CHƯƠNG I: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Nguyên tử, hạt nhân và các tia bức xạ Tất cả các vật chất đều cấu tạo từ các nguyên tố. Trong tự nhiên đã tìm thấy hơn 90 nguyên tố, từ hydrogen đến uranium. Các nguyên tố bao gồm các nguyên tử, là phần tử nhỏ nhất mà một nguyên tố hóa học có thể phân chia ra được mà không mất đi tính chất hóa học của nó.
Các nguyên tử có cấu trúc riêng của mình phụ thuộc vào loại nguyên tố. Nhưng đặc điểm chung của chúng là cấu tạo từ hạt nhân nguyên tử có điện tích dương nằm ở giữa và các êlectrôn điện tích âm chuyền động trên các qũy đạo xung quanh hạt nhân. Số điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số các điện tích âm của các êlectrôn chuyển động quanh nó. Nguyên tử trung hòa về điện tích.
Số êlectrôn qũy đạo tăng dần khi nguyên tử càng nặng. Ví dụ nguyên tử hydrogen có 1 êlectrôn quỹ đạo còn uranium có 92 êlectrôn qũy đạo. Nguyên tử có đường kính khoảng 10-10 m còn hạt nhân có kích thước khoảng -15 10 m. Khối lượng hạt nhân chiếm phần lớn khối lượng nguyên tử còn khối lượng các êlectrôn không đáng kể.
Ví dụ khối lượng nguyên tử hydrogen bằng 1,67343.10-27 kg còn khối lượng êlectrôn bằng 9,1091. Các êlectrôn chuyển động trên các qũy đạo hay các lớp vỏ, mà tại đó êlectrôn tồn tại một cách độc lập và có năng lượng xác định. Ở qũy đạo càng thấp, năng lượng liên kết của êlectrôn càng lớn. Theo thứ tự từ tâm ra, các qũy đạo, hay các lớp, được ký hiệu là K, L, M, N.
Các lớp của các êlectrôn qũy đạo trong nguyên M L K tử natrium Các êlectrôn của nguyên tử chiếm đầy các trạng thái thấp nhất ở các qũy đạo thấp nhất. Ví dụ nguyên tử natrium có 11 êlectrôn, trong đó 2 êlectrôn chiếm nằm ở lớp K, 8 êlectrôn nằm ở lớp L và 1 êlectrôn còn lại nằm ở lớp M (Hình 1. Đó là trạng thái cơ bản của nguyên tử. Các êlectrôn nằm ở lớp càng thấp thì càng bị lực tác dụng hút mạnh vào hạt nhân.
Để chuyển nó lên lớp cao hơn phải có năng lượng cung cấp từ bên ngoài. Khi một êlectrôn nào đó được cung cấp năng lượng chuyển từ lớp dưới lên lớp trên thì để lại một lỗ trống ở lớp mà nó vừa bỏ đi. Khi đó nguyên tử ở trạng thái kích thích. Nếu được cung cấp một năng lượng rất lớn, êlectrôn có thể thoát 9 ra ngoài nguyên tử, nghĩa là không bị lực hút của nguyên tử, và để lại một lỗ trống tại lớp nó vừa bỏ đi.
Khi đó ta nói nguyên tử bị ion hóa, tức là nguyên tử có điện tích dương bằng điện tích các êlectrôn bay ra ngoài. Khi nguyên tử bị kích thích hay bị ion hóa, vị trí cũ của êlectrôn trở thành lỗ trống. Nếu một êlectrôn nào đó ở lớp cao hơn rơi vào lỗ trống ở lớp thấp hơn thì nó giải phóng một năng lượng bằng hiệu số giữa hai mức năng lượng tương ứng với hai lớp này. Năng lượng E được giải phóng ra khỏi nguyên tử dưới dạng một bức xạ.
