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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.