Luận văn thạc sĩ sử dụng kỹ thuật phổ kế gamma kết hợp phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi phân tích thành phần đồng vị uranium trong mẫu địa chất và mẫu môi trường

Luận văn thạc sĩ trình bày kỹ thuật phổ kế gamma và phương pháp chuẩn nội để phân tích đồng vị uranium trong mẫu địa chất và môi trường.

• Tác giả: Cao Đăng Lưu
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Văn Loát
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Phân Tích Đồng Vị Uranium Bằng Phổ Kế Gamma
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hiện tượng phân rã phóng xạ
• 1.2. Khái niệm về hiện tượng phân rã phóng xạ
• 1.3. Hằng số phân rã và quy luật phân rã phóng xạ
• 1.4. Tính chất phóng xạ của đất đá và chuỗi phóng xạ tự nhiên
• 1.5. Chuỗi phóng xạ liên tiếp
• 1.6. Tính chất phóng xạ của đất đá
• 1.7. Chuỗi phóng xạ tự nhiên
• 1.8. Hiện tượng cân bằng và mất cân bằng phóng xạ của dãy 238U trong đất đá
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp phổ gamma kết hợp phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi
• 2.2. Phương pháp phổ gamma xác định hoạt độ các đồng vị phóng xạ
• 2.3. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi
• 2.4. Ứng dụng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi phân tích thành phần Uranium và trạng thái cân bằng
• 2.5. Xác định tỷ số hoạt độ 238U và 226Ra – đánh giá trạng thái cân bằng
• 2.6. Xác định tỷ số hoạt độ của 235U và 238U
• 2.7. Hệ phổ kế gamma
• 2.8. Hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe, phông thấp
• 2.9. Phần mềm phân tích phổ
• 2.10. Xử lý mẫu và đo mẫu
• 2.11. Đo phổ gamma của mẫu
• 2.12. Sai số thống kê
• 2.13. Sai số hệ thống
• 2.14. Công thức truyền sai số
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định trạng thái cân bằng giữa 238U và 226Ra và thành phần Uranium trong mẫu địa chất và môi trường bằng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi
• 3.2. Kiểm nghiệm phương pháp với mẫu chuẩn RGU-1 của IAEA
• 3.3. Xác định trạng thái cân bằng và tỉ số hoạt độ của đồng vị Uranium trong một số mẫu địa chất và mẫu đất
• 3.4. Đánh giá số liệu về hệ số phân nhánh của các bức xạ gamma do đồng vị 208Tl phát ra bằng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Tích Đồng Vị Uranium Bằng Phổ Kế Gamma

Phân tích đồng vị uranium là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu địa chất và môi trường. Kỹ thuật phổ kế gamma đã trở thành một công cụ hữu ích trong việc xác định thành phần và hoạt độ của các đồng vị phóng xạ. Phương pháp này không chỉ giúp xác định tỷ lệ đồng vị uranium mà còn cung cấp thông tin về trạng thái cân bằng phóng xạ trong mẫu đất và mẫu môi trường.

1.1. Khái Niệm Về Đồng Vị Uranium Và Phổ Kế Gamma

Đồng vị uranium bao gồm các đồng vị như 234U, 235U và 238U. Phổ kế gamma là phương pháp phân tích không phá hủy, cho phép xác định hoạt độ của các đồng vị này thông qua việc đo lường bức xạ gamma phát ra từ mẫu.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Kỹ Thuật Phổ Kế Gamma

Kỹ thuật phổ kế gamma đã được phát triển từ giữa thế kỷ 20 và đã trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu hạt nhân. Sự phát triển của công nghệ đã giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các phép đo.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Phân Tích Đồng Vị Uranium

Mặc dù kỹ thuật phổ kế gamma mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phân tích đồng vị uranium. Các yếu tố như độ chính xác của thiết bị, sự can thiệp của các bức xạ khác và sự biến đổi của mẫu có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích.