Năng lượng này có giá trị lớn đối với các lớp thấp và bức xạ phát ra được gọi là tia gamma, còn đối với các lớp cao hơn, năng lượng bức xạ bé, khi đó nguyên tử phát ra các tia ánh sáng tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng hồng ngoại. Tia gamma và các bức xạ ánh sáng đều là sóng điện từ, chúng chỉ khác nhau về tần số sóng. Chúng có tính chất hạt nên còn gọi là photon hay lượng tử ánh sáng. Nguyên tử bức xạ tia gamma Năng lượng tia bức xạ thường đo bằng đơn vị êlectrôn-volt, viết tắt là eV.
Đó là năng lượng của êlectrôn, có điện tích bằng e = 1,6.10-19 C, được gia tốc trong hiệu điện thế 1 volt. Liên hệ giữa eV và các đơn vị năng lượng thường dùng J và erg như sau : 1 eV = 1,6021.10-12 erg Do bức xạ vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt nên năng lượng của một photon, hay một lượng tử ánh sáng, được xác định như sau: = h (1.1) trong đó h là hằng số Planck còn là tần số của sóng điện từ. Các loại phân rã phóng xạ: Một hạt nhân không bền phóng ra các bức xạ để chuyển về trạng thái bền. Quá trình này được gọi là sự phân rã phóng xạ.
Các bức xạ khi phân rã phóng xạ thường là hạt alpha (), hạt bêta (-) , hạt positron (+), tia gamma () , tia X, v. Hạt : Hạt là hạt nhân nguyên tử helium, có 2 prôtôn và 2 nơtrôn. Phân rã xuất hiện đối với các nguyên tố có số khối lượng lớn và là các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. Một số đồng vị phóng xạ nhân tạo có số khối lượng trong khoảng 60-85 cũng phát xạ .
Ký hiệu quá trình phân hủy như sau: A A-4 ZX + Z-2Y (1.2) Một số tính chất của hạt : - Có khối lượng bằng khoảng 4 lần khối lượng hạt nhân hydrogen và có điện tích bằng +2. - Gây ion hóa khi đi ngang qua môi trường. - Quảng đường chạy rất ngắn khi đi qua môi trường, chẳng hạn có thể bị dừng lại bằng một tờ giấy mỏng. Các hạt bêta ( - ) và positron ( + ) Các hạt này không có trong thành phần của hạt nhân.
Chúng được sinh ra nhờ các quá trình sau: 1 0n 1p1 + -1e0(tỉ số n/p cao); phân rã - (1.4) Một số tính chất của hạt : - Hạt - có điện tích -1 còn hạt + có điện tích +1. - Ion hóa vật chất như hạt nhưng cường độ bé hơn hạt . - Quảng đường hấp thụ phụ thuộc vào năng lượng, quảng đường trong không khí khoảng vài mét. Có thể chắn lại bằng một lá nhôm dày cỡ 1 mm.
Tia gamma () Quá trình phân rã thường xảy ra sau quá trình phóng các hạt hoặc , khi hạt nhân cuối ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản. Một số tính chất của tía : - Đó là bức xạ điện từ, không có điện tích. - Ion hóa vật chất không trực tiếp. - Có khả năng đâm xuyên sâu: năng lượng càng cao, khả năng đâm xuyên càng lớn.
Tia có thể dễ dàng đâm xuyên qua cơ thể người. Tia X: Tia X được sinh ra khi vật chất hấp thụ chùm êlectrôn năng lượng cao. Trong ống phát tia X, chùm êlectrôn được gia tốc đến vận tốc cao rồi va chạm với bia để sinh ra tia X. Có hai cơ chế sinh tia X: - Khi êlectrôn bay đến gần hạt nhân của bia thì lực hút giữa êlectrôn mang điện tích âm và hạt nhân mang điện tích dương làm êlectrôn thay đổi quỹ đạo và mất một phần năng lượng.
