TIỂU LUẬN PHƯƠNG PHÁP GHI đo bức xạ đề tài ĐỒNG vị PHÓNG xạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH TIỂU LUẬN PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO BỨC XẠ ĐỀ TÀI: ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ GVHD : TS TRẦN QUỐC DŨNG Học viên : ĐẶNG SA LY Chuyên ngành : Vật lý nguyên tử K22 Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Cũng giống Bảng Hệ Thống Tuần Hoàn, Bảng Các Đồng Vị Phóng Xạ hình thức thuận tiện để trình bày số lượng lớn thông tin khoa học theo lối có tổ chức Hình Một phần nhỏ bảng đồng vị phóng xạ điển hình LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.1 BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ Một bảng đồng vị phóng xạ liệt kê thông tin đồng vị bền đồng vị khơng bền Hình phần nhỏ bảng đồng vị phóng xạ điển hình Bảng vẽ cho đồng vị phóng xạ riêng biệt, với số proton (Z) theo trục đứng số neutron (N = A – Z) theo trục ngang Hình vng màu xám biểu thị đồng vị bền Các hình vng màu trắng biểu thị phóng xạ nhân tạo, nghĩa chúng sản xuất theo kỹ thuật nhân tạo không tự nhiên xuất Bằng cách tra cứu bảng hồn chỉnh, ta tìm thấy loại đồng vị khác, chẳng hạng loại đồng vị xuất tự nhiên (nhưng đồng vị tìm thấy vùng bảng hình 3) Các nằm bên trái hàng ngang bảng thông tin chung ngun tố Mỗi chứa ký hiệu hóa học nguyên tố kèm theo nguyên tử khối trung bình chất phóng xạ xuất tự nhiên tiết diện hấp thụ neutron nhiệt trung bình Các đồng vị (các nguyên tố có số Z khác số A) nguyên tố liệt kê phía bên phải 1.2 THƠNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ BỀN Đối với đồng vị bền, kèm với ký hiệu số nguyên tử khối phần trăm đồng vị xuất tự nhiên tiết diện hấp thụ neutron nhiệt khối lượng theo đơn vị amu Hình khối điển hình đồng vị bền từ bảng đồng vị phóng xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.3 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ KHÔNG BỀN Đối với đồng vị khơng bền, ngồi thơng tin cịn có thơng tin thời gian bán rã, loại phân rã (ví dụ phân rã β- , α, ), lượng phân rã tổng cộng theo đơn vị MeV khối lượng theo đơn vị amu Hình khối điển hình đồng vị khơng bền từ bảng đồng vị phóng xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.4 TỈ SỐ NEUTRON – PROTON Hình cho thấy phân bố đồng vị bền biểu diễn trục bảng đồng vị phóng xạ Khi số khối tăng tỉ số số neutron số proton tăng theo Ví dụ Helium-4(2 proton neutron) Oxygen-16(8 proton neutron) tỉ số 1; Indium-115(49 proton 66 neutron) tỉ số tăng lên 1,35; Uranium-238(92 proton 146 neutron) tỉ số 1,59 Nếu hạt nhân nặng bị tách thành hai phần, phần tạo thành hạt nhân con, có tỉ số số neutron số proton xấp sĩ tỉ số hạt nhân mẹ Các hạt nhân có tỉ số số neutron proton cao nằm phía phải đường biểu diễn hạt nhân bền biểu diễn Hình Tính khơng bền hạt nhân số neutron lớn, khơng bền nói chung điều chỉnh liên tiếp phát xạ beta- β, phát xạ β neutron chuyển thành proton chuyển hạt nhân đến tỉ số số neutron số proton bền LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.5 ĐỘ PHONG PHÚ TRONG TỰ NHIÊN CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Độ nhiều tương đối đồng vị tự nhiên so với đồng vị khác nguyên tố thường khơng đổi Bảng đồng vị phóng xạ biểu diễn độ nhiều tương đối xuất tự nhiên đồng vị nguyên tố theo đơn vị phần trăm nguyên tử Phần trăm nguyên tử tỉ lệ phần trăm nguyên tử loại đồng vị nguyên tố Phần trăm nguyên tử viết gọn a/o Ví dụ độ nhiều đồng vị đồng vị oxygen-18 0,20%, giả sử cốc nước chứa 8,23 x 1024 nguyên tử oxygen có 1,65 x 1024 ngun tử đồng vị oxygen-18 cốc nước Khối lượng nguyên tử nguyên tố định nghĩa khối lượng nguyên tử trung bình đồng vị nguyên tố Khối lượng nguyên tử nguyên tố tính cách lấy tổng tích độ nhiều đồng vị đồng vị với khối lượng ngun tử đồng vị Ví dụ: Tính khối lượng nguyên tử nguyên tố lithium biết lithium có hai đồng vị lithium-6 có độ nhiều nguyên tử 7,5% khối lượng nguyên tử 6,015122 amu lithium-7 có độ nhiều nguyên tử 92,5% khối lượng nguyên tử 7,016003 amu Giải: Khối lượng nguyên tử Lithium = (0,075)(6,015122 