phức tạp. So sánh tỷ số hoạt độ 208Tl/228Ac giữa hai cấu hình đo cho thấy sự ổn định và tin cậy của phương pháp.

Việc đánh giá cân bằng phóng xạ trong dãy 238U phù hợp với các nghiên cứu trước đây, khẳng định tính đúng đắn của phương pháp và các hiệu chỉnh áp dụng. Tỷ số hoạt độ 235U/238U thực nghiệm gần với giá trị lý thuyết chứng tỏ phương pháp có thể ứng dụng rộng rãi trong phân tích nhiên liệu hạt nhân và vật liệu phóng xạ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi, bảng so sánh tỷ số hoạt độ giữa các cấu hình đo, và biểu đồ phân bố sai số, giúp minh họa rõ ràng tính ưu việt và độ chính xác của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng rộng rãi phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi trong phân tích phổ gamma:

   • Động từ hành động: Triển khai
   • Target metric: Độ chính xác xác định tỷ số hoạt độ
   • Timeline: Trong vòng 1-2 năm
   • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân và năng lượng hạt nhân

2. Phát triển phần mềm phân tích phổ gamma tích hợp hiệu chỉnh nâng cao:

   • Động từ hành động: Phát triển
   • Target metric: Tăng cường khả năng xử lý đỉnh chập và hiệu chỉnh cộng đỉnh
   • Timeline: 1 năm
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu công nghệ phần mềm khoa học

3. Tăng cường đào tạo kỹ thuật viên và nhà nghiên cứu về phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi:

   • Động từ hành động: Tổ chức đào tạo
   • Target metric: Nâng cao năng lực phân tích và xử lý số liệu
   • Timeline: Hàng năm
   • Chủ thể thực hiện: Các trường đại học và viện nghiên cứu

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng phương pháp cho các loại mẫu phức tạp và trong điều kiện thực tế:

   • Động từ hành động: Thực hiện nghiên cứu
   • Target metric: Mở rộng phạm vi ứng dụng và độ tin cậy
   • Timeline: 2-3 năm
   • Chủ thể thực hiện: Các trung tâm nghiên cứu và công nghiệp hạt nhân

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân và năng lượng cao:

   • Lợi ích: Nắm bắt phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để nâng cao độ chính xác trong phân tích phổ gamma.
   • Use case: Phân tích mẫu nhiên liệu hạt nhân, đánh giá trạng thái cân bằng phóng xạ.

2. Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm hạt nhân:

   • Lợi ích: Áp dụng kỹ thuật đo phổ gamma hiện đại, hiểu rõ các hiệu chỉnh nâng cao để giảm sai số.
   • Use case: Thực hiện đo đạc và xử lý số liệu phổ gamma trong các dự án nghiên cứu và kiểm định.

3. Chuyên gia trong ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân:

   • Lợi ích: Đánh giá chính xác thành phần và hàm lượng đồng vị trong nhiên liệu hạt nhân, phục vụ quản lý và vận hành.
   • Use case: Kiểm soát chất lượng nhiên liệu, xác định tuổi và độ giàu của nhiên liệu.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật lý hạt nhân:

   • Lợi ích: Học tập phương pháp thực nghiệm và lý thuyết về phân rã phóng xạ và phân tích phổ gamma.
   • Use case: Tham khảo tài liệu nghiên cứu, phát triển đề tài luận văn và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là gì?
   Phương pháp này xác định tỷ số hoạt độ của hai đồng vị dựa trên tỷ số tốc độ đếm tại các đỉnh gamma đặc trưng, không cần mẫu chuẩn và không phụ thuộc vào hình học mẫu đo, giúp nâng cao độ chính xác trong phân tích phổ gamma.

2. Tại sao cần hiệu chỉnh hiệu ứng thời gian chết trong đo phổ gamma?
   Hiệu ứng thời gian chết gây mất số đếm khi detector không thể tiếp nhận xung mới, đặc biệt ở tốc độ đếm cao. Hiệu chỉnh giúp đảm bảo số liệu đo chính xác và giảm sai số thống kê.

3. Làm thế nào để đánh giá cân bằng phóng xạ trong dãy đồng vị?
   Bằng cách xác định tỷ số hoạt độ giữa các đồng vị liên tiếp trong dãy, nếu tỷ số này gần bằng 1 thì dãy được coi là cân bằng phóng xạ, giúp đơn giản hóa việc xác định hàm lượng đồng vị.

