phóng xạ và những điều có thể bạn chưa biết
0 Trêng THPT Gio Linh SỞ GIÁ O DỤC VÀ ĐÀO TẠO QUẢNG TRỊ TRƯỜNG THPT GIO LINH - - SÁNG KIẾN-KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI PHÓNG XẠ VÀ NHỮNG ĐIỀU CÓ THỂ BẠN CHƯA BIẾT TRẦN TRUNG TUYN GIO LINH, THNG 5/2012 Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến Trường THPT Gio Linh MỤC LỤC Trang A ĐẶT VẤN ĐỀ I Thực trạng vấn đề II Nhiệm vụ phương pháp nghiên cứu II.1.Nhiệm vụ .2 II.2.Phương pháp III Phạm vi đề tài B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I Lược sử phát tượng phóng xạ II Cơ sở lí luận .4 II.1 Hiện tượng phóng xạ II.2 Định luật phóng xạ .4 II.3 Độ phóng xạ .4 III Những ứng dụng tượng phóng xạ III.1.Xác định tuổi cổ vật III.2 Đồng vị phóng xạ nhân tạo Phương pháp nguyên tử đánh dấu III.3 Một vài ứng dụng khác đồng vị phóng xạ .8 IV Ảnh hưởng đồng vị phóng xạ mơi trường C KẾT LUẬN 13 Phãng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung TuyÕn Trêng THPT Gio Linh A ĐẶT VẤN ĐỀ I Thực trạng vấn đề Vật lí hạt nhân nói chung tượng phóng xạ nói riêng phần mẻ khó học sinh THPT Hiện tượng phóng xạ phát từ năm cuối kỉ XIX, đầu kỉ XX, có nhiều ứng dụng thực tiễn sống, mang lại lợi ích to lớn cho người, nhiên, ảnh hưởng tiêu cực môi trường sống người không nhỏ Việc tìm hiểu tượng phóng xạ khơng giúp cho học sinh nắm kiến thức bản, biết ứng dụng quan trọng tượng mà giáo dục em ý thức bảo vệ mơi trường sống Với ý nghĩa tơi chọn nghiên cứu đề tài : "PHÓNG XẠ VÀ NHỮNG ĐIỀU CÓ THỂ BẠN CHƯ A BIẾT" II Nhiệm vụ phương pháp nghiên cứu II.1.Nhiệm vụ Nhiệm vụ đề tài tìm hiểu tượng phóng xạ nhằm giúp học sinh nắm rõ lịch sử phát triển, ứng dụng tượng đồng thời giúp học sinh thấy ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống Qua giúp em nắm bắt kiến thức cách hệ thống đầy đủ II.2.Phương pháp Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề sau: -Tìm hiều kiến thức tượng phóng xạ -Những ứng dụng tượng phóng xạ loại tập liên quan -Lồng ghép giáo dục bảo vệ môi trường cho học sinh thông qua lịch sử phát triển lượng hạt nhân III Phạm vi đề tài Nghiên cứu tượng phóng xạ v ng dng Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến Trường THPT Gio Linh B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I Lược sử phát tượng phóng xạ Năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel tình cờ phát chất uranium phát loại xạ khơng nhìn thấy làm đen kính ảnh xuyên qua vật mà tia sáng thường không qua được, ông gọi tượng tượng phóng xạ xạ phát tia phóng xạ Sau đó, vào năm 1898, ơng bà Pierre Curie Marie Curie phát chất phóng xạ polonium radium Henri Becquerel (1852 – 1908) Marie Curie(1867-1934) chồng Pierre Curie(1859 - 1906) phịng thí nghiệm Năm 1903, ba nhà khoa học nhận giải Nobel Vật lý cho nghiên cứu xạ nói trên, Marie Curie người phụ nữ nhận giải Tám năm sau (năm 1911), bà nhận giải Nobel hóa học cho việc khám phá hai nguyên tố hóa học radium polonium q trình nghiên cứu chất phóng xạ trước Có thể nói nghiên cứu làm thay đổi giới Ngày người ta tìm khoảng 25 đồng vị phóng xạ tự nhiên khoảng 100 đồng vị phóng xạ nhân tạo ứng dụng nhiều lĩnh vực khỏc