amu) + (0,925)(7,016003 amu) = 6,9409 amu Một đại lượng đo khác độ nhiều đồng vị phần trăm khối lượng (w/o) Phần trăm khối lượng phần trăm khối lượng đồng vị riêng biệt Ví dụ mẫu vật liệu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chứa 100 kg uranium thành phần uranium-235 có phần trăm khối lượng 28 w/o có nghĩa có 28 kg đồng vị uranium-235 QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM 2.1 URANIUM GIÀU Uranium khai thác từ đất có chứa đồng vị uranium-238, uranium-235 uranium-234 Trong uranium-238 tự nhiên chiếm nhiều (99,2745%), phần lại chủ yếu uranium-235 (0,7200%) số lượng nhỏ uranium-234 Mặc dù tất đồng vị uranium có chung tính chất hóa học, đồng vị lại có tính chất thuộc hạt nhân khác đáng kể Đồng vị uranium235 thường nguyên liệu dùng nhà máy điện hạt nhân để tạo điện hạt nhân; chế tạo vũ khí hạt nhân Q trình làm giàu uranium tạo uranium giàu Uranium giàu uranium đồng vị uranium-235 có nồng độ cao giá trị nồng độ có tự nhiên Q trình làm giàu dẫn đến sản phẩm phụ uranium nghèo Uranium nghèo uranium đồng vị uranium-235 có nồng độ thấp giá trị nồng độ có tự nhiên Mặc dù uranium nghèo xem sản phẩm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phụ trình làm giàu, thực có giá trị lĩnh vực hạt nhân công nghiệp thương mại quốc phịng 2.2 Q TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM Vì tính chất thương mại quốc phịng quốc gia đòi hỏi làm giàu uranium U235 làm giàu phương pháp tách đồng vị 2.2.1 KHUẾCH TÁN KHÍ Quy trình làm giàu uranium phương pháp khuếch tán khí, bên thiết bị, khí uranium-6-flour(UF6) đưa chậm vào đường ống dẫn, UF6 bơm qua lọc đặc biệt gọi “barrier” (còn gọi màng tổ ong – Porous Membrane) Các lỗ trống barrier nhỏ để phân tử khí UF6 qua Q trình làm giàu xảy mà phân tử khí UF6 nhẹ hơn(chứa nguyên tử U234 U235) tiến tới khuếch tán qua barrier nhanh phân tử khí UF6 nặng chứa U238 Q trình khuếch tán khí sử dụng phương pháp khuếch tán phân tử để tách loại khí khỏi Dĩ hai nhiên Sự cầntách hàng trăm barrierthực xếp hỗn hợp loạilàkhí đồng vị theo cách khuếch lớp cho tán đếnUranium khí UF (trong khíđủ chứa UF6 ) qua “màng tổ ong” nhờ vào tính khác vận tốc phân tử hai đồng vị LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com U235 cần sử dụng lị phản ứng Ở phần cuối q trình UF6 giàu lấy khỏi ống dẫn ngưng tụ thành dạng lỏng rót vào thùng chứa 2.2.2 LI TÂM KHÍ Q trình làm giàu uranium phương pháp li tâm sử dụng số lượng lớn xi-lanh quay, xếp thành dãy nối tiếp Trong q trình này, khí UF6 đưa vào xi-lanh quay tốc độ cao Sự quay tạo lực li tâm mạnh phân tử khí nặng(chứa U238) chuyển động phía ngồi xi-lanh phân tử khí nhẹ(chứa U235) tập trung vào gần tâm Dòng uranium giàu lấy tiếp tục đưa vào tầng cao kế tiếp, dịng uranium nghèo tái sử dụng đưa xuống tầng thấp Quá trình xảy cho lượng uranium giàu đáng kể 2.2.3 LASER PHÂN TÁCH Sự tách đồng vị uranium đạt dựa nguyên lý quang kích thích (kích thích phân tử sử dụng ánh sáng laser) Kỹ thuật có tên AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation) Nói chung, q trình làm giàu sử dụng ba hệ thống chính, hệ thống laser, hệ thống quang học, hệ thống module phân tách Laser điều hưởng phát triển để bắn xạ đơn sắc (ánh sáng màu) Các mẫu đồng vị chịu ảnh hưởng tia laser đơn sắc sau bị biến đổi lý tính hóa tính, mà điều làm cho ngun liệu có khả phân tách AVLIS sử dụng hợp kim U-Fe SILEX MLIS sử dụng UF6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỘ HỤT KHỐI NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Hai định luật riêng biệt định luật bảo toàn khối lượng định luật bảo tồn lượng khơng áp dụng chặt chẽ phạm vi hạt nhân Có thể chuyển đổi khối lượng lượng (E = mc2) Thay hai định luật bảo tồn riêng biệt định luật bảo toàn chung phát biểu tổng khối lượng lượng bảo tồn Khối lượng khơng tự nhiên xuất Sự giảm xuống khối lượng kéo theo tăng lên tương ứng lượng ngược lại 3.1 ĐỘ HỤT KHỐI Các phép đo cẩn thận khối lượng nguyên tử riêng biệt nhẹ tổng khối lượng neutron, proton electron riêng lẻ cấu tạo nên nguyên tử