CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ BETA – STRONTIUM VÀ YTTRIUM 1. Cơ sở lý thuyết về bức xạ beta 1. Giới thiệu về phân rã beta Phân rã beta là hiện tượng biến đổi một hạt nhân này thành một hạt nhân khác có cùng khối lượng nhưng điện tích thay đổi một đơn vị kèm theo đó là phát ra một electron, một positron hay chiếm một electron của lớp vỏ nguyên tử, ta sẽ có ba loại phân rã beta là phân rã β + , phân rã β − và chiếm electron quỹ đạo [5]. Phân rã β- Hạt beta gồm 2 loại là hạt β − và β + trong đó β − được gọi là electron có khối + lượng me = 9,1091.10−31 kg và điện tích là -1e còn hạt β được gọi là positron có khối lượng bằng khối lượng hạt electron nhưng điện tích dương +1e.
N Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân phóng xạ thừa neutron, tức là tỉ số cao hơn Z đường cong bền của hạt nhân. Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu AZ X phát ra hạt electron và phản neutrino để chuyển thành hạt nhân Z+1 A Y.1) Theo sau quá trình phân rã beta thường kèm theo sự phân rã gamma.2 là sơ đồ phân rã của hạt nhân 42 19 K ở trạng thái kích thích phát ra hai hạt beta để biến Luan van 5 20 Ca ở trạng thái kích thích có năng lượng 1,53 MeV và trạng thái cơ thành hạt nhân 42 bản có năng lượng là 0. Hạt nhân 42 20 Ca ở trạng thái kích thích tiếp tục phát gamma có năng lượng bằng 1,53 MeV để trở về trạng thái cơ bản Hình 1. Minh họa sơ đồ phân rã beta của 42 42 19 K thành 20 Ca [5] 1.
Phân rã β + N Phân rã positron xảy ra khi hạt nhân có tỉ lệ quá thấp và không thỏa mãn về Z điều kiện năng lượng để phân rã alpha có thể xảy ra. Khi phân rã positron hạt nhân ban đầu AZ X phát ra hạt positron và hạt neutrino để chuyển thành hạt nhân ZA−1Y .2) Ví dụ về phân rã positron như sau: + 65 30 Zn ⎯⎯ β → 29 65 Cu + e + + v (1.4) Khác với electron, hạt positron không tồn tại lâu trong tự nhiên. Positron gặp electron trong nguyên tử sẽ hủy nhau tạo ra hai tia gamma và bằng năng lượng tĩnh của electron 0,511 MeV. Chiếm electron quỹ đạo Một nguyên tử thiếu neutron muốn chuyển về trạng thái bền bằng cách phát hạt positron thì khối lượng của nó phải lớn hơn khối lượng hạt nhân con ít nhất 2 lần khối lượng electron.
Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì sự thiếu hụt neutron phải khắc phục bằng quá trình chiếm electron quỹ đạo, hay còn gọi là chiếm K vì quá trình chiếm electron thường xảy ra đối với electron lớp K.5) 11 Na thành hạt nhân 10 Ne như Ví dụ về quá trình chiếm electron của hạt nhân 22 22 sau: e − + 22 11 Na ⎯⎯→ 10 Ne + v c. Minh họa sơ đồ biến đổi của 22 22 11 Na thành 10 Ne 22 Năng lượng liên kết của electron lớp K trong nguyên tử 11 Na là E lk = 1,08 keV. Năng lượng phản ứng bằng EQ = 3,352 MeV. Do sau quá trình chiếm electron hạt nhân phát tia gamma với năng lượng 1,277 MeV (Hình 1.3) nên phần năng lượng còn lại là 3,352 – 1,277 = 2,075 MeV là động năng của phản hạt neutrino.3 minh họa sự biến đổi từ hạt nhân 22 22 11 Na thành hạt nhân 10 Ne bằng hai quá trình phân rã positron và chiếm electron lớp K, với quá trình phân rã gamma tiếp theo của 22 10 Ne.
Tính chất của phân rã beta 1. Lực tương tác Quá trình phân rã beta được gây ra bởi lực tương tác yếu chứ không phải là lực hạt nhân hat lực điện từ và có cường độ nhở hơn lực hạt nhân 14 bậc. Bản chất của quá trình phân rã Quá trình phân rã beta là quá trình phân rã bên trong hạt nucleon biến neutron thành proton (1.7) hay quá trình phân rã proton thành neutron (1. Như vậy nếu quá trình phân rã alpha là một quá trình phân rã thuần túy hạt nhân thì quá trình phân rã beta là một quá trình phức tạp hơn rất nhiều, liên quan đến cả lý thuyết tương tác yếu lẫn lý thuyết cấu trúc hạt nhân.
Nguồn gốc của các hạt bay ra từ phân rã beta Một câu hỏi được đặt ra là electron, neutrino, và các hạt khác bay ra trong phân rã beta có tồn tại trong hạt nhân trước phân rã beta không? Theo quan điểm của lý thuyết hạt nhân hiện nay, các hạt này sinh ra trong quá trình phân rã do sự tương tác của các hạt cơ bản. Dải các nguyên tố phân rã beta Đối với phân rã beta thì dải các nguyên tố phân rã rất rộng, từ hạt neutron tự do cho đến nguyên tố nặng nhất. Năng lượng giải phóng khi phân rã beta Năng lượng giải phóng khi phân rã beta biến thiên từ 0,02 MeV trong phân rã (1.9) đến 13,4 MeV trong phân rã (1. Cân bằng năng lượng trong phân rã beta Nếu coi rằng khối lượng neutrino và phản neutrino bằng 0 thì để xảy ra quá trình phân rã beta phải thỏa mãn các điều kiện như sau: 1.