Phóng xạ & Những điều bạn cha biÕt TrÇn Trung TuyÕn Trêng THPT Gio Linh II Cơ sở lí luận II.1 Hiện tượng phóng xạ II.1.1 Định nghĩa Phóng xạ tượng hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác II.1.2.Các dạng phóng xạ -Phóng xạ α: +Tia α có chất chùm hạt nhân 24 He -Phóng xạ β+, β-: +Tia β- có chất chùm hạt electron( 1 e ) +Tia β+ có chất chùm hạt pozitron( 0 e ) -Phóng xạ γ: +Tia γ có chất sóng điện từ có bước sóng ngắn chùm photon có lượng lớn II.2 Định luật phóng xạ II.2.1.Nội dung: Trong q trình phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ giảm dần theo thời gian theo quy luật hàm số mũ II.2.2.Biểu thức: N N e t Trong đó: m N0 m m0 e t x0 x hay e e +N0, m0 số nguyên tử, khối lượng chất phóng xạ ban đầu + Hằng số phóng xạ: ln 0,693 ; T chu kỳ bán rã T T + x = t/T ( T khơng phụ thuộc vào tác động bên ngồi mà phụ thuộc chất bên chất phóng xạ) II.3 Độ phóng xạ Là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu lượng chất phóng xạ, H dN ' N (t ) dt H H e t N +Ho = No độ phóng xạ ban đầu +Đơn vị: +Becơren (Bq); 1Bq = phân ró/giõy +Curi (Ci); Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết Ci = 3,7.1010 Bq Trần Trung TuyÕn Trêng THPT Gio Linh *Lưu ý: Khi tính độ phóng xạ H, H0 (Bq) chu kỳ phóng xạ T phải đổi đơn vị giây(s) III Những ứng dụng tượng phóng xạ III.1.Xác định tuổi cổ vật III.1.1.Dựa vào tỉ số khối lượng (hay số nguyên tử) lại khối lượng (hay số nguyên tử) ban đầu lượng chất phóng xạ có mẫu vật N N e t => Hay +Ví dụ: Chất 226 88 N = e t => t = N0 m = e t => t = m0 N0 N ln T ln m0 m ln T ln Ra phóng xạ α với chu kì bán rã 1570 năm Giả sử ban đầu có lương Ra226 nguyên chất Hỏi sau khối lượng Ra lại 1/3 khối lượng Ra ban đầu? Giải Ta có m0 = 3m m0 m = T ln ≈ 2488 năm ln ln T ln Áp dụng kết ta có: t = III.1.2.Dựa vào tỉ số khối lượng( hay số nguyên tử) chất tạo thành (m’) khối lượng (hay số ngun tử) cịn lại chất phóng xạ (m) m' A'.m A' (1 et ) m' A => t = ln(1 ) m A.m A et m A' +Ví dụ: Trong mẫu quặng Urani người ta thường thấy có lẫn chì Pb206 với Urani U238 Chu kỳ bán rã U238 4,5.109 năm Giả sử ban đầu mẫu quặng có urani tỷ lệ tìm thấy thời điểm nguyên tử Urani (U238) có ngun tử chì (Pb206) Hãy tính tuổi mẫu quặng Giải Chất phóng xạ 238 92 U phân rã theo chuỗi 238 92 U 206 82 Pb + x + y Và cuối tạo thành ngun tố chì (Pb206) bền Phãng x¹ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến Trêng THPT Gio Linh N ' m' Do khối lượng mẫu chất số nguyên tử tỉ lệ thuận nên: N m => Tuổi mẫu quặng là: t = m' A T m' A ln(1 ) = ln(1 ) ≈ 1,35 tỉ năm m A' ln m A' III.1.3.Dựa vào tỉ số khối lượng (số nguyên tử) cịn lại hai chất phóng xạ có mẫu vật N1 N01e 1.t ; N2 N02e 2t N1.N 02 ln ln N N ln => 01 et (2 1 ) => t = N N 01 với 1 , 2 T2 N2 N02 T1 2 1 +Ví dụ: Cho biết 238 92 U 235 92 U chất phóng xạ có chu kì bán rã T1 = 4,5.109 năm T2 = 7,13.108 năm Hiện quặng urani thiên nhiên có lẫn U238 U 235 theo tỉ lệ 160:1 Giả thiết thời điểm tạo thành Trái Đất tỉ lệ 1:1 Xác định tuổi Trái Đất Giải Ta có: N1 N01e t ; N2 N02e t với N01/N02 = 1; N1/N2 = 160; N1.N 02 ln 160 N N 01 = ≈ 6,1 tỉ năm 1 2 1 ln => t = III.1.4.Dựa vào