Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết về phóng xạ [1] Các phương pháp ghi nhận hạt nhân và tia vũ trụ được sử dụng ngày nay rất đa dạng nhưng không phải là vạn năng. Đối với mỗi bài toán cần phải chọn một phương pháp thích hợp nhất. Muốn vậy nhà thực nghiệm phải có sự hiểu biết về tính chất vật lý của các đối tượng cần ghi nhận, về nguồn gốc của bức xạ hạt nhân và các tính chất chung của chúng. Phần này sẽ trình bày các vấn đề nói trên.1 Các hạt alpha (α) 4 Các hạt α là hạt hạt nhân của nguyên tử Heli ( He) do các chất phóng xạ phát ra.
Trong các hạt nhân nặng phóng xạ tự nhiên, có nhiều hạt nhân, như U, Th, Ra, v.v…, có tính chất phóng xạ α. Các hạt α cũng được phát ra từ một số chất phóng xạ nhân tạo. Những chất này nằm ở giữa hoặc cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố (Gd, Tb, Pu, Am, v. Năng lượng của các hạt α được phát ra bởi các hạt nhân phóng xạ khác nhau năm trong vùng từ 3 đến 9 MeV.
Các đổng vị phóng xạ khác nhau có thể phát ra một hoặc một số nhóm hạt α đơn năng. Năng lượng của một nhóm hạt α đã cho thì phụ thuộc vào trạng thái năng lượng của hạt nhân phát bức xạ và hạt nhân là sản phẩm phân rã. Theo đó, các hạt α đôi khi còn được gọi là các hạt có quãng chạy ngắn hoặc quãng chạy dài so với các hạt được tạo thành khi chuyển từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ vể trạng thái cơ bản của hạt nhân con. Chẳng hạn, hạt α xuất hiện trong kết quả phân rã α từ trạng thái kích thích của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con sẽ có năng lượng lớn hơn.
Các hạt α như vậy được gọi là hạt α quãng chạy dài. Các hạt α quãng chạy ngắn được gọi là những hạt xuất hiện trong chuyển dời từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái kích thích của hạt nhân con.2 Các hạt Beta (β), positron, neutrino Các electron phát ra trong phân rã của các hạt nhân phóng xạ được gọi là các - hạt β. Khác với phổ năng lượng gián đoạn của các hạt α, phổ năng lượng của các - hạt β là phổ liên tục. Năng lượng của chúng thay đổi từ 0 đến một giá trị giới hạn - Egh nào đó đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ.
Thí dụ, năng lượng cực đại phổ β 32 14 của P bằng 1,7 MeV, của C bằng 0,155 MeV. Năng lượng giới hạn nhỏ nhất - 3 được biết ngày nay là năng lượng của các hạt β do triti phát ra ( H, Egh=18 keV). + + Các positron do các chất phóng xạ phát ra được gọi là các hạt beta cộng β ; phổ β cũng liên tục, thay đổi từ 0 đến một giá trị cực đại nào đó, đặc trưng cho mỗi đồng vị. + Thông thường các hạt β được các đồng vị có không đủ neutron so với đổng vị 2 bền của nguyên tố này phát ra.
Người ta biết nhiểu đồng vị có khả năng phát ra cả 64 positron lẫn electron Một trong những đồng vị đó là Cu. Trong phân rã của đồng vị này, các electron và positron được phát ra với cường độ gần như nhau. Electron và positron có khối lượng như nhau và có cùng điện tích đơn vị (của electron là điện tích âm, của positron là điện tích dương). Khối lượng tĩnh của các hạt này, 2 biểu diễn ra đơn vị năng lượng (moc ), có giá trị bằng 511keV.