Sự sai khác khối lượng nhỏ Sự khác khối lượng nguyên tử tổng khối lượng phần gọi độ hụt khối (∆m) Độ hụt khối tính theo phương trình (1 – 1) Việc tính tốn độ hụt khối cần ý đến độ xác phép đo khối lượng khác khối lượng nhỏ so với khối lượng nguyên tử Việc làm tròn số khối lượng nguyên tử hạt ba bốn chữ số ảnh hưởng quan trọng đến kết tính tốn độ hụt khối ∆m = [Z(mp + me) + (A – Z)mn] – matom Trong ∆m: độ hụt khối (amu) mp : khối lượng proton (1,007277 amu) mn : khối lượng neutron (1,008665 amu) me : khối lượng electron (0,000548597 amu) matom : khối lượng hạt nhân ஺௓ܺ (amu) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Z : số proton N : số neutron Ví dụ: Tính độ hụt khối Lithium-7 biết khối lượng lithium-7 7,016003 amu Giải: 3.2 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Độ mát khối lượng, hay độ hụt khối chuyển đổi khối lượng thành lượng liên kết hạt nhân tạo thành Năng lượng liên kết định nghĩa lượng lượng cần cung cấp cho hạt nhân để tách toàn hạt thuộc hạt nhân hạt nhân (các nucleon) Ta hiểu lượng lượng giải phóng hạt nhân tạo thành từ hạt riêng biệt Năng lượng liên kết lượng tương đương với độ hụt khối Vì độ hụt khối chuyển thành lượng liên kết hạt nhân tạo thành nên ta tính lượng liên kết sử dụng hệ số chuyển đổi nhận từ mối liên hệ khối lượng – lượng từ Thuyết Tương Đối Einsteins Phương trình tiếng Einsteins mối liên hệ khối lượng – lượng E = mc2 c vận tốc ánh sáng ( c = 2,998x103m/s) Năng lượng tương đương với đơn vị nguyên tử khối (1 amu) tihs cách dùng phương trình Eisteins hệ số chuyển đổi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vì đơn vị khối lượng nguyên tử tương đương với lượng 931.5MeV nên lượng liên kết tính theo phương trình (1 – 2) Ví dụ: Tính độ hụt khối lượng liên kết Uranium-235, biết khối lượng nguyên tử Uranium-235 235,043924 amu Giải: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.3 CÁC MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA HẠT NHÂN Các nucleon hạt nhân nguyên tử giống electron quay quanh hạt nhân, tồn lớp tương ứng với trạng thái lượng Các lớp lượng hạt nhân định nghĩa hiểu rõ ràng lớp lượng electron Một hạt nhân có trạng thái ứng với mức lượng thấp gọi trạng thái trạng thái kích thích riêng biệt (rời rạc, gián đoạn) Các trạng thái lượng gián đoạn electron nguyên tử đo đơn vị eV KeV, mức lượng hạt nhân lớn nhiều thường đo đơn vị MeV Một hạt nhân trạng thái kích thích khơng giữ mức lượng thời gian vơ hạn Giống electron nguyên tử bị kích thích, nucleon hạt nhân bị kích thích chuyển sang trạng thái có mức lượng thấp lúc phát chùm xạ điện từ gián đoạn, gọi tia gamma (γ) Sự khác chùm tia X chùm tia γ mức lượng chúng chúng phát từ lớp vỏ điện tử hay từ hạt nhân Trạng thái trạng thái kích thích hạt nhân miêu tả sơ đồ mức lượng hạt nhân Sơ đồ mức lượng hạt nhân bao gồm ngang xếp lên Mỗi trạng thái kích thích ứng với Khoảng cách theo chiều dọc biểu diễn trạng thái kích thích biểu diễn trạng thái tương ứng với mức lượng trạng thái kích thích trạng thái Sự khác lượng trạng thái kích thích trạng thái gọi lượng kích thích trạng thái kích thích tương ứng Trạng thái đồng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vị phóng xạ có lượng kích thích Các lượng kích thích gán nhãn với mức lượng tương ứng Hình sơ đồ mức lượng nickel-60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... bảng đồng vị phóng xạ điển hình LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.1 BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Một bảng đồng vị phóng xạ liệt kê thơng tin đồng vị bền đồng vị không bền... NHIÊN CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Độ nhiều tương đối đồng vị tự nhiên so với đồng vị khác nguyên tố thường không đổi Bảng đồng vị phóng xạ biểu diễn độ nhiều tương đối xuất tự nhiên đồng vị nguyên tố... lượng theo đơn vị amu Hình khối điển hình đồng vị bền từ bảng đồng vị phóng xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.3 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ KHƠNG BỀN Đối với đồng vị khơng bền,