2.1. Độ Chính Xác Của Thiết Bị Phân Tích

Độ chính xác của thiết bị phổ kế gamma là yếu tố quyết định trong việc xác định hoạt độ của các đồng vị uranium. Việc hiệu chuẩn thiết bị và sử dụng mẫu chuẩn là rất quan trọng để đảm bảo kết quả chính xác.

2.2. Sự Can Thiệp Của Các Bức Xạ Khác

Trong quá trình phân tích, sự can thiệp của các bức xạ gamma từ các đồng vị khác có thể làm sai lệch kết quả. Việc phân tích và tách biệt các bức xạ này là một thách thức lớn.

III. Phương Pháp Phân Tích Đồng Vị Uranium Bằng Phổ Kế Gamma

Phương pháp phổ kế gamma kết hợp với chuẩn nội hiệu suất ghi là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để phân tích đồng vị uranium. Phương pháp này cho phép xác định tỷ lệ hoạt độ của các đồng vị phóng xạ một cách chính xác.

3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động Của Phổ Kế Gamma

Phổ kế gamma hoạt động dựa trên nguyên tắc phát hiện bức xạ gamma phát ra từ các đồng vị phóng xạ trong mẫu. Các bức xạ này được ghi lại và phân tích để xác định thành phần đồng vị.

3.2. Phương Pháp Chuẩn Nội Hiệu Suất Ghi

Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi cho phép xác định tỷ lệ hoạt độ của các đồng vị phóng xạ mà không cần phải sử dụng mẫu chuẩn bên ngoài. Điều này giúp giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác trong phân tích.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phân Tích Đồng Vị Uranium

Phân tích đồng vị uranium bằng phổ kế gamma có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như địa chất, môi trường và an toàn phóng xạ. Kết quả phân tích giúp đánh giá mức độ ô nhiễm phóng xạ và xác định nguồn gốc của các mẫu đất.

4.1. Đánh Giá Ô Nhiễm Phóng Xạ Trong Môi Trường

Phân tích đồng vị uranium giúp xác định mức độ ô nhiễm phóng xạ trong môi trường, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4.2. Nghiên Cứu Địa Chất Và Tìm Kiếm Tài Nguyên

Kỹ thuật này cũng được sử dụng trong nghiên cứu địa chất để xác định các mỏ uranium và đánh giá tiềm năng khai thác tài nguyên.

V. Kết Luận Về Phân Tích Đồng Vị Uranium Bằng Phổ Kế Gamma

Phân tích đồng vị uranium bằng phổ kế gamma là một phương pháp hiệu quả và chính xác trong nghiên cứu hạt nhân. Với sự phát triển của công nghệ, phương pháp này sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Tương Lai Của Phân Tích Đồng Vị Uranium

Tương lai của phân tích đồng vị uranium sẽ phụ thuộc vào sự phát triển của công nghệ và các phương pháp phân tích mới. Việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của thiết bị sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu.

