chương 1, chúng tôi trình bày nguồn gốc về các chuỗi phóng xạ có trong tự nhiên, các đại lượng mô tả tương tác bức xạ với vật chất cũng như trình bày đại lượng tính suất liều cho detector NaI(Tl) 7, 6 cm × 7, 6 cm.1 Giới thiệu về phóng xạ môi trường tự nhiên 1.1 Nguồn gốc phóng xạ môi trường tự nhiên Phóng xạ môi trường luôn tồn tại xung quanh chúng ta, kể từ khi Trái Đất được hình thành và phát triển sự sống. Mọi cá thể sống trên Trái Đất đều tiếp xúc với các nguồn phóng xạ. Phóng xạ môi trường có nguồn gốc từ các (1) nguồn phóng xạ tự nhiên như bức xạ vũ trụ, đồng vị phóng xạ tồn tại trên Trái Đất, và (2) từ nguồn phóng xạ nhân tạo như trong các lò phản ứng hạt nhân, các vụ thử hạt nhân, nhà máy công nghiệp chiếu xạ, y tế (xạ trị, chẩn đoán). Nguồn phóng xạ tự nhiên là các chất đồng vị phóng xạ có trong đất, nước và không khí, chúng hình thành nên nền phông phóng xạ tự nhiên.
Phóng xạ tự nhiên là nhân tố đóng góp chủ yếu trong phóng xạ môi trường. Phông phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng chất phóng xạ tự nhiên chứa trong đất và nước của từng vùng, vì vậy sẽ có vùng có phông phóng xạ tự nhiên cao hoặc thấp khác nhau. Phóng xạ tự nhiên có trong đất do sự tồn tại từ các chuỗi phóng xạ Actinium (U-235), Uranium (U-238), Thorium (Th-232) cũng như các đồng vị phóng xạ khác (K-40). Hoạt độ của 3 các đồng vị phóng xạ này trong đất đá có thể thay đổi khác nhau, mức phóng xạ trong đất phụ thuộc vào loại đất, sự tạo thành khoáng sản và mật độ khoáng sản.
Mức chiếu xạ này có liều trung bình trong một năm khoảng 0, 45 mSv [3]. Nước biển trong các đại dương có chứa Kali, Rubidi, Urani, Thori và Radi do tách ra từ đất, đá rồi trôi theo dòng nước, hàm lượng của chúng trong nước nhỏ hơn trong đất 10 đến 100 lần. Chất phóng xạ trong nước chủ yếu là do K-40 vì nồng độ của nó cao hơn nhiều so với các đồng vị khác, chúng gây chiếu xạ lên cơ thể với suất liều trung bình trong một năm đạt 0, 25 mSv [3]. Trong vật liệu xây dựng cũng chứa các đồng vị phóng xạ, thông thường phần lớn là các đồng vị phóng xạ tự nhiên.
Thành phần phổ biến trong bê tông là K-40 và các sản phẩm của chuỗi phân rã Uranium, Thorium. Một số vật liệu xây dựng, ví dụ: xi măng, bê tông, đá hoa cương, đá cẩm thạch đều có chứa một lượng Radon nhất định. Các vật liệu được gia công từ phế liệu công nghiệp như xỉ lò cao, bột tro từ nhà máy nhiệt điện đều có chứa Radi, sau khi Radi phân rã sẽ sinh ra khí Radon.2 Các chuỗi đồng vị phóng xạ tự nhiên Actinium, Uranium, Tho- rium Khoảng 76 đồng vị phóng xạ tự nhiên khác nhau được biết đến ngày nay, phần lớn nằm trong 4 chuỗi phân rã tự nhiên [4], đó là chuỗi Thorium (Th-232 với chu kỳ bán rã là 1, 405 × 1010 năm), chuỗi Uranium (U-238 với chu kỳ bán rã là 4, 468 × 109 năm), chuỗi Actinium (U- 235 với chu kỳ bán rã là 7, 038 × 108 năm), chuỗi Neptunium (Np-237 với chu kỳ bán rã là 2, 14 × 106 năm). Chuỗi Np-237 có thời gian sống ngắn hơn rất nhiều so với tuổi của Trái Đất, nên đến nay chuỗi Np-237 không còn tồn tại nữa.
Trong quá trình phân rã phóng xạ, các đồng vị phóng xạ nói trên (đồng vị mẹ) phát ra (một hoặc đồng thời) 3 loại tia phóng xạ: alpha, beta và gamma, tạo ra các đồng vị phóng xạ con cháu. Một số sản phẩm phân rã trung gian trong chuỗi là nguồn phát tia gamma. Các thành phần chính thể hiện trạng thái cân bằng cường độ bức xạ của tia gamma cho mỗi phân rã của hạt nhân mẹ [5]. 4 Trong đất và thực vật, một số đồng vị phóng xạ khác có mặt với thời gian bán rã rất dài và không có trong các chuỗi phân rã.
