Luận văn thạc sĩ: Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu thực vật

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu xác định hoạt độ phóng xạ riêng của nguyên tố phóng xạ trong mẫu thực vật bằng phương pháp phổ gamma.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Lệ
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Văn Loát
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
• Đề tài: Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố phóng xạ trong mẫu thực vật bằng phương pháp phổ gamma
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU THỰC VẬT
• 1.1. Hiện tượng và quy luật phân rã phóng xạ
• 1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ
• 1.3. Hiện tượng cân bằng phóng xạ
• 1.4. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên
• 2. XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ THEO PHƢƠNG PHÁP PHỔ GAMMA
• 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật

Xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý hạt nhân và môi trường. Phương pháp phổ gamma được sử dụng để đo lường các đồng vị phóng xạ có trong thực vật, từ đó đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ và tác động của nó đến sức khỏe con người và môi trường. Việc hiểu rõ về hoạt độ phóng xạ giúp các nhà nghiên cứu đưa ra các biện pháp bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

1.1. Khái niệm về hoạt độ phóng xạ và phương pháp phổ gamma

Hoạt độ phóng xạ là số phân rã của nguồn phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Phương pháp phổ gamma cho phép xác định các đồng vị phóng xạ trong mẫu thực vật thông qua việc phân tích phổ bức xạ gamma phát ra từ các đồng vị này. Phương pháp này có độ nhạy cao và có thể phát hiện được các đồng vị với hoạt độ rất thấp.

1.2. Tầm quan trọng của việc xác định hoạt độ phóng xạ

Việc xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật không chỉ giúp đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ mà còn cung cấp thông tin về nguồn gốc phóng xạ trong môi trường. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con người và bảo tồn hệ sinh thái.

II. Vấn đề và thách thức trong xác định hoạt độ phóng xạ

Mặc dù phương pháp phổ gamma mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc xác định hoạt độ phóng xạ. Các yếu tố như phông phóng xạ tự nhiên, độ nhạy của thiết bị và thời gian đo ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Việc hiểu rõ các vấn đề này là cần thiết để cải thiện quy trình đo lường.

2.1. Ảnh hưởng của phông phóng xạ tự nhiên

Phông phóng xạ tự nhiên từ môi trường xung quanh có thể làm sai lệch kết quả đo. Cần phải có các biện pháp để loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của phông này trong quá trình đo lường.

2.2. Độ nhạy của thiết bị đo

Độ nhạy của thiết bị phổ gamma là yếu tố quyết định đến khả năng phát hiện các đồng vị phóng xạ với hoạt độ thấp. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp và tối ưu hóa quy trình đo là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

III. Phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ bằng phổ gamma

Phương pháp phổ gamma là một trong những kỹ thuật chính để xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật. Quy trình này bao gồm việc thu thập mẫu, chuẩn bị mẫu, đo lường và phân tích dữ liệu. Mỗi bước trong quy trình đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

3.1. Quy trình thu thập và chuẩn bị mẫu

Quy trình thu thập mẫu thực vật cần được thực hiện theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt để đảm bảo tính đại diện. Sau khi thu thập, mẫu cần được xử lý và chuẩn bị để phù hợp với thiết bị đo. Việc này bao gồm việc sấy khô, nghiền nhỏ và đóng gói mẫu.

3.2. Quy trình đo lường và phân tích dữ liệu

Sau khi mẫu được chuẩn bị, quá trình đo lường sẽ diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định. Dữ liệu thu được sẽ được phân tích để xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị trong mẫu. Việc phân tích này cần sử dụng các phần mềm chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ việc xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp đến y tế. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số mẫu thực vật có hoạt độ phóng xạ cao, điều này có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu tiêu thụ lâu dài.

4.1. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật có sự khác biệt lớn giữa các vùng miền. Những mẫu thực vật từ các khu vực gần nguồn phóng xạ tự nhiên thường có hoạt độ cao hơn so với các khu vực khác.

4.2. Ứng dụng trong nông nghiệp và y tế

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nông nghiệp để lựa chọn giống cây trồng phù hợp và trong y tế để đánh giá mức độ phơi nhiễm phóng xạ của thực phẩm. Điều này giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng và đảm bảo an toàn thực phẩm.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Xác định hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật bằng phương pháp phổ gamma là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và cần thiết. Các kết quả nghiên cứu không chỉ giúp hiểu rõ hơn về ô nhiễm phóng xạ mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt độ phóng xạ trong mẫu thực vật có sự biến đổi lớn và cần được theo dõi thường xuyên. Việc áp dụng phương pháp phổ gamma đã cho thấy hiệu quả trong việc xác định các đồng vị phóng xạ.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của phương pháp đo lường và mở rộng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau. Việc phát triển công nghệ mới và cải tiến quy trình đo sẽ giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tính chất phóng xạ của mẫu thực vật. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma. Kết quả thực nghiệm và thảo luận.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học CHƢƠNG I: TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU THỰC VẬT 1. Hiện tƣợng và quy luật phân rã phóng xạ Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối uranium và những hợp chất của nó phát ra những tia gồm 3 thành phần là tia  (alpha), tức là hạt 2He4, tia  (beta), tức là hạt electron, và tia  (gamma), tức là bức xạ điện từ như tia X nhưng bước sóng rất ngắn. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng phân rã phóng xạ (radioactive decay). Các tia , ,  gọi là các tia bức xạ (radiation rays).