Động năng mất này được phát sinh ra dưới dạng tia X, gọi là bremstrahlung. - Khi êlectrôn va chạm và đánh bật một êlectrôn liên kết mạnh trong nguyên tử, chẳng hạn một êlectrôn ở vỏ K thì nguyên tử ở trạng thái không bền. Nguyên tử trở về trạng thái bền bằng cách chuyển một êlectrôn ở vỏ cao hơn, chẳng hạn vỏ L, về chổ trống và năng lượng thừa được giải phóng bằng cách phát ra tia X. Tia X cũng có tính chất như tia gamma nhưng do năng lượng thấp hơn nên khả năng đâm xuyên thấp hơn.
Năng lượng tia X thường từ vài keV đến vài trăm keV. Hạt nơtrôn: Nơtrôn là hạt có khối lượng gần bằng khối lượng hạt nhân hydrogen song không có điện tích. Nơtrôn tương tác với vật chất theo nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào năng lượng nơtrôn , chẳng hạn tán xạ đàn hồi , không đàn hồi và chiếm nơtrôn để phát ra các hạt , p, d, . Nguồn đồng vị phát nơtrôn thường gồm 2 thành phần: Đồng vị phóng xạ phát hạt anpha (Ra, Po, Rn) hay phát tia gamma (Al28, In116, Sb124, Na24, .) và vật liệu (Li7, Be9, B11.
) mà các hạt anpha hay tia gamma tương tác với nó sinh ra nơtrôn. Quy luật phân rã phóng xạ Do các hạt nhân phóng xạ luôn luôn phát ra các tia bức xạ nên số lượng của chúng giảm theo thời gian. Số các hạt nhân phóng xạ N(t) của một đồng vị phóng xạ giảm theo thời gian theo dạng hàm số mũ N(t) = N0 e-t (1.5) Trong đó N0 là số hạt nhân ban đầu tại t = 0, N(t) là số hạt nhân tại thời điểm t còn là tốc độ phân rã. Đây là quy luật phân rã phóng xạ.
Thời gian bán rã T1/2 là thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi 2 lần. Từ công thức (1.6) Sau thời gian 2T1/2 số hạt nhân phóng xạ sẽ giảm đi 4 lần, sau thời gian 3T1/2 - số hạt nhân phóng xạ giảm đi 8 lần, v.3 trình bày đường cong phân rã của số hạt nhân phóng xạ. Quy luật phân rã phóng xạ. Phương trình cân bằng phóng xạ Xét một chuỗi phân rã phóng xạ liên tiếp : R1 R2 R3 Rn Nguyên tố phóng xạ thứ n trong chuỗi là Rn có số hạt nhân phóng xạ là Nn biến đổi theo thời gian như sau : dNn =n-1 Nn-1 - n Nn (1.7) dt Trong đó: là hằng số phân rã phóng xạ n-1Nn-1 là số hạt nhân phóng xạ mới tạo thành từ nguyên tố phóng xạ phóng xạ Rn-1.
nNn là số hạt nhân phóng xạ phân rã từ nguyên tố Rn. Nếu đạt tới sự cân bằng phóng xạ thì: n-1Nn-1 = nNn (1.8) Khi đó số hạt nhân phóng xạ tạo thành trong một thời gian đúng bằng số hạt nhân phân rã. Nếu có sự cân bằng trong toàn chuỗi thì: 1N1 = 2N2 = =nNn (1.9) Đây là sự cân bằng thế kỷ. Như vậy, nếu biết hoạt độ phóng xạ của đồng vị phóng xạ con cháu sẽ suy ra được đồng vị phóng xạ ở các thế hệ trước.2 Phân rã phóng xạ đơn Trong một chuỗi phân rã phóng xa đơn, hạt nhân mẹ phân rã ra một sản phẩm bền.
13 Gọi: N(t) là số hạt nhân phóng xạ mẹ tại thời điểm t, N là tổng số nguyên tử (n), N(0) là số nguyên tử tại thời điểm cân bằng t = 0. Những nguyên tử phóng xạ này phân rã với hằng số (). Chu kì bán hủy của chất là t1/2, = ln(2)/t1/2.10) dt Ta suy ra được: t 1 -t 1 t 2 N(t) = N(0) e = N(0) (1.11) 2 Thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ là: 1 1 = tN (t )dt = N (0) 0 3.