phóng xạ và những điều có thể bạn chưa biết

phóng xạ và những điều có thể bạn chưa biết

0 Trường THPT Gio Linh

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO QUẢNG TRỊ

TRƯỜNG THPT GIO LINH

- -

SÁNG KIẾN-KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI

PHểNG XẠ VÀ NHỮNG ĐIỀU

Cể THỂ BẠN CHƯA BIẾT

TRẦN TRUNG TUYẾN

1 Trường THPT Gio Linh

MỤC LỤC

Trang A ĐẶT VẤN ĐỀ 2

I Thực trạng của vấn đề 2

II Nhiệm vụ và phương phỏp nghiờn cứu 2

II.1.Nhiệm vụ 2

II.2.Phương phỏp 2

III Phạm vi của đề tài 2

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 3

I Lược sử về sự phỏt hiện ra hiện tượng phúng xạ 3

II Cơ sở lớ luận 4

II.1 Hiện tượng phúng xạ 4

II.2 Định luật phúng xạ 4

II.3 Độ phúng xạ 4

III Những ứng dụng của hiện tượng phúng xạ 5

III.1.Xỏc định tuổi cổ vật 5

III.2 Đồng vị phúng xạ nhõn tạo và Phương phỏp nguyờn tử đỏnh dấu 7

III.3 Một vài ứng dụng khỏc của cỏc đồng vị phúng xạ 8

IV Ảnh hưởng của cỏc đồng vị phúng xạ đối với mụi trường 9

C KẾT LUẬN 13

2 Trường THPT Gio Linh

A ĐẶT VẤN ĐỀ

I Thực trạng của vấn đề

Vật lớ hạt nhõn núi chungvà hiện tượng phúng xạ núi riờng là một phần khỏ mới

mẻ và khú đối với học sinh THPT Hiện tượng phúng xạ đó được phỏt hiện từ những năm cuối thế kỉ XIX, đầu thế kỉ XX, nú cú nhiều ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống, mang lại những lợi ớch to lớn cho con người, tuy nhiờn, ảnh hưởng tiờu cực của nú đối với mụi trường sống con người cũng khụng nhỏ

Việc tỡm hiểu về hiện tượng phúng xạ khụng chỉ giỳp cho học sinh nắm được kiến thức cơ bản, biết được những ứng dụng quan trọng về hiện tượng này mà cũn giỏo dục cỏc em ý thức bảo vệ mụi trường sống Với ý nghĩa đú tụi chọn và nghiờn cứu đề tài :

"PHểNG XẠ VÀ NHỮNG ĐIỀU Cể THỂ BẠN CHƯA BIẾT"

II Nhiệm vụ và phương phỏp nghiờn cứu

II.1.Nhiệm vụ

Nhiệm vụ của đề tài này là tỡm hiểu về hiện tượng phúng xạ nhằm giỳp học sinh nắm rừ về lịch sử phỏt triển, những ứng dụng của hiện tượng này đồng thời giỳp học sinh thấy được những ảnh hưởng tiờu cực của nú đến đời sống chỳng ta Qua đú giỳp cỏc em nắm bắt những kiến thức này một cỏch hệ thống và đầy đủ hơn

II.2.Phương phỏp

Đề tài tập trung nghiờn cứu những vấn đề sau:

-Tỡm hiều về những kiến thức về hiện tượng phúng xạ

-Những ứng dụng của hiện tượng phúng xạ và cỏc loại bài tập liờn quan

-Lồng ghộp giỏo dục bảo vệ mụi trường cho học sinh thụng qua lịch sử phỏt triển của năng lượng hạt nhõn

III Phạm vi của đề tài

Nghiờn cứu về hiện tượng phúng xạ và ứng dụng

3 Trường THPT Gio Linh

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Lược sử về sự phỏt hiện ra hiện tượng phúng xạ

Năm 1896, nhà vật lý người Phỏp Henri Becquerel đó tỡnh cờ phỏt hiện ra chất uranium đó phỏt ra một loại bức xạ khụng nhỡn thấy cú thể làm đen kớnh ảnh và xuyờn qua những vật mà tia sỏng thường khụng đi qua được, ụng gọi hiện tượng này là hiện tượng phúng xạ và bức xạ phỏt ra đú là tia phúng xạ

Sau đú, vào năm 1898, ụng bà Pierre Curie và Marie Curie phỏt hiện ra cỏc chất phúng xạ mới là polonium và radium

Henri Becquerel Marie Curie(1867-1934) và chồng Pierre Curie(1859 - 1906) (1852 – 1908) trong phũng thớ nghiệm.