Chúng đều có những tính chất như có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thâu qua vật chất,…. Quy luật phân rã phóng xạ Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền, tự biến đổi thành hạt nhân khác bằng cách phát ra tia ,  và . Hạt nhân phóng xạ gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân tạo thành là hạt nhân con. Thí dụ: 88 Ra 226  86 Rn222   (1.7% Ra226   4,777 MeV  0,186 MeV 94,3% (35% -) Rn222 Hình 1.

Sơ đồ phân rã 226  222 88Ra   86Rn + 2He4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 1.1 trình bày quá trình phân rã 88 Ra 226  86 Rn222   , gồm hai nhánh phát alpha, nhánh thứ nhất với hạt alpha năng lượng 4,591 MeV, hệ số phân nhánh 5,7% và nhánh thứ hai với hạt alpha năng lượng 4,777 MeV, hệ số phân nhánh 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 [1]. Phân rã phóng xạ có thể kéo theo hoặc không kéo theo dịch chuyển gamma. Tính phóng xạ phụ thuộc vào tính không bền vững của hạt nhân do tỉ số N/Z quá cao hay quá thấp so với giá trị trung bình (hình 1.2) và quan hệ khối lượng giữa hạt nhân mẹ, hạt nhân con và hạt được phát ra.

Z 100 Sp=0 Z=N 80 Caùc haït nhaân + phoùng xaï  60 Sn=0 Caùc haït nhaân beàn 40 - Caùc haït nhaân phoùng xaï  20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 N Hình 1. Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và không bền [10]. Khi phân rã phóng xạ số hạt nhân chưa bị phân rã sẽ giảm theo thời gian. Giả sử tại thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã phóng xạ là N.Sau thời gian dt số hạt đó trở thành N - dN vì có dN hạt nhân đã phân rã.

Độ giảm số hạt nhân chưa bị phân rã - dN tỉ lệ với N và dt : - dN = Ndt (1.2) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Trong đó hệ số tỉ lệ  gọi là hằng số phân rã (decay constant), có giá trị xác định đối với mỗi đồng vị phóng xạ. Từ công thức (1.2) ta có : dN = - dt (1.3) N Thực hiện phép lấy tích phân công thức (1.4) Trong đó N0 là số hạt nhân chưa bị phân rã ở thời điểm ban đầu t = 0, N là số hạt nhân chưa bị phân rã ở thời điểm t. Đây là quy luật phân rã của hạt nhân phóng xạ. Thời gian sống trung bình (average life time) của hạt nhân phóng xạ được tính như sau:    tN(t)dt  te dt t   0  0  N(t)dt  e dt t 0 0 Thay t = x ta có :  1   xe dx 2 x  0  1  e dx x 0 Hay : 1 T= (1.5)  LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Công thức (1.5) cho thấy thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ bằng nghịch đảo của hằng số phân rã.6) e Thời gian bán rã T1/2 (half-life timelà khoảng thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi một nửa.6) ta có : N0 N(T1/2) = = N0 eT1/ 2 2 ln 2 0,693 Do đó T1/2 = = (1.

Quy luật phân rã phóng xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Hoạt độ phóng xạ (Radioactivity) là số phân rã của nguồn phóng xạ trong một đơn vị thời gian : dN H=- (1.8) dt Hay ta có: H = N = N0e-t (1. Chuỗi phân rã phóng xạ 1. Chuỗi hai phân rã phóng xạ Ta xét chuỗi phân rã từ đồng vị 1, gọi là đồng vị mẹ, thành đồng vị 2, gọi là đồng vị con, rồi đồng vị 2 phân rã thành đồng vị 3. Chuỗi phân rã này được miêu tả bởi hệ hai phương trình sau: dN1(t)= - 1N1(t)dt (1.11) Trong đó N1(t) và N2(t) là số hạt nhân của các đồng vị 1 và 2 tại thời điểm t, 1 và 2 là các hằng số phân rã của các hạt nhân 1 và 2.

Từ hai phương trình này ta được hệ hai phương trình vi phân sau: dN 1 (t) = - 1N1(t) (1.13) dt Giải hệ hai phương trình vi phân trên ta đặt điều kiện ban đầu tại thời điểm t=0 như sau: số hạt nhân 1 là N1(0) = N10 và số hạt nhân 2 là N2(0) = N20. Khi đó ta được các nghiệm bằng: N1(t) = N10 e  t 1 (1.14) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học N2(t) = N101 1t 2  1   e  e 2 t  N 20e 2t (1.15) Nếu ở thời điểm ban đầu chỉ có đồng vị 1 mà không có đồng vị 2, nghĩa là N20 = 0 thì (1. Chuỗi ba phân rã phóng xạ Ta xét chuỗi gồm ba đồng vị phóng xạ nối tiếp nhau từ đồng vị mẹ 1 sang đồng vị con 2, đồng vị con 2 sang đồng vị cháu 3, đồng vị cháu 3 lại tiếp tục phân rã. Đồng vị 3 có số hạt tại thời điểm t là N3(t), tại thời điểm t = 0 là N30 và hằng số phân rã là 3.