C14 (Đồng hồ Trái Đất) Ở thượng tầng khí quyển, thành phần tia vũ trụ có nơtrơn chậm, nơtrơn gặp hạt nhân 14 N tạo nên phản ứng: 01 n + 14 N → 14 C + p 7 C14 đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã 5730 năm, phân rã cân với tạo ra, nên mật độ C14 khí khơng đổi: 1012 ngun tử cacbon có ngun tử C14 Khi thực vật sống, trình quang hợp giữ nguyên tỉ lệ thành phần chứa cabon Thực vật chết, q trình phân rã C14 làm tỉ lệ C14 giảm dần mà không bù lại So sánh tỉ lệ 14 C mẫu vật khơng khí ( mẫu vật loại C chết) xác định thời gian từ lúc chết Phãng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung TuyÕn Trêng THPT Gio Linh H0 H với T =5730 năm ln T ln H = H0 e t => t = -Động vật ăn thực vật nên việc xác định thời gian tương tự +Ví dụ: Đồng vị phóng xạ Cacbon C14 phóng xạ β- với chu kì bán rã T = 5730 năm Một tượng gỗ cổ có độ phóng xạ 0,25 độ phóng xạ khúc gỗ loại khối lượng chặt Xác định tuổi tượng gỗ Giải H Ta có => tuổi tượng gỗ là: t = H 0,25 H0 H = 11460 năm ln T ln III.2 Đồng vị phóng xạ nhân tạo Phương pháp nguyên tử đánh dấu Ngày người ta tạo khoảng 100 đồng vị phóng xạ nhân tạo Các đồng vị phóng xạ có tính chất hóa học nên thể động vật, thực vật hấp thụ đồng vị thông thường loại, chúng thường trộn lẫn phân bón, thuốc kháng sinh sử dụng để khảo sát tồn tại, vận chuyển, phân bố nguyên tố hóa học định thể động vật, thực vật, hay đối tượng cần nghiên cứu Phương pháp gọi phương pháp nguyên tử đánh dấu Các đồng vị phóng xạ có vai trị quan trọng đời sống nghiên cứu khoa học, ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Trong y học: Các loại đồng vị sử dụng áp P32 để điều trị bệnh da; dung dịch Iốt-I131 dạng tiêm uống để chẩn đoán điều trị bệnh bướu cổ; Technetium-Tc99m để hình tìm khối u bất thường não tuyến nước bọt; dược chất phóng xạ đánh dấu với Tc99m để hình chẩn đốn chức bệnh lý quan nội tạng thể thận, gan, phổi, hệ tiêu hóa Trong nơng nghiệp sinh học: Nghiên cứu sinh học phóng xạ sử dụng xạ gamma kết hợp với tác nhân khác để cải tạo giống trồng, sử dụng đồng vị đánh dấu để nghiên cứu trình sinh học, đặc biệt vấn đề dinh dưỡng động vật, thực vật ngành hạt nhân thực từ nhiều năm qua Các nghiên cứu chiếu xạ số giống (ngơ, khoai, lúa, số lồi hoa, dâu tằm, v.v ) liều kích thích đột biến để tạo giống có suất cao thích hợp với điều kiện mơi trường khắc nghiệt, nghiên cứu quy trình nhân giống vơ tính, ni cấy tế bào số loài hoa, đặc sản rừng quý hiếm, v.v Phãng x¹ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến Trêng THPT Gio Linh Ngoài việc sử dụng đồng vị phóng xạ kết hợp với kỹ thuật đánh dấu phóng xạ để nghiên cứu diễn biến nhiều trình bồi lấp cửa biển hay lịng sơng, bào mịn, trầm tích, rị rỉ; dây chuyền tự động hóa nhà máy cơng nghiệp; phát triển kỹ thuật phân tích hạt nhân để tham gia vào chương trình thăm dị, khai thác tài ngun khống sản nghiên cứu, bảo vệ mơi trường v.v nhiều ứng dụng khác III.3.Một vài ứng dụng khác đồng vị phóng xạ III.3.1.Xác định lượng máu thể +Ví dụ: Người ta tiêm vào máu người lượng nhỏ dung dịch chứa đồng vị phóng xạ Na24 (chu kỳ bán rã 15 giờ) có độ phóng xạ 1,5μCi Sau 7,5giờ người ta