Năm 1903, cả ba nhà khoa học trờn đó được nhận giải Nobel Vật lý cho cỏc nghiờn cứu về bức xạ núi trờn, và Marie Curie là người phụ nữ đầu tiờn nhận giải này Tỏm năm sau (năm 1911), bà nhận giải Nobel húa học cho việc khỏm phỏ ra hai nguyờn tố húa học radium và polonium trong quỏ trỡnh nghiờn cứu cỏc chất phúng xạ trước đú

Cú thể núi rằng những nghiờn cứu này đó làm thay đổi thế giới Ngày nay người ta

đó tỡm ra khoảng 25 đồng vị phúng xạ tự nhiờn và khoảng 100 đồng vị phúng xạ nhõn tạo ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau

4 Trường THPT Gio Linh

II Cơ sở lớ luận

II.1 Hiện tượng phúng xạ

II.1.1 Định nghĩa

Phúng xạ là hiện tượng một hạt nhõn khụng bền vững tự phỏt phõn ró, phỏt ra cỏc tia phúng xạ và biến đổi thành hạt nhõn khỏc

II.1.2.Cỏc dạng phúng xạ

-Phúng xạ α: +Tia α cú bản chất là chựm cỏc hạt nhõn 24He

-Phúng xạ β+, β-: +Tia β- cú bản chất là chựm cỏc hạt electron( 0e

1 ) +Tia β+ cú bản chất là chựm cỏc hạt pozitron( 01e) -Phúng xạ γ: +Tia γ cú bản chất là súng điện từ cú bước súng rất ngắn và cũng là chựm photon cú năng lượng rất lớn

II.2 Định luật phúng xạ

II.2.1.Nội dung: Trong quỏ trỡnh phúng xạ, số hạt nhõn phúng xạ giảm dần theo

thời gian theo quy luật hàm số mũ

II.2.2.Biểu thức:

x t

e

N e N

e

m e

m

Trong đú: +N0, m0 là số nguyờn tử, khối lượng chất phúng xạ ban đầu

+ Hằng số phúng xạ:

T T

693 , 0 2 ln





+ x = t/T

( và T khụng phụ thuộc vào cỏc tỏc động bờn ngoài mà chỉ phụ thuộc bản chất bờn trong của chất phúng xạ)

II.3 Độ phúng xạ

Là đại lượng đặc trưng cho tớnh phúng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phúng xạ,

' )

(t N dt

dN

N e

H

0

+Ho = No là độ phúng xạ ban đầu

+Đơn vị: +Becơren (Bq); 1Bq = 1 phõn ró/giõy

+Curi (Ci); 1 Ci = 3,7.1010 Bq

5 Trường THPT Gio Linh

*Lưu ý: Khi tớnh độ phúng xạ H, H0 (Bq) thỡ chu kỳ phúng xạ T phải đổi ra đơn vị

giõy(s)

III Những ứng dụng của hiện tượng phúng xạ

III.1.Xỏc định tuổi cổ vật

III.1.1.Dựa vào tỉ số khối lượng (hay số nguyờn tử) cũn lại và khối lượng (hay số nguyờn tử) ban đầu của một lượng chất phúng xạ cú trong mẫu vật

t

e N

N  0 . =>

0

N

N

e . => t =

2 ln

ln

N

N T

Hay

0

m

m

e . => t =

2 ln

ln

m

m T

+Vớ dụ: Chất 226

88Ra phúng xạα với chu kỡ bỏn ró 1570 năm Giả sử ban đầu cú một lương Ra226 nguyờn chất Hỏi sau bao lõu thỡ khối lượng Ra cũn lại bằng 1/3 khối lượng Ra ban đầu?

Giải

Ta cú m0 = 3m

Áp dụng kết quả trờn ta cú: t =

2 ln

ln

m

m T

= 2 ln

3 ln

T

≈ 2488 năm

III.1.2.Dựa vào tỉ số khối lượng( hay số nguyờn tử) của chất tạo thành (m’) và khối lượng (hay số nguyờn tử) cũn lại của chất phúng xạ (m)

t t

e

e A

A m A

m A m

m















.

'.

