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. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.
8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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.