CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN PHÓNG XẠ TRONG ĐẤT ĐÁ VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI 1. Phóng xạ tự nhiên và tính chất phóng xạ của đất đá 1. Phông phóng xạ tự nhiên Con người luôn bị chiếu xạ ở mọi lúc, mọi nơi. Các bức xạ chiếu vào con người có nguồn gốc từ các tia vũ trụ, từ các đồng vị phóng xạ trong tự nhiên và các đồng vị phóng xạ nhân tạo, cũng như từ các đồng vị phóng xạ từ chính trong cơ thể con người.
Nó ảnh hưởng đến nguồn nước, thực phẩm. và thậm chí cả không khí khiến chúng ta bị nhiễm xạ một phần. đưa ra các nguồn bức xạ gây ra liều trung bình hàng năm cho con người. 11% 14% 42% 18% 14% 1% Radon Công nghiệp hạt nhân Y tế Vật liệu xây dựng, đất đá Tia vũ trụ Đồ ăn, đồ uống Hình 1.1: Các nguồn phóng xạ gây ra tương đương liều hiệu dụng trung bình hàng năm cho con người [42] Tương đương liều hiệu dụng trung bình hàng năm mà con người nhận được có khoảng 85% có nguồn gốc từ các nguồn phóng xạ trong tự nhiên, trong đó khí phóng xạ Radon chiếm 42% và từ các đồng vị phóng xạ có trong vật liệu xây dựng, đất đá cũng như từ thực phẩm cũng như từ các tia vũ trụ.
Đóng góp của các thành phần bức 5 xạ vào liều chiếu xạ hàng năm gây ra cho con người phụ thuộc rất nhiều vào vị trí địa lý, hàm lượng các nguyên tố trong đất đá. Các bức xạ tự nhiên có nguồn gốc từ các tia vũ trụ cũng như từ các đồng vị phóng xạ có trong lớp vỏ Trái đất. Các hạt nhân phóng xạ tự nhiên trên bề mặt Trái đất Vũ trụ được hình thành từ 13,8 tỷ năm trước từ sự giãn nở một điểm kỳ dị có kích thước rất bé và mật độ vật chất vô cùng lớn. Từ đó hình thành các hạt sơ cấp rồi đến neutron, proton rồi mới tạo các hạt nhân nguyên tử như Hydro, Heli [30].
Các hạt nhân nhẹ tham gia các phản ứng tổng hợp hạt nhân tạo thành các hạt nhân nặng hơn. Các nguyên tố được hình thành do quá trình phản ứng và phân rã phóng xạ đến khi tạo thành hạt nhân bền. Trong tự nhiên có 4 dãy phóng xạ là 238U, 237Np, 235U và 232 Th. Các đồng vị phóng xạ này phân rã α và β liên tiếp để trở thành các hạt nhân bền là 206Pb, 207Pb, 208Pb và 209Bi.
Tuy nhiên, dãy phóng xạ Neptunium có chu kỳ bán rã quá nhỏ so với thời gian hình thành Hệ Mặt Trời, do đó mà dãy phóng xạ này hầu như phân rã hết trước khi Trái Đất được hình thành. Vì vậy, không còn tìm thấy dãy phóng xạ Neptunium trong vỏ Trái Đất. Hiện nay trong vỏ trái đất chỉ còn 5 đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã rất lớn hơn 500 triệu năm, đó là 40K, 238U, 235U, 232Th và 87 Rb [30] được hình thành từ trước khi Trái đất hình thành và chúng được gọi là các đồng vị phóng xạ nguyên thủy. Khi phân tích phóng xạ môi trường ta chỉ quan tâm đến đồng vị 40K và 3 đồng vị 238U, 235U, 232Th là những đồng vị phóng xạ liên tiếp.