'

'

' 1 ln(

1

A

A m

m





+Vớ dụ: Trong cỏc mẫu quặng Urani người ta thường thấy cú lẫn chỡ Pb206 cựng

với Urani U238 Chu kỳ bỏn ró của U238 là 4,5.109 năm Giả sử ban đầu trong mẫu quặng chỉ cú urani và tỷ lệ tỡm thấy ở thời điểm hiện tại là cứ 5 nguyờn tử Urani (U238) thỡ cú 1 nguyờn tử chỡ (Pb206) Hóy tớnh tuổi của mẫu quặng trờn

Giải

Chất phúng xạ 23892U phõn ró theo chuỗi 23892U  20682Pb + x + y-

Và cuối cựng tạo thành nguyờn tố chỡ (Pb206) bền

6 Trường THPT Gio Linh

Do khối lượng mẫu chất và số nguyờn tử trong đú tỉ lệ thuận nờn:

5

1 ' '





m

m N N

=> Tuổi của mẫu quặng trờn là: t = )

'

' 1 ln(

1

A

A m

m



' 1 ln(

2

A m

m T

 ≈ 1,35 tỉ năm

III.1.3.Dựa vào tỉ số khối lượng (số nguyờn tử) cũn lại của hai chất phúng xạ cú

trong mẫu vật

t

e N

e N

02 2





02 01 2

  

 e t N

N N

N

=> t =

1 2

01 2

02 1

.

ln



N N

N N

với

1 1

2 ln

T



2 2

2 ln

T





+Vớ dụ: Cho biết 23892U và 23592U là cỏc chất phúng xạ cú chu kỡ bỏn ró lần lượt là T1

= 4,5.109 năm và T2 = 7,13.108 năm Hiện nay trong quặng urani thiờn nhiờn cú lẫn U238

và U 235 theo tỉ lệ 160:1 Giả thiết ở thời điểm tạo thành Trỏi Đất tỉ lệ trờn là 1:1 Xỏc định tuổi của Trỏi Đất

Giải

e N

e N

02 2



 với N01/N02 = 1; N1/N2 = 160;

=> t =

1 2

01 2

02 1

.

ln



N N

N N

=

1 2

160 ln



  ≈ 6,1 tỉ năm

III.1.4.Dựa vào C14 (Đồng hồ Trỏi Đất)

Ở thượng tầng khớ quyển, trong thành phần tia vũ trụ cú cỏc nơtrụn chậm, một nơtrụn gặp hạt nhõn 147N tạo nờn phản ứng: 01n + 147N → 146C + 11p

C14 là đồng vị phúng xạ 

 với chu kỳ bỏn ró 5730 năm, sự phõn ró này cõn bằng với sự tạo ra, nờn mật độ C14 trong khớ quyển là khụng đổi: cứ 1012 nguyờn tử cacbon thỡ

cú một nguyờn tử C14

Khi thực vật sống, quỏ trỡnh quang hợp sẽ giữ nguyờn tỉ lệ trờn trong cỏc thành

phần chứa cabon của nú Thực vật chết, quỏ trỡnh phõn ró C14 sẽ làm tỉ lệ C14 trong cõy

giảm dần mà khụng được bự lại

So sỏnh tỉ lệ

C

C

14

6 trong mẫu vật và trong khụng khớ ( hoặc trong mẫu vật cựng loại mới chết) sẽ xỏc định được thời gian từ lỳc cõy đú đó chết

7 Trường THPT Gio Linh

H = H0 t

e . => t =

2 ln

ln

H

H T

với T =5730 năm -Động vật ăn thực vật nờn việc xỏc định thời gian cũng tương tự

+Vớ dụ: Đồng vị phúng xạ Cacbon C14 phúng xạ β- với chu kỡ bỏn ró T = 5730 năm Một tượng gỗ cổ cú độ phúng xạ chỉ bằng 0,25 độ phúng xạ của một khỳc gỗ cựng loại và cựng khối lượng mới chặt Xỏc định tuổi của tượng gỗ

Giải

Ta cú

25 , 0

1

0 

H

H

=> tuổi của tượng gỗ là: t =

2 ln

ln

H

H T

= 11460 năm

III.2 Đồng vị phúng xạ nhõn tạo và Phương phỏp nguyờn tử đỏnh dấu

Ngày nay người ta đó tạo ra khoảng 100 đồng vị phúng xạ nhõn tạo Cỏc đồng vị phúng xạ cú tớnh chất húa học như nhau nờn cơ thể động vật, thực vật cú thể hấp thụ như những đồng vị thụng thường cựng loại, chỳng thường được trộn lẫn trong phõn bún, thuốc khỏng sinh và sử dụng để khảo sỏt sự tồn tại, vận chuyển, phõn bố của cỏc nguyờn tố húa học nhất định trong cơ thể động vật, thực vật, hay một đối tượng nào đú cần nghiờn cứu Phương phỏp này gọi là phương phỏp nguyờn tử đỏnh dấu