5.2. Vai Trò Của Kỹ Thuật Phổ Kế Gamma Trong Nghiên Cứu

Kỹ thuật phổ kế gamma sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu hạt nhân và môi trường, giúp cung cấp thông tin cần thiết cho các quyết định chính sách và quản lý tài nguyên.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phân tích thành phần đồng vị Uranium trong mẫu địa chất và môi trường là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý nguyên tử và địa chất phóng xạ. Theo ước tính, hàm lượng trung bình của Uranium trong vỏ Trái Đất là khoảng 1,8 ppm, trong khi hàm lượng Thorium là 7,2 ppm và Kalium chiếm khoảng 2,6%. Sự phân bố không đồng đều của các nguyên tố phóng xạ này trong đất đá dẫn đến hiện tượng cân bằng và mất cân bằng phóng xạ, đặc biệt là trong chuỗi phóng xạ 238U. Việc xác định tỷ số hoạt độ giữa các đồng vị như 238U và 226Ra giúp đánh giá trạng thái cân bằng phóng xạ, từ đó cung cấp thông tin quan trọng về quá trình biến đổi địa chất và tác động môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là sử dụng kỹ thuật phổ kế gamma kết hợp phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để phân tích thành phần đồng vị Uranium trong mẫu địa chất và môi trường, xác định trạng thái cân bằng phóng xạ giữa 238U và 226Ra, đồng thời đánh giá hệ số phân nhánh của các bức xạ gamma từ đồng vị 208Tl trong dãy phóng xạ 232Th. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu địa chất lấy từ độ sâu 50-100 m và mẫu đất bề mặt tại một số địa phương, với thời gian nhốt mẫu tối thiểu 28 ngày để thiết lập trạng thái cân bằng phóng xạ.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp phương pháp không phá mẫu, chính xác và hiệu quả trong phân tích đồng vị Uranium, góp phần nâng cao chất lượng đánh giá phóng xạ môi trường và hỗ trợ các ứng dụng trong địa chất, khai thác khoáng sản và an toàn phóng xạ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiện tượng phân rã phóng xạ: Mô tả sự biến đổi ngẫu nhiên của hạt nhân phóng xạ theo quy luật hàm mũ với hằng số phân rã λ và chu kỳ bán rã T(_{1/2}). Các đồng vị phóng xạ tự nhiên như 238U, 235U, 232Th trải qua chuỗi phân rã alpha và beta liên tiếp để trở thành các đồng vị chì bền.

• Chuỗi phóng xạ liên tiếp và cân bằng phóng xạ: Khi chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ lớn hơn nhiều so với hạt nhân con, sau một thời gian đủ dài sẽ thiết lập trạng thái cân bằng phóng xạ, trong đó hoạt độ của các đồng vị trong chuỗi bằng nhau.

• Phân rã gamma và hệ số phân nhánh: Đồng vị phóng xạ phát ra các bức xạ gamma đặc trưng với năng lượng xác định, cường độ gamma (I(_\gamma)) là xác suất phát ra bức xạ gamma trong mỗi phân rã. Hệ số phân nhánh được sử dụng để tính toán hoạt độ dựa trên phổ gamma.

• Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi: Kỹ thuật xác định tỷ số hoạt độ giữa hai đồng vị phóng xạ trong cùng một mẫu dựa trên đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi, giúp hiệu chỉnh các yếu tố như hiệu suất detector, tự hấp thụ mẫu và hình học đo.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu địa chất lấy từ độ sâu 50-100 m và mẫu đất bề mặt, cùng mẫu cát lấy từ sông Hồng. Mẫu chuẩn RGU-1 của IAEA được dùng để kiểm nghiệm phương pháp.

• Xử lý mẫu: Mẫu được làm sạch, sấy khô ở 100°C trong 5-7 giờ, nghiền nhỏ và rây qua lưới 0,1 mm. Mẫu sau đó được nhốt trong hộp nhựa hình trụ hoặc hình giếng với khối lượng từ 100 đến 200 g, nhốt tối thiểu 28 ngày để thiết lập trạng thái cân bằng phóng xạ.

• Thiết bị đo: Sử dụng hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe (High Purity Germanium) với độ phân giải năng lượng 1,8 keV tại 1,33 MeV, đặt tại Viện Hóa học – Môi trường Quân sự và Viện Y học phóng xạ và U bướu Quân đội. Phần mềm Genie 2000, GammaVision và FitzPeaks được dùng để ghi nhận và phân tích phổ gamma.

• Phân tích dữ liệu: Tính toán tỷ số hoạt độ dựa trên công thức chuẩn nội hiệu suất ghi, hiệu chỉnh các yếu tố như hiệu suất ghi, góc khối nguồn nhìn detector, hệ số tự hấp thụ và hình học đo. Sai số thống kê và sai số hệ thống được tính toán theo công thức truyền sai số chuẩn.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thu thập mẫu, xử lý và nhốt mẫu kéo dài tối thiểu 28 ngày; đo phổ gamma với thời gian đo mẫu từ 12 đến 60 giờ tùy mẫu để đảm bảo sai số thống kê dưới 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kiểm nghiệm phương pháp với mẫu chuẩn RGU-1: Tỷ số hoạt độ 238U/226Ra được xác định là 1,026 ± 0,044, gần bằng 1, chứng tỏ mẫu ở trạng thái cân bằng phóng xạ. Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi được xây dựng với hệ số khớp R = 0,99027, đảm bảo độ tin cậy cao cho phương pháp.