lấy 1cm máu người thấy có độ phóng xạ 392 phân rã/phút Thể tích máu người bao nhiêu? Giải Độ phóng xạ máu người (có thể tích V) sau thời gian t = 7,5h là: H = H0.2-x, với x = t/T = 0,5; H0 = 1,5.10-6.3,7.1010 = 5,55.104Bq => H = 39244Bq Độ phóng xạ 1cm3 máu sau thời gian t H’ = 392/60 = 6,53Bq Vậy thể tích máu người là: V = H/H’ ≈ 6000cm3 III.3.2 Xác định ngưỡng an tồn chất bị nhiễm phóng xạ +Ví dụ: Trong vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima I hồi tháng 3/2011 Nhật Bản, người ta thấy có chất phóng xạ I131 lan khơng khí Mưa làm cỏ nơi Hàn Quốc bị nhiễm phóng xạ sau xuất sữa bị với độ phóng xạ 2900Bq/lít Biết độ phóng xạ để sữa bị đạt mức an tồn 185Bq/lít, chu kì bán rã 131I 8,04 ngày Hỏi sau sữa bị đạt mức an tồn? Giải Ta có: H = H0.2-x mà x = t/T => 2-x = H/H0 = 0,0638 => x = 3,97 => t ≈ 32 ngày Vậy sau 32 ngày sữa bị t mc an ton Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến IV nh hưởng đồng vị phóng xạ mơi trường Trêng THPT Gio Linh Phải khẳng định phóng xạ có vai trị quan trọng đời sống người, ứng dụng nhiều lĩnh vực khác với mục đích cải thiện sống chúng ta, P32, I131, Tc99m nêu trên, hay nhiều sinh vật sống (kể người) phải cần đến lượng nhỏ coban-Co60 thể để tồn Cho vào đất lượng nhỏ coban từ 0,13 - 0,30 mg/kg làm tăng sức khỏe động vật ăn cỏ Coban thành phần trung tâm vitamin cobalamin, vitamin B12 Tuy nhiên, tác động mặt trái số đồng vị phóng xạ lại vấn đề mà nhắc đến phải khiến người ta giật Người ta phát nhiều đồng vị phóng xạ có ảnh hưởng nguy hiểm sức khỏe người Đồng vị I131 phóng xạ βvới chu kì bán rã khoảng tuần, hấp thu vào thể tích tụ tuyến giáp, làm tổn hại gây ung thư tuyến giáp Tuy nhiên vòng từ – 20 ngày chất iốt phóng xạ tan hết khơng gian Phơi nhiễm I131có thể bị ung thư tuyến giáp khơng nguy hiểm đồng vị phóng xạ Cesium – Cs137, có chu kì bán rã đến 30 năm, có nghĩa phải đến 30 năm lượng phóng xạ chất giảm nửa! Cs137 tồn môi trường hàng trăm năm, Cs137 cịn có tính chất hóa học giống kali (một chất điện giải quan trọng tế bào sống), nên chúng có khả chuyển hóa tương tự kali thơng qua chuỗi thức ăn để tích tụ thể, gây tác động lâu dài phóng tia gamma hại nhiều phận người, tế bào non tuỷ xương gây bệnh ung thư máu vài năm sau nhiễm xạ loại ung thư khác sau thời gian lâu (10 – 15 năm) Ngồi tia phóng xạ cịn xun qua tế bào Nhiễm Cesium 137 gây ung thư máu thể, tạo đột biến DNA, phân tử mang gen di truyền, gây di tật cho hệ Để phịng tránh nhiễm phóng xạ I131, người ta phải dùng đến đồng vị bền I127 cách uống viên nén Kali-Iốt để sau thể khơng hấp thụ thêm Iốt phóng xạ Trường hợp bị phơi nhiễm Cs137 trị Prussian Blue Chất bám dính vào Cesi giúp thải Cs137 ngồi thể nhanh Phãng x¹ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung TuyÕn 10 Trêng THPT Gio Linh Như vậy, ảnh hưởng chất phóng xạ rộng lớn, lâu dài sức chịu đựng người Ví dụ vụ nổ nhà máy hạt nhân Chernobyl (Ukraine) năm 1986, có 56 người chết lập tức; 9.000 người (trong có 1800 trường hợp trẻ em lúc xảy tai nạn) bị ung thư tuyến giáp chết sau đó, người ta thống kê có khoảng 200.000 người chết có liên quan đến thảm họa Chernobyl khoảng