Còn đồng vị 87Rb hàm lượng trong vỏ Trái đất nhỏ, phân rã β- mềm thuần tuý, nên không được quan tâm trong đánh giá phóng xạ môi trường. Kali tự nhiên gồm 3 đồng vị 39K, 40K và 41K, trong đó 40K là đồng vị phóng xạ với độ giàu đồng vị trong tự nhiên cỡ 0,0117% [30]. Nồng độ hoạt độ phóng xạ của 40K, 232Th và 238U trong một số loại đất đá điển hình Trong tự nhiên Uranium gồm ba đồng vị đó là 234U, 235U và 238U. Trong lớp vỏ trái đất, 238U chiếm 99,28% tổng lượng Uranium tự nhiên và thường ở trạng thái cân bằng phóng xạ hoặc gần cân bằng với 234U.
Đồng vị 234U chiếm một lượng rất nhỏ khoảng 0,0058% so với tổng lượng Uranium tự nhiên. Còn 235U là đồng vị gốc 6 của chuỗi actini chiếm 0,71% so với tổng lượng Uranium tự nhiên [36]. Trong tự nhiên Thorium có 6 đồng vị phóng xạ nhưng đồng vị 232Th chiếm số lượng lớn còn 5 đồng vị còn lại có hàm lượng không đáng kể.1 đưa ra nồng độ hoạt độ phóng xạ và hàm lượng trung bình của các đồng vị 40K, 232Th và 238U trong từng loại đất đá điển hình Bảng 1.1: Nồng độ hoạt độ phóng xạ của các đồng vị 40K, 232Th và 238U trong từng loại đất đá điển hình (theo UNSCEAR) Nồng độ hoạt độ phóng xạ trong các loại đất đá điển hình Vật liệu 40 232 238 K Th U (Bq/kg) (Bq/kg) (Bq/kg) Đá bazan 300 10-15 7-10 Mafic 70-400 7; 10 7; 10 Salic 1100-1500 60; 80 50; 60 Đá granite >1000 70 40 Đá sa thạch 800 50 40 Thạch anh sạch <300 <8 <10 Thạch anh tạp chất 400 10-25 40 Khoáng chất Acco 600-900 <8 <10 Cát biển <300 25 40 Đá carbonat 70 8 25 Lớp vỏ lục địa 850 44 36 Đất 400 37 22 1. Đặc điểm của ba dãy phóng xạ trong tự nhiên Trong tự nhiên, các hạt nhân có điện tích Z > 83 và số khối A > 209 đều là các hạt nhân phân rã phóng xạ [3].
Đối với các hạt nhân ở cuối bảng hệ thống tuần hoàn, 7 ví dụ như 232Th, 235U, 238U có số khối lớn hơn so với 209 đều là hạt nhân phóng xạ. Chúng phải trải qua chuỗi các phân rã α và phân rã β liên tiếp để trở về các hạt nhân chì bền là 208Pb, 207Pb và 206Pb tương ứng. Chuỗi phân rã phóng xạ 232Th Đồng vị 232Th chiếm 100% Thorium tự nhiên, nó có chu kỳ bán rã là 1.10 10 năm, vô cùng lớn so với các đồng vị phóng xạ trong dãy. Dãy phóng xạ 232Th được bắt đầu từ đồng vị 232Th phân rã alpha, trải qua chuỗi phân rã alpha và beta và được kết thúc bằng đồng vị 208Pb bền.2 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị 232Th.
Số khối của các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 232Th là A 4 n với n là số nguyên biến đổi từ 52 đến 58. Ngoài ra, ta thấy 228Ac có chu kỳ bán rã là 6,1 phút, rất nhỏ so với chu kỳ bán rã của 232Th, do đó đồng vị 228Ac luôn cân bằng phóng xạ với 232Th.2: Chuỗi phân rã của đồng vị phóng xạ 232Th 1. Chuỗi phân rã phóng xạ 235U Hạt nhân 235U có chu kỳ bán rã 7,04.108 năm, vô cùng lớn so với các đồng vị phóng xạ trong dãy. Dãy phóng xạ 235U được bắt đầu từ 235U phân rã alpha, trải qua 8 các chuỗi phân rã alpha và beta và được kết thúc bằng đồng vị 207Pb bền.3 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị 235U.