Khi đó ta có hệ ba phương trình vi phân sau đây: dN 1 (t) = - 1N1(t) (1.19) dt Nghiệm đối với N1(t) và N2(t) có dạng (1.15) còn nghiệm đối với N3(t) như sau: N 3 (t)  N 30e  λ 3 t  λ3  λ2 e e  N 20 λ 2  λ 2 t  λ 3t  (1.20)  e  λ1t e λ 2t e λ3t   λ 1 λ 2 N10      (λ 3  λ 1 )(λ 2  λ 1 ) (λ 1  λ 2 )(λ 3  λ 2 ) (λ 1  λ 3 )(λ 2  λ 3 )  LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Nếu ở thời điểm ban đầu chỉ có đồng vị 1 mà không có đồng vị 2 và đồng vị 3, nghĩa là N20 = 0 và N30 = 0 thì (1. Hiện tượng cân bằng phóng xạ Trong trường hợp chuỗi hai phân rã phóng xạ với N20 = 0, nếu đồng vị mẹ 1 có hằng số phân rã nhỏ hơn hằng số phân rã của đồng vị con 2, nghĩa là 1 < 2 và các thời gian bán rã của chúng xấp xỉ bằng nhau T1/2,1  T1/2,2 thì các đồng vị đó thiết lập một trạng thái cân bằng phóng xạ động. Từ biểu thức (1.16) thấy rằng, sau khoảng thời gian t lớn thì số hạng thứ hai trong dấu ngoặc đơn có thể bỏ qua so với số hạng thứ nhất và (1.22) λ 2  λ1 Nhân cả hai vế biểu thức này với 2 và chú ý rằng N1(t) = N10 e  t ta có hệ 1 thức cân bằng phóng xạ động như sau: N2λ2 λ2  (1.23) N1 λ 1 λ 2  λ 1 Nếu đồng vị mẹ có thời gian bán rã rất lớn so với thời gian bán rã của đồng vị con, nghĩa là T1/2,1 >> T1/2,2 thì sau khoảng thời gian t >> T1/2,2 (T1/2,2 << t << T1/2,1) các đồng vị mẹ và con sẽ đạt tới trạng thái cân bằng bền, thỏa mãn hệ thức: N11 = N22 (1.24) ta được: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học N1 λ 2 T1 / 2,1   (1.25) N 2 λ1 T1 / 2,2 Có thể sử dụng biểu thức (1.25) để xác định thời gian bán rã của Ra226 nếu biết được thời gian bán rã của Rn222 và số hạt nhân NRa và NRn như sau: N Ra T1/2,Ra  T1/2,Rn (1.26) N Rn Suy rộng cho một chuỗi nhiều đồng vị phóng xạ nối tiếp nhau ở trạng thái cân bằng bền, ta có: N11 = N22 = .27) có nghĩa rằng, khi đạt đến sự cân bằng phóng xạ bền, hoạt độ phóng xạ của các đồng vị trong chuỗi phân rã đều bằng nhau.27) ta thu được biểu thức tương tự như (1.28) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học 1. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên Uran và thori là các đồng vị phóng xạ.

Chúng chủ yếu phân rã alpha thành các đồng vị phóng xạ con cháu. Uran tự nhiên gồm ba đồng vị sống dài là 238U, 235U và 234 U. Đồng vị 238U chiếm nhiều hơn cả. Lượng 235U và 234U chiếm rất ít trong tự nhiên.

Thori tự nhiên chỉ có duy nhất một đồng vị 232Th. Các đồng vị phóng xạ này rã thành các đồng vị con và bản thân các đồng vị con cũng là phóng xạ lại phân rã thành các đồng vị cháu và cứ như vậy quá trình phân rã tạo thành chuỗi cho đến khi đồng vị cuối cùng là đồng vị bền. Trong điều kiện chuẩn, tỉ số 235U/238U là không đổi và tất cả các đồng vị trong chuỗi phân rã đạt trạng thái cân bằng. Để hiểu được phổ gamma của các đồng vị này, cần phải biết rõ sơ đồ phân rã của chúng theo chuỗi cũng như tính chất của các đồng vị con cháu có mặt trong chuỗi.3 đưa ra sơ đồ phân rã của các đồng vị phóng xạ mẹ 238U, 235U và 232Th.

Các sơ đồ này không phải là đầy đủ vì còn thiếu một số nhánh phân rã nhỏ. Tuy nhiên những nhánh này không quan trọng nếu xét theo quan điểm của người sử dụng hệ phổ kế gamma. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U Chuỗi phân rã của đồng vị 238U được đưa ra trong bảng 1. Trong tự nhiên, 238 U chiếm 99.25% của lượng uran tự nhiên.

Đồng vị 238U là đồng vị phóng xạ phân rã alpha thành đồng vị 234Th. Đồng vị này cũng là đồng vị phóng xạ và phân rã thành 234mPa.