- + Dạng liên tục của phổ β và β được giải thích là, trong phân rã beta của hạt nhân phóng xạ không phải chỉ có một mà là hai hạt được phát ra. Hạt thứ hai đó là + - neutrino trong phân rã β và phản neutrino trong phân rã β. Năng lượng phân rã, như vậy, được phân bố giữa ba hạt: hạt β, neutron (hoặc phản neutron và hạt nhân con là hạt thu một năng lượng giật lùi rất nhỏ nào đó. Neutrino là hạt không có điện tích.
Giới hạn trên đo được bằng thực nghiệm đối với giá trị khối lượng của nó bằng 20001me, trong đó me là khối lượng electron Neutrino do Pauli đưa ra để giải thích phổ năng lượng liên tục của các hạt beta, đã được Fermi sử dụng để xây dựng lý thuyết phân rã beta. Theo lý thuyết này, khối lượng neutrino phải bằng không. Có thể thu được các electron nhanh bằng các máy gia tốc: betatrôn cho electron năng lượng hàng chục MeV; xincrôưôn cho các electron năng lượng hàng trăm - hàng nghìn MeV và các máy gia tốc thẳng. Các cặp electron và positron được tạo thành trong tương tác của các tia gamma năng lượng cao (hơn 1,022MeV) với vật chất.
Electron và positron luôn luôn có mặt trong thành phần mềm của tia vũ trụ.3 Tia gamma và tia Roentgen Mỗi động tác phân rã phóng xạ phát ra hạt tích điện đều dẫn tới sự hình thành một hạt nhân mới là sản phẩm phân rã. Thường hạt nhân mới này được hình thành ở trạng thái kích thích.Thời gian tồn tại của hạt nhân ở trạng thái kích thích có thể rất khác nhau. Nó có thể có giá trị đo bằng đơn vị ngày, giờ, phút và những phần rất nhỏ của giây. Trong nhiều trường hợp, hạt nhân sản phẩm phân rã bị kích thích chuyển về trạng thái cơ bản hầu như một cách tức thời ngay sau động tác phân rã -13 -8 (sau 10 -10 s) kèm theo sự giải phóng năng lượng dư.
Chuyển dời từ trạng thái kích thích thường xảy ra theo kiểu nhảy bậc qua các trạng thái kích thích trung gian với năng lượng nhỏ hơn. Hình dưới mô tả sơ đồ các mức (tức là các trạng thái) của 60 hạt nhân Ni bị kích thích và được tạo thành trong kết quả phân rã của hạt nhân 60 Co. 3 Hình 1: Các mức năng lượng kích thích của hạt nhân Ni Chuyển dời về trạng thái năng lượng thấp hơn có thể xảy ra hoặc bằng cách phát bức xạ điện từ (các tia γ) hoặc bằng cách phát ra các electron biến hoán trong. Năng lượng các electron biến hoán trong sẽ bằng hiệu năng lượng kích thích của hạt nhân và năng lượng liên kết electron trên vỏ điện tử tương ứng của nguyên tử.
Như vậy sẽ xuất hiện các electron biến hoán trong K, L, M v. tương ứng với mỗi chuyển dời hạt nhân. Nếu các hạt nhân phóng xạ phân rã và phát ra các hạt bêta thì phổ electron thực nghiệm sẽ bao gồm cả phần liên tục ứng với các hạt β lẫn phần gián đoạn, ứng với những vạch hoàn toàn xác định của các electron biến hoán trong. Năng lượng kích thích của các hạt nhân thu đựơc trong phân rã phóng xạ của các đồng vị khác nhau, có thể có giá trị từ một vài keV đến một vài MeV.
Khi năng lượng kích thích cao thì chuyển dời của hạt nhân về trạng thái cơ bản thường xảy ra qua một số tương đối lớn những trạng thái kích thích trung gian. Điều này dẫn tới xuất hiện trong phổ một số lớn các lượng tử γ năng lượng khác nhau cũng như một số tương ứng các vạch electron biến hoán trong. Xác suất biến hoán phụ thuộc vào nhiều nhân tố: Nó giảm theo sự tăng lên của nâng lượng chuyển dời, tăng theo số Z của nguyên tố và phụ thuộc vào độ đa cực của chuyển dời. Biến hoán điện tử dẫn tới kết quả là, ở một trong các vỏ của nguyên tử, trong -9 -15 một thời gian ngắn (cỡ 10 -10 s), sẽ không có electron.