Số khối của các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 235U là A 4 n 3 với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 58. Khi 235U phân rã về hạt nhân con sẽ phát ra 4 bức xạ có năng lượng lần lượt là 143,76 keV; 163,33 keV; 185,75 keV và 205,31 keV. Thông thường, khi phân tích đồng vị 235U, người ta thường sử dụng các bức xạ cho chính 235U phát ra để xác định hoạt độ của 235U.3: Chuỗi phân rã của đồng vị phóng xạ 235U 1. Chuỗi phân rã phóng xạ 238U.
Trong tự nhiên, đồng vị 238U chiếm 99,27 %, nồng độ hoạt độ phóng xạ của 235 U bằng 0,046 lần nồng độ hoạt độ phóng xạ của 238U [4], nó có chu kỳ bán rã là 4,5.109 năm, vô cùng lớn so với các đồng vị phóng xạ trong dãy. Dãy phóng xạ 238U được bắt đầu từ đồng vị phóng xạ 238U phân rã alpha, trải qua chuỗi phân rã alpha và beta, kết thúc bằng đồng vị 206Pb bền.4 mô tả chuỗi phân rã của đồng vị 238 U. Số khối của các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 238U là A 4 n 2 , với n biến đổi từ 51 đến 59.4: Chuỗi phân rã của đồng vị phóng xạ 238U 1. Đồng vị phóng xạ 137Cs 137 Cs là một đồng vị phóng xạ nhân tạo được hình thành từ phản ứng phân hạch hạt nhân của 235U và các đồng vị khác trong lò phản ứng hạt nhân hay từ các vụ thử vũ khí hạt nhân.
Nó có chu kỳ bán rã là 30,17 năm và dễ dàng phát tán trong tự nhiên bởi tính tan cao trong nước và các hợp chất hóa học. Sơ đồ phân rã của 137Cs được đưa ra trên Hình 1.5: Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ 137Cs [30] 10 1. Phân rã gamma Khi hạt nhân từ mức năng lượng cao nhảy về mức năng lượng thấp hơn, thực chất là nucleon từ mức năng lượng cao nhảy vào lấp lỗ trống ở mức dưới bằng cách giải phóng năng lượng còn dư dưới dạng bức xạ điện từ, còn gọi là bức xạ . 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 bởi công thức sau: E E 2 E1 (1.1) Do các mức năng lượng của hạt nhân là gián đoạn nên bức xạ γ do mỗi hạt nhân phát ra có năng lượng E hoàn toàn xác định.
Mỗi đồng vị phóng xạ khi phân rã sẽ phát ra một số bức xạ γ có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng cho đồng vị phóng xạ đó. Khi hạt nhân từ trạng thái kích thích cao giải phóng năng lượng để trở về trạng thái có năng lượng thấp hơn và cuối cùng là trạng thái cơ bản. Để đặc trưng cho xác suất xảy ra hiện tượng phát bức xạ , trong thực nghiệm sử dụng khái niệm là cường độ bức xạ . Hệ số phân nhánh hay cường độ bức xạ gamma, ký hiệu là I là xác suất phát ra bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng E trong mỗi phân rã của hạt nhân mẹ.
Hệ số phân nhánh của gamma có năng lượng đặc trưng E được tính theo công thức: N I (1.2) N pr trong đó, N là số bức xạ gamma có năng lượng E được phát ra, còn N pr là số phân rã của hạt nhân mẹ trong cùng một khoảng thời gian.2: Các đặc trưng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên và đồng vị phóng xạ nhân tạo 137Cs [3, 33] Năng lượng bức xạ Hệ số phân nhánh Đồng vị mẹ Chu kỳ bán rã E (keV) I (%) 185,75 57,2 ± 08 143,76 10,96 ± 0,08 235 U 7,07.