4. Phần mềm nào được sử dụng để phân tích phổ gamma trong nghiên cứu?
   Các phần mềm chính gồm GammaVision 6.01, FitzPeaks Gamma Analysis và MAESTRO 2.2, hỗ trợ nhận diện đồng vị, phân tích đỉnh phổ và hiệu chỉnh các hiệu ứng nâng cao.

5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các mẫu có hình dạng phức tạp không?
   Có, ưu điểm lớn của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là không phụ thuộc vào hình học mẫu đo, do đó phù hợp với các mẫu có hình dạng và kích thước đa dạng trong thực tế.

Kết luận

• Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi được đánh giá là hiệu quả và chính xác trong xác định tỷ số hoạt độ các đồng vị phóng xạ mà không cần mẫu chuẩn và không phụ thuộc hình học mẫu đo.
• Kết quả thực nghiệm xác định tỷ số hoạt độ 208Tl/228Ac, tỷ số hoạt độ trong dãy 238U và tỷ số hoạt độ 235U/238U phù hợp với lý thuyết và các nghiên cứu trước đây.
• Các hiệu chỉnh nâng cao như hiệu ứng thời gian chết, chồng chập xung và cộng đỉnh được áp dụng thành công, giúp giảm sai số và nâng cao độ tin cậy của kết quả.
• Phương pháp và kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phân tích nhiên liệu hạt nhân, kiểm soát chất lượng và nghiên cứu vật lý hạt nhân.
• Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi phương pháp, phát triển phần mềm hỗ trợ và đào tạo chuyên sâu để nâng cao năng lực phân tích phổ gamma trong các phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp hạt nhân.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và công nghiệp áp dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để nâng cao chất lượng phân tích và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tìm hiểu khái quát về phân rã phóng xạ, hiện tượng cân bằng phóng xạ và một số đặc điểm của các dãy phóng xạ trong tự nhiên. Trình bày các phương pháp thực nghiệm, phương pháp phổ gamma, phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi, các hệ đo và hần mềm xử lý. Một số phương pháp hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo.

Trình bày các kết quả thực nghiệm xác định tỷ số hoạt độ trong mẫu TS5. Xác định tỷ số hoạt độ của bằng thực nghiệm và tính toán lý thuyết. PHÂN RÃ PHÓNG XẠ 1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ 1.

Định nghĩa và đặc điểm của hiện tượng phân rã phóng xạ Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền tự biến đổi thành hạt nhân của nguyên tử khác kèm theo sự phóng ra các tia không nhìn thấy hoặc bắt electron biến hoán nội. Khi hạt nhân ở trạng thái kích thích cao sẽ giải phóng năng lượng bằng cách phát ra bức xạ gamma để trở về trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản được gọi là dịch chuyển gamma. Bình thường hạt nhân tồn tại ở trạng thái có năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản. Trạng thái kích thích của hạt nhân có thể được hình thành trong phản ứng hạt nhân, hoặc do hạt phân rã phóng xạ tạo thành hạt nhân con ở trạng thái kích thích.

Vì vậy không có nguồn gamma thuần túy nào, mà bức xạ gamma thường đi kèm với phân rã phóng xạ, hoặc trong quá trình phản ứng hạt nhân xảy ra. Hiện tượng phân rã phóng xạ là hiện tượng ngẫu nhiên, ta không thể biết khi nào hạt phân rã phóng xạ để tạo thành hạt nhân con mà chỉ biết xác suất phân rã của nó. Khi nghiên cứu hiện tượng phân rã phóng xạ ta phải nghiên cứu trên tập hợp lớn các hạt nhân phóng xạ cùng loại, khi đó mới tìm ra quy luật phân rã của hạt nhân phóng xạ đang xét. Cũng giống như những hiện tượng ngẫu nhiên khác, để đặc trưng cho khả năng phân rã phóng xạ ta đưa vào khái niệm hằng số phân rã phóng xạ.