Ví dụ, biến hoán trên vỏ K tạo thành một vị trí trống ở vỏ này và sau thời gian ngắn nói trên, nó sẽ được lấp đầy bởi các electron từ những vỏ khác. Quá trình này toả ra một năng lượng bằng hiệu năng lượng liên kết electron ở vỏ có vị trí trống vừa xuất hiện và ở vỏ mà từ đó electron chuyển về vị trí trống nói trên. Năng lượng này được toả ra dưới dạng các tia Roentgen đặc trưng hoặc được truyền cho một hay một số electron trên các vỏ 4 cao hơn. Electron này thu được một động năng và dời bỏ nguyên tử.
Hiện tượng phát ra các electron thay cho các lượng tử Roentgen được gọi là hiệu ứng Auger, còn bản thân các electron này thì được gọi là các electron Auger. Năng lượng cực đại của các tia Roentgen đặc trưng có giá trị khác nhau đối với các nguyên tố hoá học khác nhau và thay đổi từ vài eV đối với các nguyên tố nhẹ đến hàng trăm keV đối với các nguyên tố nặng. Có thể thu được bức xạ điện từ năng lượng cao không chỉ trong phân rã phóng xạ hoặc trong các phản ứng hạt nhân mà còn trong các máy gia tốc điện tử (bêtatrôn, xincrôtrôn).Trong trường hợp này, các electron nhanh bị một bia hãm lại sẽ làm xuất hiện các lượng tử của bức xạ điện từ. Ngày nay năng lượng của các luợng tử thu đuợc bằng cách nói trên có thổ đạt giá trị hàng tỷ electron vôn.
Bức xạ điện từ năng lượng rất lớn cũng có mặt trong thành phần của các tia vũ trụ.4 Proton và neutron (nuclon) Proton (p) và neutron (n) là những thành phần cấu trúc cơ bản của hạt nhân nguyên tử. Do đó chúng được gọi bằng một tên chung là nuclon. Proton là hạt nhân của nguyên tử hydro. Có thể thu được các proton trạng thái tự do bằng cách ion hoá các nguyên tử hydro.
Có thể thu được các proton nhanh với năng lượng hàng triệu eV trong các xyclotron, và năng lượng hàng tỷ hoặc hàng chục tỷ eV trong các máy gia tốc xincrôfazotrôn. Cũng có thể thu được những chùm proton bằng các máy gia tốc thẳng. Proton tới Trái Đất trong thành phần của bức xạ vũ trụ sơ cấp. Chúng chiếm khối lượng chủ yếu (95%) của tắt cả các hạt vũ trụ sơ cấp.
Neutron là hạt trung hoà về điện và có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một chút. Neutron được Chadwich khám phá vào nảm 1932 khi dùng hạt α bắn vào bia berili. Các neutron được tạo thành trong phản ứng 9 l2 Be + α —> C + n. Ngày nay phản ứng này thường được sử dụng để thu neutron (Các nguồn: Ra+Be; Po+Be).
Cũng có thể thu được các chùm hạt neutron tự do bằng những phản ứng hạt nhân khác. Ví dụ, trong máy phát neutron thì neutron được tạo thành trong các phản ứng: 5 4 D(d,n) He hoặc T(d,n) He. 4 Năng lượng neutron thu được trong phản ứng T(d,n) He bằng 14MeV. Những 5 nguồn neutron khác ngày nay là các lò phản ứng hạt nhân, trong đó neutron được tạo thành từ quá trình phân chia hạt nhân uranium hoặc plutonium.