2. Xác định trạng thái cân bằng phóng xạ trong mẫu địa chất và môi trường: Tỷ số hoạt độ 238U/226Ra trong các mẫu địa chất và đất dao động quanh giá trị 1, với sai số trong khoảng 4-5%, cho thấy phần lớn mẫu đạt trạng thái cân bằng hoặc gần cân bằng phóng xạ. Một số mẫu có tỷ số lệch khỏi 1, phản ánh sự mất cân bằng do biến đổi địa chất hoặc tác động môi trường.

3. Phân tích tỷ số hoạt độ 235U/238U: Tỷ số hoạt độ 235U/238U được xác định chính xác nhờ hiệu chỉnh đóng góp chồng chập bức xạ gamma 186 keV của 226Ra. Kết quả cho thấy độ giàu đồng vị 235U trong mẫu tự nhiên phù hợp với giá trị chuẩn khoảng 0,72%, khẳng định tính chính xác của phương pháp.

4. Đánh giá hệ số phân nhánh của bức xạ gamma 208Tl trong dãy 232Th: Kết quả phân tích phổ gamma cho thấy hệ số phân nhánh của các bức xạ gamma từ đồng vị 208Tl phù hợp với giá trị khuyến cáo của IAEA và NUDAT, xác nhận tính chính xác của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi trong việc đánh giá các đồng vị phóng xạ khác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự mất cân bằng phóng xạ giữa 238U và 226Ra trong một số mẫu là do tác động của dòng nước chảy qua hoặc biến đổi địa chất làm thay đổi hàm lượng các đồng vị trong đất đá. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả tỷ số hoạt độ gần bằng 1 trong mẫu chuẩn và đa số mẫu địa chất phù hợp với các báo cáo của ngành về trạng thái cân bằng phóng xạ trong môi trường tự nhiên.

Việc sử dụng phương pháp phổ gamma kết hợp chuẩn nội hiệu suất ghi đã khắc phục được hạn chế của các phương pháp phá mẫu truyền thống, đồng thời cho phép phân tích mẫu với hình học bất kỳ và không cần mẫu chuẩn tương tự. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi và bảng tỷ số hoạt độ các đồng vị, giúp trực quan hóa trạng thái cân bằng phóng xạ và thành phần đồng vị Uranium trong mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng phương pháp phổ gamma kết hợp chuẩn nội hiệu suất ghi trong phân tích đồng vị phóng xạ để nâng cao độ chính xác và giảm thiểu phá hủy mẫu, đặc biệt trong nghiên cứu địa chất và môi trường.

2. Mở rộng khảo sát mẫu địa chất và môi trường tại nhiều vùng địa lý khác nhau nhằm đánh giá sự phân bố và trạng thái cân bằng phóng xạ của Uranium, phục vụ cho công tác quản lý tài nguyên và an toàn phóng xạ.

3. Phát triển hệ thống đo phổ gamma với detector HPGe phông thấp và phần mềm phân tích hiện đại để cải thiện khả năng tách đỉnh chồng chập và giảm sai số trong xác định tỷ số hoạt độ các đồng vị.

4. Đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật và nghiên cứu viên về kỹ thuật chuẩn nội hiệu suất ghi và xử lý phổ gamma nhằm nâng cao năng lực phân tích và ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 2-3 năm tới, với sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và cơ quan quản lý nhà nước để đảm bảo hiệu quả và tính bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý nguyên tử, Địa chất phóng xạ: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật phổ gamma và phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

2. Chuyên gia môi trường và quản lý tài nguyên khoáng sản: Thông tin về trạng thái cân bằng phóng xạ và thành phần đồng vị Uranium giúp đánh giá tác động môi trường và khai thác bền vững.