Cỏc đồng vị phúng xạ cú vai trũ quan trọng trong đời sống và trong nghiờn cứu khoa học, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau

Trong y học: Cỏc loại đồng vị chớnh được sử dụng là tấm ỏp P32 để điều trị cỏc bệnh ngoài da; dung dịch Iốt-I131 dưới dạng tiờm hoặc uống để chẩn đoỏn và điều trị bệnh bướu cổ; Technetium-Tc99m để hiện hỡnh tỡm cỏc khối u bất thường trong nóo và tuyến nước bọt; cỏc dược chất phúng xạ đỏnh dấu với Tc99m để hiện hỡnh chẩn đoỏn chức năng và bệnh lý cỏc cơ quan nội tạng của cơ thể như thận, gan, phổi, hệ tiờu húa Trong nụng nghiệp và sinh học: Nghiờn cứu sinh học phúng xạ sử dụng bức xạ gamma kết hợp với những tỏc nhõn khỏc để cải tạo giống cõy trồng, sử dụng đồng vị đỏnh dấu để nghiờn cứu cỏc quỏ trỡnh sinh học, đặc biệt là vấn đề dinh dưỡng ở động vật, thực vật được ngành hạt nhõn thực hiện từ nhiều năm qua Cỏc nghiờn cứu chiếu xạ một số giống cõy (ngụ, khoai, lỳa, một số loài hoa, dõu tằm, v.v ) ở liều kớch thớch hoặc đột biến

để tạo giống cú năng suất cao hơn hoặc thớch hợp hơn với điều kiện mụi trường khắc nghiệt, nghiờn cứu quy trỡnh nhõn giống vụ tớnh, nuụi cấy tế bào một số loài hoa, cõy đặc sản và cõy rừng quý hiếm, v.v

8 Trường THPT Gio Linh

Ngoài ra việc sử dụng đồng vị phúng xạ kết hợp với kỹ thuật đỏnh dấu phúng xạ

để nghiờn cứu diễn biến nhiều quỏ trỡnh như bồi lấp ở cửa biển hay lũng sụng, sự bào mũn, trầm tớch, rũ rỉ; trong cỏc dõy chuyền tự động húa của cỏc nhà mỏy cụng nghiệp; phỏt triển cỏc kỹ thuật phõn tớch hạt nhõn để tham gia vào cỏc chương trỡnh thăm dũ, khai thỏc tài nguyờn khoỏng sản và nghiờn cứu, bảo vệ mụi trường v.v và nhiều ứng dụng khỏc

III.3.Một vài ứng dụng khỏc của cỏc đồng vị phúng xạ

III.3.1.Xỏc định lượng mỏu trong cơ thể

+Vớ dụ: Người ta tiờm vào mỏu một người một lượng nhỏ dung dịch chứa đồng vị

phúng xạ Na24 (chu kỳ bỏn ró bằng 15 giờ) cú độ phúng xạ bằng 1,5μCi Sau 7,5giờ người ta lấy ra 1cm3 mỏu người đú thỡ thấy nú cú độ phúng xạ là 392 phõn ró/phỳt Thể tớch mỏu của người đú là bao nhiờu?

Giải

Độ phúng xạ trong mỏu người này (cú thể tớch 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 phúng xạ của 1cm3 mỏu sau thời gian t là H’ = 392/60 = 6,53Bq

Vậy thể tớch mỏu của người này là: V = H/H’ ≈ 6000cm3

III.3.2 Xỏc định ngưỡng an toàn của chất bị nhiễm phúng xạ

+Vớ dụ: Trong vụ nổ nhà mỏy điện hạt nhõn Fukushima I hồi thỏng 3/2011 ở Nhật

Bản, người ta thấy cú chất phúng xạ I131 lan ra trong khụng khớ Mưa đó làm cỏ ở một nơi tại Hàn Quốc bị nhiễm phúng xạ này và sau đú nú xuất hiện trong sữa bũ với độ phúng xạ 2900Bq/lớt Biết độ phúng xạ để sữa bũ tại đú đạt mức an toàn là 185Bq/lớt, chu

kỡ bỏn ró của 131I là 8,04 ngày Hỏi sau bao lõu thỡ sữa bũ tại đú mới đạt mức an toàn?