Đồng vị quan trọng nhất là đồng vị phóng xạ K-40 trong đất và cây cối. Tỷ lệ K−40 K = 0, 012 % là hằng số. Sự phân bố của đồng vị này khá đồng nhất. a Chuỗi phóng xạ Actinium (U-235) Hình 1.1: Dãy phân rã phóng xạ Actinium [6].
Xuất phát từ đồng vị U-235, trải qua 11 lần phân rã để cuối cùng thành đồng vị chì bền vững Pb-207 (có độ phổ cập là 22, 1%).1 trình bày về sơ đồ phân rã của chuỗi U-235. Trong chuỗi U-235 có quá trình phân rã tạo ra khí trơ Rn-219 có chu kỳ bán rã 3, 96 giây quá ngắn để vào trong khí quyển và cũng là lí do không khảo sát đồng vị này trong môi trường không khí xung quanh.1 trình bày về các sản phẩm phân rã, cũng như thời gian bán rã của chuỗi U-235.1: Chuỗi phân rã phóng xạ Actinium [6]. Đồng vị Thời gian Năng lượng Phân rã Sản phẩm phóng xạ bán rã (MeV) U-235 α 7, 038 × 108 năm 4, 679 Th-231 β − (99, 999999%) 0, 389 Pa-231 Th-231 25, 52 giờ α (0, 000001%) 0, 389 Ra-227 Pa-231 α 32760 năm 5, 149 Ac-227 Ra-227 α 42, 2 phút 1, 325 Rn-223 β − (98, 62%) 0, 045 Th-227 Ac-227 21, 773 năm α (1, 38%) 5, 042 Fr-223 Th-227 α 18, 72 năm 6, 146 Ra-223 Rn-223 β− 23, 2 phút 1, 000 Fr-223 β − (99, 994%) 1, 149 Ra-223 Fr-223 22, 0 phút α (0, 006%) 5, 430 At-219 Ra-223 α 11, 435 ngày 5, 979 Rn-219 α (0, 006%) 1, 149 Ra-223 At-219 22, 0 phút β − (99, 994%) 5, 430 At-219 Rn-219 α 3, 96 giây 6, 946 Po-215 Bi-215 β− 3, 96 giây 6, 946 Po-215 α (99, 999977%) 7, 526 Pb-211 Po-215 1, 781 × 10−3 giây β − (0, 000023%) 0, 721 At-215 At-215 α 0, 1 × 10−3 giây 8, 178 Bi-211 Pb-211 β− 36, 1 phút 1, 373 Bi-211 α (99, 72%) 0, 579 Tl-207 Bi-211 2, 14 phút β − (0, 28%) 6, 751 Po-211 xem trang tiếp theo 6 Bảng 1.1: Chuỗi phân rã phóng xạ Actinium [6]. Đồng vị Thời gian Năng lượng Phân rã Sản phẩm phóng xạ bán rã (MeV) Po-211 α 0, 516 giây 7, 595 Pb-207 Tl-207 β− 4, 77 phút 14, 230 Pb-207 Pb-207 bền b Chuỗi phóng xạ Uranium (U-238) Hình 1.2: Dãy phân rã phóng xạ Uranium [6].
Đồng vị phóng xạ U-238 được tìm thấy trong hầu hết các loại đá, đất và vật liệu xây dựng, trải qua 14 lần dịch chuyển, thành đồng vị chì bền vững Pb-206 (có độ phổ cập là 24, 1 %).2 là sơ đồ phân rã của chuỗi U-238. Ngày nay tỉ lệ U−238 ≈ 0, 72 %.2 trình bày các sản phẩm phân rã cũng như chu kỳ bán rã có trong chuỗi U-238. 7 Chuỗi phóng xạ Uranium đáng chú ý nhất là đồng vị Ra-226 và khí Rn-222 được sinh ra. Nguyên tố Ra-226 trong môi trường không tồn tại dưới dạng khoáng chất riêng lẻ mà tồn tại ở dạng muối clorua, bromua, nitrat dễ hòa tan trong nước hoặc một số muối ít tan kết hợp với các khoáng chất khác như canxicacbonat, oxit sắt ngậm nước.