3. Cơ quan quản lý an toàn phóng xạ và y tế phóng xạ: Phương pháp phân tích không phá mẫu và kết quả nghiên cứu hỗ trợ công tác giám sát phóng xạ và đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

4. Doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản phóng xạ: Áp dụng kỹ thuật phân tích để kiểm soát chất lượng nguyên liệu và đánh giá hiệu quả khai thác.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là gì?
   Là kỹ thuật xác định tỷ số hoạt độ giữa hai đồng vị phóng xạ trong cùng một mẫu dựa trên đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi, giúp hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng như hiệu suất detector và tự hấp thụ mẫu, cho phép phân tích không phá mẫu với hình học bất kỳ.

2. Tại sao cần nhốt mẫu trong 28 ngày trước khi đo?
   Để thiết lập trạng thái cân bằng phóng xạ giữa 226Ra và các đồng vị con như 214Pb, 214Bi, cần thời gian khoảng 7 chu kỳ bán rã của 222Rn (~28 ngày) để các đồng vị con đạt trạng thái cân bằng với đồng vị mẹ.

3. Làm thế nào để phân biệt bức xạ gamma của 235U và 226Ra khi chúng có năng lượng gần nhau?
   Phương pháp hiệu chỉnh đóng góp chồng chập bức xạ gamma 186 keV của 226Ra vào đỉnh tổng 186 keV được sử dụng, dựa trên đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi và hệ số phân nhánh, giúp tách riêng tín hiệu của 235U.

4. Sai số trong đo phổ gamma được kiểm soát như thế nào?
   Sai số thống kê được giảm bằng cách tăng thời gian đo và số lần đo, trong khi sai số hệ thống được kiểm soát qua hiệu chuẩn thiết bị, sử dụng mẫu chuẩn và phần mềm phân tích phổ hiện đại.

5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các đồng vị phóng xạ khác không?
   Có, phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi có thể áp dụng cho các đồng vị phóng xạ khác phát bức xạ gamma đặc trưng, miễn là có thể xây dựng đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi phù hợp.

Kết luận

• Phương pháp phổ gamma kết hợp chuẩn nội hiệu suất ghi đã được kiểm nghiệm thành công trên mẫu chuẩn RGU-1, cho kết quả tỷ số hoạt độ 238U/226Ra gần bằng 1 với sai số dưới 5%.
• Nghiên cứu xác định được trạng thái cân bằng phóng xạ và thành phần đồng vị Uranium trong các mẫu địa chất và môi trường, góp phần nâng cao hiểu biết về phân bố phóng xạ tự nhiên.
• Kỹ thuật này khắc phục được hạn chế của phương pháp phá mẫu truyền thống, cho phép phân tích mẫu với hình học bất kỳ và không cần mẫu chuẩn tương tự.
• Kết quả đánh giá hệ số phân nhánh của bức xạ gamma 208Tl phù hợp với các giá trị khuyến cáo quốc tế, đảm bảo độ tin cậy của phương pháp.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng và đào tạo chuyên sâu nhằm nâng cao năng lực phân tích phóng xạ trong nghiên cứu và quản lý môi trường.

Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và quản lý môi trường áp dụng phương pháp này trong khảo sát phóng xạ, đồng thời phát triển thêm các kỹ thuật phân tích nâng cao để phục vụ đa dạng mục tiêu khoa học và thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hiện tượng phân rã phóng xạ 1. Khái niệm về hiện tượng phân rã phóng xạ Hiện tượng các hạt nhân nguyên tử không bền tự phát ra các bức xạ alpha, beta, neutron và biến đổi thành hạt nhân nguyên tử khác được gọi là hiện tượng phân rã phóng xạ. Các hạt nhân nằm ngoài đường cong bền đối với phân rã β [3,6,9] hoặc là các hạt nhân có số khối A > 209, điện tích Z > 83 đều là những hạt nhân không bền.