Hằng số phân rã phóng xạ là xác suất để một hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Đối với hạt nhân phóng xạ thì hằng số phóng xạ là một trong các đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phóng xạ của hạt nhân. Với một đồng vị phóng xạ cho trước thì hằng số phân rã không thay đổi khi các điều kiện vật lý, hóa học thay đổi. Quy luật phân rã phóng xạ Xét một lượng đồng vị phóng xạ xác định, giả sử tại thời điểm ban đầu số hạt nhân phóng xạ là , do hiện tượng phóng xạ nên số hạt nhân phóng xạ sẽ giảm dần theo thời gian 3 z Giả sử tại thời điểm t số hạt nhân chưa phóng xạ là N, sau khoảng thời gian dt hay ở thời điểm , số hạt nhân chưa phóng xạ (số hạt nhân còn lại) là.

Lượng hạt nhân đã phân rã phóng xạ phải tỉ lệ với khoảng thời gian , tỉ lệ với số hạt nhân mẹ hiện có tại thời điểm và hằng số phân rã phóng xạ.1) Hằng số phân rã phóng xạ không đổi và đặc trưng cho mỗi đồng vị phóng xạ cho trước. Từ phương trình (1.2) Lấy tích phân hai vế của phương trình (1.2) với điều kiện, ở thời điểm ban đầu thì ta thu được phương trình (1.3) Trong đó là số hạt nhân mẹ chưa phân rã phóng xạ tại thời điểm .3) chính là quy luật phân rã phóng xạ mô tả sựu suy giảm số hạt nhân theo thời gian. Phương trình (1.3) thực chất là phương trình có tính chất thống kê, nó cho biết số hạt nhân mẹ hi vọng còn tồn tại ở thời điểm. Tuy nhiên trong thực tế số hạt là rất lớn nên quy luật được coi là xác định.

Tức là số hạt nhân mẹ hi vọng còn tồn tại và số hạt nhân mẹ còn tồn tại thực tế sai khác nhau không đáng kể [1,2,3] Sử dụng định luật Avogadro ta có thể biểu diễn định luật phóng xạ cho khối lượng của mẫu phóng xạ như sau (1.4) Phương trình (1.4) cũng có thể coi là phương trình của định luật phóng xạ. Từ công thức (1.3) lấy logarit tự nhiên hai vế ta có (1.5) Chu kỳ bán rã T1/2 là khoảng thời gian để số hạt nhân giảm đi còn một nửa so với số hạt nhân ban đầu. Từ công thức (1.3) ta có 4 z Hoạt độ phóng xạ H là số phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Hoạt độ phóng xạ được xác định theo công thức Trong hệ đơn vị SI đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel (kí hiệu Bq) 1Bq=1 phân rã/giây 1.

Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tƣợng cân bằng phóng xạ 1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp 1. Chuỗi hai hạt nhân phóng xạ liên tiếp Giả sử đồng vị phóng xạ A (kí hiệu là hạt nhân 1) phân rãphóng xạ với hằng số phóng xạ tạo thành hạt nhân con là B (kí hiệu là hạt nhân 2).

Đồng vị B lại phân rã phóng xạ với hằng số phân rã là tạo thành hạt nhân C Áp dụng định luật phóng xạ (1.3) cho hạt nhân 1 và hạt nhân 2 ta được các phương trình sau (1.5b) Trong đó là số hạt nhân 1 và số hạt nhân 2 tại thời điểm. Chia cả hai vế của phương trình trên với ta được Nghiệm của phương trình (1.8) Còn nghiệm của phương trình (1.7) có dạng Trong đó N10 và N20 là số hạt nhân 1 và số hạt nhân 2 tại thời điểm t=0. 5 z Nếu ban đầu trong mẫu không có hạt nhân 2 thì N20 = 0. Phương trình (1.

Trường hợp ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ và chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ rất nhỏ so với chu kỳ bán rã của hạt nhân con. Với thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ và thỏa mãn hàm. Do nên phương trình (1.11) Sau một thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ nhưng đủ nhỏ so với chu kỳ bán rã của hạt nhân con, hạt nhân mẹ đã phân rã hết trở thành hạt nhân con. Trong khi đó hạt nhân con phân rã rất ít, và gần đúng coi số hạt nhân con chưa phân rã xấp xỉ bằng N10 b.

Trường hợp chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ rất lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân con. Xét trường hợp đơn giản ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ không có hạt nhân con, N20=0. Do biến đổi phương trình (1.9) ta có Với sao cho , biểu thức (1.13) có dạng Chia cả hai vế cho N1(t) ta có công thức Nhân cả hai vế của phương trình (1.14) với khi đó ta có thể viết dưới dạng hoạt độ như sau 6 z Như vậy sau khoảng thời gan đủ lớn tỉ số hoạt độ của hạt nhân con và hạt nhân mẹ không đổi 1. Chuỗi nhiều hạt nhân phóng xạ liên tiếp Xét trường hợp đồng vị phóng xạ A (đồng vị 1) phân rã thành hạt nhân B không bền (đồng vị 2).