Giải

Ta cú: H = H0.2-x => 2-x = H/H0 = 0,0638 => x = 3,97

mà x = t/T => t ≈ 32 ngày

9 Trường THPT Gio Linh

IV Ảnh hưởng của cỏc đồng vị phúng xạ đối với mụi trường

Phải khẳng định rằng phúng xạ cú vai trũ quan trọng đối với đời sống con người,

nú được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau với mục đớch cải thiện cuộc sống của chỳng ta, như P32, I131, Tc99m đó nờu trờn, hay nhiều sinh vật sống (kể cả người) phải cần đến một lượng nhỏ coban-Co60 trong cơ thể để tồn tại Cho vào đất một lượng nhỏ coban từ 0,13 - 0,30 mg/kg sẽ làm tăng sức khỏe của những động vật ăn cỏ Coban là một thành phần trung tõm của vitamin cobalamin, hoặc vitamin B12

Tuy nhiờn, những tỏc động của mặt trỏi của một số đồng vị phúng xạ lại là vấn đề

mà khi nhắc đến phải khiến người ta giật mỡnh Người ta đó phỏt hiện ra nhiều đồng vị phúng xạ cú ảnh hưởng nguy hiểm đối với sức khỏe con người Đồng vị I131 phúng xạ β

-với chu kỡ bỏn ró khoảng 1 tuần, khi hấp thu vào cơ thể sẽ tớch tụ ở tuyến giỏp, nú cú thể làm tổn hại hoặc gõy ung thư tuyến giỏp Tuy nhiờn trong vũng từ 7 – 20 ngày chất iốt phúng xạ cú thể tan hết trong khụng gian và

nú khụng nguy hiểm bằng đồng vị phúng xạ Cesium – Cs137, cú chu kỡ bỏn ró đến 30 năm, cú nghĩa là phải mất đến 30 năm lượng phúng xạ chất này mới giảm được một nửa! Cs137 tồn tại trong mụi trường hàng trăm năm, Cs137 cũn cú tớnh chất húa học giống kali (một trong những chất điện giải rất quan trọng đối với mọi tế bào sống), nờn chỳng cú khả năng chuyển húa tương tự như kali và

sẽ thụng qua chuỗi thức ăn để tớch tụ trong cơ thể, gõy tỏc

động lõu dài và phúng ra cỏc tia gamma hại nhiều bộ

phận trong người, nhất là cỏc tế bào non trong tuỷ xương

gõy ra bệnh ung thư mỏu chỉ vài năm sau nhiễm xạ và cỏc

loại ung thư khỏc sau thời gian lõu hơn (10 – 15 năm)

Ngoài ra cỏc tia phúng xạ cũn xuyờn qua tế bào trong

cơ thể, cú thể tạo những đột biến DNA, phõn tử mang cỏc gen và cú thể di truyền, gõy ra những di tật cho thế hệ tiếp theo

Để phũng trỏnh nhiễm phúng xạ I131, người ta phải dựng đến đồng vị bền I127 bằng cỏch uống viờn nộn Kali-Iốt để sau đú cơ thể sẽ khụng hấp thụ thờm Iốt phúng xạ Trường hợp bị phơi nhiễm Cs137 cú thể trị bằng Prussian Blue Chất này sẽ bỏm dớnh vào Cesi và do đú giỳp thải Cs137 ra ngoài cơ thể nhanh hơn

Phơi nhiễm I131cú thể bị ung thư tuyến giỏp

Nhiễm Cesium 137 cú thể gõy ung thư mỏu

10 Trường THPT Gio Linh

Như vậy, ảnh hưởng của chất phúng xạ là rộng lớn, lõu dài và quỏ sức chịu đựng của con người Vớ dụ như trong vụ nổ nhà mỏy hạt nhõn Chernobyl (Ukraine) năm 1986,

cú 56 người chết ngay lập tức; ớt nhất 9.000 người (trong đú cú 1800 trường hợp trẻ em lỳc xảy ra tai nạn) bị ung thư tuyến giỏp và chết sau đú, người ta thống kờ cú khoảng 200.000 người chết cú liờn quan đến thảm họa Chernobyl trong khoảng thời gian từ 1990 đến nay; ước tớnh lượng tro bụi phúng xạ gấp 500 lần quả bom nguyờn tử Mỹ nộm xuống Hiroshima!

Hay vụ rũ rĩ hạt nhõn tại nhà mỏy Fukushima I vào thỏng 3 năm 2011 để lại hậu quả phải khắc phục đến hàng trăm năm sau và khú cú thể biết hết