Những hạt nhân phóng xạ có trong tự nhiên được gọi là hạt nhân phóng xạ tự nhiên. Các hạt nhân phóng xạ được tạo thành tự các phản ứng hạt nhân hay phân chia của hạt nhân nặng được gọi là hạt nhân phóng xạ nhân tạo. Còn các hạt nhân được tạo thành do các tia vũ trụ tương tác với khí quyển, như hạt nhân 7Be, 14C,… được gọi là hạt nhân phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ [20]. Hằng số phân rã  và quy luật phân rã phóng xạ 1.

Hằng số phân rã phóng xạ Hiện tượng phân rã phóng xạ là hiện tượng ngẫu nhiên, điều này có nghĩa mỗi hạt nhân phóng xạ cho trước, ta không biết khi nào thì hạt nhân đó phân rã phóng xạ. Để nghiên cứu các hiện tượng ngẫu nhiên ta dựa vào các định luật thống kê [6,9,18]. Khi nghiên cứu hiện tương phân rã của một đồng vị phóng xạ nào đó ta không thể nghiên cứu một hạt nhân riêng biệt mà phải xét một tập hợp nhiều hạt nhân của cùng 1 đồng vị phóng xạ, và sử dụng khái niệm xác suất để nghiên cứu quy luật phân rã. Mỗi hạt nhân phóng xạ được đặc trưng bởi một hằng số phân rã phóng xạ ký hiệu là .

Hằng số phân rã của hạt nhân phóng xạ zA X là xác suất để hạt nhân đó phân rã trong một đơn vị thời gian. Thứ nguyên của hằng số phân rã  là s-1. Hiện tượng phân rã phóng xạ không phụ thuộc và điều kiện bên ngoài. Điều này có nghĩa, với một hạt nhân cho trước, hằng số phân rã của nó là hoàn toàn xác định không phụ thuộc vào điều kiện tồn tại của hạt nhân đó.

Một đồng vị phóng xạ cho trước, khi ở trạng thái lỏng hay khí, ở nhiệt độ cao hay thấp đều có hằng số phân 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Cao Đăng Lưu rã như nhau. Các hạt nhân khác nhau có hằng số phân rã phóng xạ hết sức khác nhau. Hằng số của các hạt nhân phân rã phóng xạ biến đổi trong khoảng rất rộng [6,9,26]. Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ cho trước chính bằng số hạt nhân phân rã trung bình trong một đơn vị thời gian.

Giả sử hạt nhân phóng xạ AX có hằng số phân rã phóng xạ λ, trong lượng chất phóng xạ cho trước, có N hạt nhân phóng xạ AX, hoạt độ phóng xạ của hạt nhân trên được xác định theo công thức: H  N (1.1) trong đó H là hoạt độ phóng xạ của một lượng chất chứa N hạt nhân của đồng vị phóng xạ đang xét. Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel, viết tắt là Bq. Một Becquerel là một phân rã trong một giây. Ngoài Becquerel, hoạt độ phóng xạ còn được đo bằng Curie, viết tắt Ci.

Theo định nghĩa, 1 Ci chính là hoạt độ phóng xạ của 1 gam 226Ra, bằng 3,7. Mối liên hệ giữa Curie và Becquerel như sau: 1Ci = 3,7. Quy luật phân rã phóng xạ Khi phân rã phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ sẽ bị suy giảm theo thời gian. Giả sử tại thời điểm t, số hạt nhân mẹ là N, sau thời gian dt tức tại thời điểm t + dt số hạt nhân mẹ là N - dN.