Phân rã β - − Phân rã β phải thỏa mãn quan hệ về khối lượng sau: M ( Z,A ) > M ( Z+1,A ) + m (1.11) Trong đó M(Z,A) là khối lượng của hạt nhân AZ X và M(Z+1,A) là khối lượng A của hạt nhân Z+1 X , bỏ đi khối lượng của các electron quỹ đạo theo công thức (1.1) còn m là khối lượng electron. Tuy nhiên trong thực tế người ta không đo khối lượng hạt nhân mà đo khối lượng nguyên tử, do đó thay cho M(Z,A) và M(Z+1,A) người ta dùng các khối lượng nguyên tử trước phân rã M i và sau phân rã M r như sau: Mi = M(Z,A) + Zm và Mr = M ( Z+1,A ) + ( Z+1) m (1.12) − Khi đó điều kiện phân rã β trở thành: Mi > M r (1. Phân rã β + + Đối với phân rã β thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là: M ( Z,A ) > M ( Z − 1,A ) + m (1.14) Còn điều kiện về khối lượng nguyên tử là: Mi > M r + 2m (1. Quá trình chiếm electron Đối với quá trình chiếm electron thì điều kiện về khối lượng hạt nhân là: M ( Z,A ) + m > M ( Z − 1,A ) (1.17) Còn điều kiện về khối lượng nguyên tử là: Luan van 9 Mi > M r (1.19) + Trong quá trình phân rã β và quá trình chiếm electron, hạt nhân cùng chịu biến đổi từ proton sang neutron.
Vì vậy cả hai quá trình này có thể xảy ra với cùng một hạt nhân và thường cạnh tranh nhau. Theo các biểu thức (1.17) ta thấy rằng từ quan điểm cân bằng năng lượng, quá trình chiếm electron dễ xảy ra hơn so với quá + trình phân rã β. Nói riêng, nếu các hạt nhân đầu và cuối thỏa mãn bất phương trình + (1.20) thì quá trình chiếm electron được phép xảy ra còn quá trình phân rã β bị cấm.20) Ví dụ, điều kiện (1.20) đúng với quá trình chiếm electron sau đây: e − + 74 Be ⎯⎯ → 73 Li + v (1.21) Trong đó hiệu số các khối lượng nguyên tử bằng 0,864 MeV trong lúc khối lượng hai hạt electron bằng 1,02 MeV. Vậy 74 Be chỉ bắt electron mà không phân rã β+.
Phổ năng lượng của hạt beta Trong phân rã beta có hai hạt bay ra là electron và phản neutrino. Do đó phân bố năng lượng trong phân rã beta không chỉ quan tâm đến năng lượng tổng cộng mà cả phân bố năng lượng giữa hai hạt bay ra đó. Ở đây ta bỏ qua năng lượng giật lùi rất bé của hạt nhân con. Do tính chất thống kê của quá trình phân rã nên sự phân chia năng lượng giữa electron và phản neutrino trong một phân rã là ngẫu nhiên và năng lượng của electron có thể có giá trị từ 0 đến năng lượng cực đại khả dĩ E max.
Tuy nhiên đối với một số lớn phân rã beta thì phân bố năng lượng của electron không phải là ngẫu nhiên mà có dạng xác định. Phân bố năng lượng này gọi là phổ electron của phân rã beta. Tính chất chung của các phổ beta là phân bố trơn tru không có các đỉnh nhọn và phổ chấm dứt ở một giá trị năng lượng cực đại E max. Về mặt lịch sử, chính các tính Luan van 10 chất này của phổ beta mà vào năm 1931 Pauli đã tiên đoán được sự tồn tại của hạt neutrino trước khi quan sát được hạt này ở một phần tư thế kỷ sau đó.
Nhờ sự có mặt của neutrino mà các định luật bảo toàn năng lượng, động lượng và momen động lượng trong phân rã beta được thỏa mãn. Ví dụ electron trong phân rã beta của 32 P có năng lượng cực đại E max = 1,71MeV. Đường cong phân bố động năng của electron được minh họa như hình 1. Ta thấy rằng năng lượng trung bình của electron trong phổ beta bằng 0,7 MeV, tức bằng 41% năng lượng cực đại.
Nói chung, năng lượng trung bình của electron trong các phân rã beta bằng 30% - 40% năng lượng cực đại E max. Phổ năng lượng electron trong phân rã beta của đồng vị phóng xạ 32 P [5] Để tính dạng phổ beta, ta tính xác suất dω để khi phân rã beta, electron bay ra với động lượng p trong khoảng dp và động lượng phản neutrino k trong khoảng dk dω = Dδ ( E max − E − ck ) dpdk = Dδ ( E max − E − ck ) p 2dpk 2dkdΩ CdΩ V (1.22) Trong đó D là hệ số tỉ lệ, dΩ C và dΩ V là các góc đặc theo phương bay của electron và phản neutrino, δ ( E max − E − ck ) là hàm Dirac bảo đảm định luật bảo toàn năng lượng được thỏa mãn: E max − E − ck (1.23) Trong đó E là động năng của electron và ck là năng lượng của phản neutrino với khối lượng bằng 0. Động năng E liên hệ với động lượng electron p như sau: Luan van 11 E = c p2 +m2c2 − mc2 (1.24) Giả sử N 0 phân rã beta, trong đó dN phân rã cho hạt electron bay ra trong khoảng động lượng từ p đến p + dp và hạt phản neutrino bay ra trong khoảng động lượng từ k đến k + dk , thì dN liên hệ với dω như sau: dN = N 0dω (1.25) Hệ số D trong (1.