Đồng vị Ra-226, phát ra nhiều bức xạ gamma, chiếm 85, 5% bức xạ gamma của cả dãy. Trong dãy này có khí Rn-222, khi U-238 phân rã trong đất khí Rn-222 được sinh ra ngưng đọng thành chất lỏng dưới bề mặt đất, khi chất lỏng ở bề mặt đất bốc hơi vào khí quyển, Rn-222 sẽ khuếch tán vào bầu khí quyển, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người.2: Chuỗi phân rã phóng xạ Uranium [6]. Đồng vị Thời gian Năng lượng Phân rã Sản phẩm phóng xạ bán rã (MeV) U-238 α 4, 468 × 109 năm 4, 270 Th-234 Th-234 β− 24, 10 ngày 0, 273 Pa-234 Pa-234 β− 6, 7 giờ 2, 197 U-234 U-234 α 245500 năm 4, 859 Th-230 Th-230 α 75380 năm 4, 770 Ra-226 Ra-226 α 1602 năm 4, 871 Rn-222 Rn-222 α 3, 8235 ngày 5, 590 Po-218 α (99, 98%) 6, 615 Pb-214 Po-218 3, 1 phút β − (0, 02%) 0, 265 At-218 α (99, 90%) 6, 874 Bi-214 At-218 1, 5 giây β − (0, 10%) 2, 883 Rn-218 Rn-218 α 35 × 10−3 giây 7, 263 Po-214 Pb-214 β− 26, 8 phút 1, 024 Bi-214 xem trang tiếp theo 8 Bảng 1.2: Chuỗi phân rã phóng xạ Uranium [6]. Đồng vị Thời gian Năng lượng Phân rã Sản phẩm phóng xạ bán rã (MeV) β − (99, 98%) 3, 272 Po-214 Bi-214 19, 9 giây α (0, 02%) 5, 617 Tl-210 Po-214 α 0, 1643 × 10−3 giây 7, 883 Pb-210 Tl-210 β− 1, 3 phút 5, 484 Pb-210 Pb-210 β− 22, 3 năm 0, 064 Bi-210 β − (99, 99987%) 1, 426 Po-210 Bi-210 5, 013 ngày α (0, 00013%) 5, 982 Tl-206 Po-210 α 138, 376 ngày 5, 407 Pb-206 Tl-206 β− 4, 199 phút 1, 533 Pb-206 Pb-206 bền c Chuỗi phóng xạ Thorium (Th-232) Xuất phát là hạt nhân Th-232 (có độ phổ cập là 100%) trong tự nhiên, trải qua 10 lần dịch chuyển, trở thành đồng vị bền vững Pb-208 (có độ phổ cập là 52, 4%).3 là sơ đồ chuỗi phân rã của Th-232.
Thori phân tán rộng trên vỏ Trái Đất, hàm lượng trung bình của Thori lớp trên cùng của vỏ Trái Đất khoảng 1, 2 × 10−5 %. Hàm lượng Thori có xu hướng tăng dần trong các lớp bề mặt. Đó là do các khoáng chất chứa Thori có độ hòa tan cực kỳ thấp. Do đó, kết quả theo sau các quá trình phong hóa là các thành phần khác nhau của đất bị phân hủy ở mức độ rất lớn trong khi các khoáng chất Thori phân hủy ở mức độ thấp hơn, vì vậy mà Thori ở các lớp bề mặt được làm giàu.
Nên Thori được tìm thấy trong hầu hết các loại đất, đá, vật liệu xây dựng, bê tông và gạch.3 trình bày về các sản phẩm phân rã cũng như thời gian bán rã có trong chuỗi Th-232.3: Dãy phân rã phóng xạ Thorium [6].3: Chuỗi phân rã phóng xạ Thorium [6]. Đồng vị Thời gian Năng lượng Phân rã Sản phẩm phóng xạ bán rã (MeV) Th-232 α 1, 405 × 1010 năm 4, 083 Ra-228 Ra-228 β− 6, 7 năm 1, 325 Ac-228 Ac-228 β− 6, 15 giờ 2, 127 Th-228 Th-228 α 1, 9131 năm 5, 520 Ra-224 Ra-224 α 3, 66 ngày 5, 789 Rn-220 Rn-220 α 55, 6 giây 6, 405 Po-216 Po-216 α 0, 145 giây 6, 906 Pb-212 Pb-212 β− 10, 64 giờ 7, 263 Bi-212 xem trang tiếp theo 10 Bảng 1.3: Chuỗi phân rã phóng xạ Thorium [6]. Đồng vị Thời gian Năng lượng Phân rã Sản phẩm phóng xạ bán rã (MeV) β− 2, 254 Po-212 Bi-212 60, 55 phút α 6, 207 Tl-208 Po-212 α 2, 99 × 10−7 giây 8, 954 Pb-208 Tl-208 β− 3, 083 phút 5, 001 Pb-208 Pb-208 bền 1.