Đại lượng dN là độ biến thiên số hạt nhân mẹ trong thời gian dt. Về độ lớn dN có giá trị tuyệt đối bằng số hạt nhân đã bị phân rã trong khoảng thời gian từ t đến t +dt. Đại lượng (-dN) là số hạt nhân bị suy giảm trong thời gian dt, phải tỷ lệ với hằng số phân rã λ, tỷ lệ với N là số hạt nhân hiện có và khoảng thời gian dt nghiên cứu. Ta có phương trình vi phân sau: - dN = λNdt (1.2) trong đó λ là hằng số phân rã của hạt nhân phóng xạ AX đang xét.

Chia hai vế phương trình (1.2) cho N, thu được phương trình vi phân sau: dN   dt (1.3) N 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Cao Đăng Lưu Thực hiện phép lấy tích phân hai vế phương trình (1.3) và chú ý tới điều kiện tại thời điểm ban đầu số hạt nhân mẹ bằng N0, ta có: N = N0e-λt (1.4) trong đó N0 là số hạt nhân mẹ tại thời điểm ban đầu t = 0; N là số hạt nhân mẹ còn lại ở thời điểm t. Nhân cả 2 vế với hằng số phân rã λ, công thức (1.4) trở thành công thức sau: λN = λN0e-λt (1.5b) Như vậy hoạt độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ hay một nguồn phóng xạ cũng suy giảm theo hàm số mũ.4) mô tả quy luật phân rã của hạt nhân phóng xạ.1 mô tả quy luật suy giảm của số hạt nhân phóng xạ theo thời gian: Theo thời gian số hạt nhân suy giảm theo hàm số e-mũ. Hằng số phân rã càng lớn, hạt nhân phóng xạ suy giảm càng mạnh. Quy luật suy giảm của hạt nhân phóng xạ theo thời gian.

Chu kỳ bán rã T1/2 Do phân rã phóng xạ nên số hạt nhân suy giảm theo hàm số mũ. Gọi T1/2 là khoảng thời gian để số hạt nhân mẹ suy giảm còn một nửa so với số hạt nhân ban đầu. Thay t = T1/2 vào công thức (1.4) ta thu được công thức sau: No N  N o e   .6) 2 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Cao Đăng Lưu Biến đổi công thức (1.6) thu được công thức mô tả mối liên hệ giữa chu kỳ bán rã T1/2 và hằng số phân rã theo biểu thức sau: ln 2 0.7)   Chu kỳ bán rã có thứ nguyên là thứ nguyên của thời gian. Về nguyên tắc, thứ nguyên của chu kỳ bán rã là giây, tuy nhiên tùy theo mỗi hạt nhân chu kỳ bán rã có thể tính theo giây, phút, ngày, năm.

Chu kỳ bán rã của các hạt nhân khác nhau hết sức khác nhau. Tính chất phóng xạ của hạt nhân càng lớn, chu kỳ bán rã càng nhỏ. Tính chất phóng xạ của hạt nhân phụ thuộc vào tỷ số N/Z. Trong phân chia hạt nhân, các mảnh ban đầu đều rất thừa neutron so với hạt nhân đồng khối, tính chất phóng xạ của chúng rất cao chu kỳ bán rã nhỏ (Hình 1.

Các hạt nhân đồng khối A=90 phân rã β- (nhánh trái) hoặc β+ (nhánh phải) để trở về hạt nhân đồng khối bền 90Zr Ví dụ chuỗi phóng xạ của nhánh bên trái các hạt nhân đồng khối A=90 sẽ phân rã β- liên tiếp, giảm số N và tăng số Z để về đồng vị bền là 90Zr (ngược lại, nhánh bên phải 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Cao Đăng Lưu thừa proton nên phân rã β+ liên tiếp, giảm số Z và tăng số N để về đồng vị bền). Trong các hạt nhân đồng khối A=90 là sản phẩm của chuỗi phân hạch thì 90Sr được nghiên cứu rộng rãi trong an toàn phóng xạ môi trường [9,26]. Chuỗi phóng xạ 90Kr →90Zr như sau [21]: 90 36 Kr(32.053h)  40 Zr(bÒn) 90 Từ chuỗi phân rã trên, ta thấy mặc dù số khối không đổi nhưng số proton tăng lên, chu kỳ bán rã từ rất nhỏ tăng dần đến đồng vị bền. Phân rã gamma Phân rã alpha hoặc beta thường tạo ra một hạt nhân con ở trạng thái kích thích và hạt nhân con này sẽ khử kích thích hoặc bằng cách phát bức xạ gamma (γ), hoặc bằng cách truyền năng lượng còn dư cho một electron quỹ đạo và làm bật electron khỏi nguyên tử (hiện tượng biến hoán nội).