Hạt nhân B tiếp tục phân rã phóng xạ tạo thành hạt nhân C không bền (đồng vị 3) lại tiếp tục phân rã thành hạt nhân D, cứ như vậy cho đến khi tạo thành hạt nhân bền. Phương trình vi phân của hiện tượng phóng xạ liên tiếp có dạng như sau Nghiệm của N1 và N2 có dạng như là (1.9) tương ứng, còn N3 có nghiệm tổng quát sau Trường hợp ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ, chưa có các hạt nhân con N20=N30=0 Khi đó phương trình (1. Hiện tượng cân bằng phóng xạ Xét trường hợp thực tế chu kỳ bán rã của hạt nhân đầu dãy rất lớn so với chu kỳ bán rã của các hạt nhậ tiếp theo. Ta có T1/2,1 >>T1/2,2 và ban đầu chỉ có hạt nhân đầu dãy chưa có các hạt nhân con N20=N30=…=0.

Với thời gian t>>T1/2,2 tương tự 7 z như dãy gồm hai đồng vị phóng xạ liên tiếp, lúc này sẽ xảy ra hiện tượng cân bằng phóng xạ.18) Tổng quát cho trường hợp dãy phóng xạ có n hạt nhân phóng xạ liên tiếp, phương trình mô tả sựu cân bằng phóng xạ trong dãy như sau (1.19) Ý nghĩa của hiện tượng cân bằng phóng xạ: Trong thực tế muốn xác định hàm lượng của đồng vị nào đó trong dãy về nguyên tắc ta phải xác định hoạt độ phóng xạ của chính nguyên tố đó. Từ hoạt độ đo được, biết chu kỳ bán rã, xác định được số hạt nhân có trong mẫu, từ đó suy ra hàm lượng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp việc xác định trực tiếp hoạt độ của đồng vị gặp khó khăn do nó không phát bức xạ gamma cần phải đo hoạt độ theo phương pháp alpha hoặc beta, hoặc bức xạ gamma đặc trưng do nó phát ra có cường độ nhỏ, nằm sát các vạch gamma của nguyên tố khác. Vì hiện tượng cân bằng phóng xạ xảy ra thì hoạt độ của nguyên tố này bằng hoạt độ của các nguyên tố khác trong dãy, nên ta đi xác định hoạt độ của một đồng vị nào đó trong dãy.

Đồng vị được chọn là đồng vị phát bức xạ gamma có cường độ lớn, việc đo hoạt độ của đồng vị được chọn đơn giản hơn nhiều. Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên Trong quá trình tổng hợp hạt nhân xảy ra hàng tỷ năm trước đây, nhiều đồng vị không bền đã được tạo thành. Do tuổi của trái đất cỡ 4.5 tỉ năm, nên đến nay đa số các đồng vị này đã phân rã phóng xạ hết, không còn tồn tại trong vỏ trái đất. Đó là những đồng vị sống ngắn, có chu kỳ bán rã không vượt quá 150 triệu năm.

Các đồng vị phóng xạ sống lâu, có chu kỳ bán rã lớn hơn 500 triệu năm vẫn còn tồn tại đến ngày nay và được chia làm 3 dãy phóng xạ. Đứng đầu là các đồng vị 238U, 235U và 232Th đều là những đồng vị phân rã phóng xạ alpha. Cả ba dãy phóng xạ trên đều được kết thúc bởi các đồng vị chì bền 207Pb, 206Pb và 208Pb. Dãy phóng xạ Urani 1.

Một số đặc trưng cơ bản của Urani tự nhiên Đặc điểm hóa học, Urani là nguyên tố kim loại màu xám bạc, bị oxit hóa trong không khí tạo thành một lớp màu đen thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử là 92 trong bảng tuần hoàn, được kí hiệu là U. Hiện nay người ta đã phát hiện được 23 đồng vị Urani khác, nhưng phổ biến nhất là các đồng vị 238U và 235U. Tất cả đồng vị của urani đều không bền và có tính phóng xạ yếu. Urani tự nhiên có 3 đồng vị là: 234 U (0.