thời gian từ 1990 đến nay; ước tính lượng tro bụi phóng xạ gấp 500 lần bom nguyên tử Mỹ ném xuống Hiroshima! Hay vụ rò rĩ hạt nhân nhà máy Fukushima I vào tháng năm 2011 để lại hậu phải khắc phục đến hàng trăm năm sau khó biết hết Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết TrÇn Trung TuyÕn 11 Trêng THPT Gio Linh ẢNH TƯ LIỆU VỀ THẢM HỌA CHERNOBYL VÀ FUKUSHIMA Nhà máy điện hạt nhân Chernobyl sau thảm họa 1986 Xe tăng, xe tải, máy bay trực thăng phế thải bị nhiễm xạ Chernobyl 1986 Hành lang bệnh viện bị b hoang sau v Chernobyl Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến 12 Trường THPT Gio Linh Hậu lâu dài sau thảm họa Chernobyl Vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima I, tháng 3/2011 Kiểm tra độ phóng xạ sau vụ nổ nhà máy điện hạt nhân Fukushima I Phãng x¹ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung TuyÕn 13 Trêng THPT Gio Linh C KẾT LUẬN Các vấn đề nêu đề tài phần giúp thấy vai trò to lớn đồng vị phóng xạ, nhiên tiềm ẩn nguy hiểm khó lường hết Năng lượng hạt nhân khai thác sử dụng giới từ thập niên 50 kỉ trước, gia tăng ngày nguồn lượng khổng lồ, mang lại hiệu kinh tế đáng kể số trường hợp khó có nguồn lượng thay Cùng với vấn đề an tồn hạt nhân đặt lên hàng đầu giới quan tâm, hệ lò phản ứng hạt nhân hệ thứ III hy vọng đem lại độ an tồn cao Qua đề tài này, tơi hy vọng giúp em học sinh có nhìn đầy đủ, khoa học tượng phóng xạ có kĩ tốt đối mặt với tác động tiêu cực phóng xạ nói riêng thảm họa thiên nhiên khác nói chung, để từ cách nhìn nhận tích cực việc bảo vệ môi trường sống Do thời gian có hạn nên đề tài chưa áp dụng rộng rãi chắn không tránh hết thiếu sót Vì mong góp ý quý thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện áp dụng thực năm học tới Xin chõn thnh cm n! Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến 14 Trường THPT Gio Linh TÀI L IỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THA M KHẢO Nguyễn Thế Khôi, Vũ Thanh Khiết – Sách giáo khoa Vật lý 12 – NXB Giáo dục, 2008 Bùi Quang Hân – Giải toán Vật lý 12 – NXB Giáo dục, 2004 Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Thế Khôi – Bài tập Vật lý 12 Nâng cao – NXB Giáo dục, 2008 PTS Nguyễn Nhị Điền -Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân đồng vị phóng xạ phục vụ chương trình phát triển kinh tế xã hội 5.PGS- TS Mai trọng khoa - Cần hiểu lợi ích tác hại Iốt phóng xạ I131 6.Lệ Giang - Thảm họa hạt nhân tồi tệ lịch sử - Nỗi đau - Theo MASK 7.Website: http://www.google.com.vn Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết Trần Trung Tuyến ... trước Có thể nói nghiên cứu làm thay đổi giới Ngày người ta tìm khoảng 25 đồng vị phóng xạ tự nhiên khoảng 100 đồng vị phóng xạ nhân tạo ứng dụng nhiều lnh vc khỏc Phóng xạ & Những điều bạn chưa biết. .. tượng phóng xạ II Cơ sở lí luận .4 II.1 Hiện tượng phóng xạ II.2 Định luật phóng xạ .4 II.3 Độ phóng xạ .4 III Những ứng dụng tượng phóng xạ ... Hiện tượng phóng xạ II.1.1 Định nghĩa Phóng xạ tượng hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát tia phóng xạ biến đổi thành hạt nhân khác II.1.2.Các dạng phóng xạ -Phóng xạ α: +Tia α có chất