Hiện tượng hạt nhân từ trạng thái kích thích cao giải phóng năng lượng bằng cách phát ra bức xạ điện từ (bức xạ γ) để trở về trạng thái có năng lượng thấp được gọi là hiện tượng phân rã γ. Năng lượng của bức xạ γ phát ra khi hạt nhân nhảy từ mức năng lượng E2 về mức năng lượng E1, được xác định theo công thức sau: Eγ = E 2 - E1 (1.8) Do các mức năng lượng của hạt nhân là gián đoạn nên bức xạ γ do mỗi hạt nhân phát ra có năng lượng Eγ hoàn toàn xác định. Mỗi đồng vị phóng xạ khi phân rã sẽ phát ra một số bức xạ γ đặc trưng có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng cho đồng vị phóng xạ đó. Thực chất phân rã γ là sự sắp xếp lại các nucleon bên trong hạt nhân.

Cạnh tranh với quá trình phát bức xạ γ là hiện tượng biến hoán nội. Quá trình dịch chuyển gamma được đặc trưng bởi hệ số phân nhánh. Hệ số phân nhánh ký hiệu Iγ là xác suất phát ra bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng Eγ trong mỗi phân rã của hạt nhân mẹ. Hệ số phân nhánh của gamma có năng lượng đặc trưng Eγ được tính theo công thức: 𝑆ố 𝑡𝑖𝑎 𝑏ứ𝑐 𝑥ạ 𝑔𝑎𝑚𝑚𝑎 𝑐ó 𝑛ă𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝐸 𝑝ℎá𝑡 𝑟𝑎 𝐼𝛾 = ∗ 100% (1.9) 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑝ℎâ𝑛 𝑟ã 𝑐ủ𝑎 ℎạ𝑡 𝑛ℎâ𝑛 𝑚ẹ 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Cao Đăng Lưu Các vạch gamma có cường độ lớn do 3 dãy phóng xạ tự nhiên phát ra được nêu ở bảng 1.

Các vạch gamma có cường độ mạnh lớn do các đồng vị phóng xạ trong 3 dãy phóng xạ tự nhiên phát ra [9,17] Dãy Đồng vị Năng lượng (keV) Cường độ tia γ (%) 235 231 U Th 58,5700 0,462 ± 0,025 231 Th 84,214 6,6 ± 0,4 231 Th chiếm Kα 93,356 5,22 ± 0,14 235 U 143,76 10,96 ± 0,08 235 U 163,33 5,08 ± 0,06 235 U 185,712 57,2 ± 0,80 235 U 205,311 5,01 ± 0,07 235 U 275,129 0,02 ± 0,005 238 238 U U 49,55 ± 0,06 0,064 ± 0,008 234 Th 63,29 ± 0,02 3,70 ± 0,40 234 Th 83,30 ± 0,05 0,060 ± 0,006 234 Th 92,38 ± 0 2,13 ± 0,20 234 Th 92,80 2,10 ± 0,21 234m Pa 258,227 0,0764 ± 0,0024 234 U 53,20 ± 0,02 0,123 ± 0,002 234 U 120,90 ± 0,02 0,035 ± 0,005 226 Ra 186,21 3,56 ± 0,05 214 Pb 242,00 7,258 ± 0,022 214 Pb 295,22 18,414 ±0,036 214 Pb 351,93 35,60 ±0,07 214 Bi 609,31 45,49 ±0,019 214 Bi 768,356 4,892 ±0,016 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.