Bài giảng điện nguyên tử chương 3 tia phóng xạ

Please purchase a personal license Các chất phóng xạ chất có khả tự phát tia phóng xạ loại xạ có gây ion hoá Chơng Tia phóng xạ 3.1 Các loại tia phóng xạ tính chất Các tia phóng xạ tia có tính chất sau: - Có khả tác dụng sinh lý hoá học nh phá huỷ tế bào, kích thích số phản ứng hoá học - Có khả ion hoá chất khí - Có khả làm cho số vật rắn lỏng phát huỳnh quang - Có khả xuyên qua số chất nh gỗ, vải, giấy, miếng kim loại mỏng - Toả nhiệt, làm cho khối lợng chất phóng xạ giảm dần làm cho chất biến thành chất khác Chơng Tia phóng xạ 3.1 Các loại tia phóng xạ tính chất Bức xạ : dòng hạt nhân hêli 2He4 tích điện dơng, chuyển động với vận tốc cỡ 109cm/s bị lớp nhôm dầy vài micrôn hấp thụ (1micron=10-6 m), dễ dàng bị chặn lại tờ giấy điện áp ngời Tính phóng xạ tính chất hạt nhân nặng có số khối lợng A >200 số điện tích Z> 82 Do lực hạt nhân có tính bÃo hoà, nên hạt nhân nặng có xuất tạo thành hạt biệt lập, hạt gồm hai proton hai nơtron Nếu hấp thụ vào thể qua đờng hô hấp hay đờng tiêu hoá, tia alpha gây tác hại cho thể Chơng Tia phóng xạ 3.1 Các loại tia phóng xạ tính chất Bức xạ : dòng electron tích điện âm, chuyển động với vận tốc gần tốc độ ánh sáng bị lớp nhôm dầy trung bình 1mm hấp thụ Còn loại xạ hạt phát hạt positron (e+) Tia beta có sức xuyên thấu mạnh so với tia alpha nhng bị chặn lại kính mỏng kim loại Sẽ nguy hiểm hấp thụ vào thể chất phát tia beta Chơng Tia phóng xạ 3.1 Các loại tia phóng xạ tính chất Bức xạ Các quan sát thực nghiệm đà chứng tỏ xạ kèm theo xạ Bức xạ có khả xuyên thấu mạnh không bị lệch đờng điện trờng từ trờng Bản chất xạ xạ điện từ có bớc sóng ngắn không vợt 10-11m (bức xạ có bớc sóng ngắn lợng cao) Ngời ta xác nhận đợc nguồn gốc ba loại xạ từ hạt nhân nguyên tử Tia tia X tơng tự sóng radio tia sáng, nhng sóng điện từ có bớc sóng ngắn Vì sức xuyên thấu lớn nên chặn lại vật liệu có nguyên tử lợng lớn nh chì, bêtông nớc Sức xuyên thấu tia phóng xạ Ta thấy tợng phân rà - (phát electron) hạt nhân nguyên tử đà có nơtron tự phát biến đổi thµnh proton: n → p + e- + v Còn tợng phân rà + (phát positron) hạt nhân nguyên tử đà có proton biến đổi thành nơtron: p n + e+ + v Phân rà chuyển mức lợng hạt nhân mức cao xuống mức thấp Ngợc lại, phân rà xếp lại cấu hình hạt nhân nuclon hạt nhân 3.2 Định luật phân rà phóng xạ Khi có phóng xạ mật độ hạt nhân ban đầu giảm dần theo thời gian Giả sử thời điểm t, số hạt nhân cha bị phân rà chất phóng xạ N Sau thời gian dt, số hạt nhân chất phóng xạ giảm lợng -dN Rõ ràng độ giảm -dN tû lƯ víi N vµ víi thêi gian dt: -dN = N dt hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào chất phóng xạ đợc gọi số phân rà H H0 H0/2 T1/2 2T1/2 3T1/2 t Nh− vËy : dN/N= -λdt N Sau lÊy tÝch ph©n ta cã: N ln N = -λt + ln C hay: ln (N/C)= -λt N /2 Tõ ®ã: N = Ce-λt Gäi N0 = C số hạt nhân cha phân rà thời điểm t = Thay vµo ta cã: N = N0e-λt 0 T1/2 2T1/2 3T1/2 t dN H =− dt Nếu gọi: độ phóng xạ (tức số phân rà giây) ta có: H= N0e-t= H0e-t H0= N0 độ phóng xạ t=0 H H0 H0/2 T1/2 2T1/2 3T1/2 t H»ng số có ý nghĩa l xác suất chuyển trạng thái hạt nhân hạt nhân Nếu ta lấy nghịch đảo l thời gian sống hạt nhân mức lợng cao hay đợc gọi l thời gian sống trung bình ca hạt nhân phóng xạ : = 1/ Để phân biệt tốc độ phóng xạ nhanh hay chậm ngời ta đa ại lợng gọi l chu kỳ bán rà l khoảng thời gian T1/2 m sau khoảng thời gian mật độ hạt nhân ban đầu lại nửa Theo định nghÜa chu kú b¸n r·: NT / N0 = 1/2 = eVậy ta tính đợc: T1/2= ln2 / =0,693/ 1/2 T1/2 Nói chung chất phóng xạ có chu kỳ bán rà khác nhau, chẳng hạn urani cã chu kú b¸n r· 4,5.109 Radi cã chu kì bán rà l 10-6s nên vừa sinh lập tøc biÕn thành chÊt kh¸c Poloni cã chu kú b¸n r· 138 ngày VÝ dơ : ChÊt phãng x¹ iot (Z=53, A= 131) dïng y tÕ cã chu kỳ bán rà T1/2 ngy đêm Nếu lúc đầu ta có 200 g chất ny, sau hai tuần lễ ta lại l gam? Lời giải: Nếu nh ta nhân khối lợng hạt nhân vo hai vế phơng trình: N=N0e-t ta cã: m = m0e-λt = m0e-0,693.t/T =200g.e-(0,693.14)/8=59,47g 1/2 ν 3.3 Tơng tác tia phóng xạ với vật chất Khi tia phóng xạ qua vật chất, hạt tia phóng xạ tơng tác với nguyên tử vật chất đó, nghĩa tơng tác với electron nuclon hạt nhân nguyên tử Nếu không tính đến tơng tác hấp dẫn yếu khối vật chất, hạt tham gia vào ba loại tơng tác nữa: tơng tác mạnh, tơng tác điện từ tơng tác yếu Trong số hạt mà ta gặp (n, p, e-, e+ ) có nơtron proton tham gia vào tơng tác mạnh, tất hạt tham gia vào tơng tác điện từ, tham gia vào tơng tác yếu có tất hạt trừ lợng tử ánh sáng 3.4 Các ứng dụng tia phóng xạ Các tia phóng xạ có nhiều ứng dụng đời sống xà hội Trong y tÕ: Chơp X quang vïng ngùc, d¹ dày, xơng, Chụp X quang máy tính, Chụp X quang cắt lớp máy tính việc chuẩn đoán bệnh chụp cắt lớp Đầu tiên, chiếu tia X từ nhiều hớng vào thể sau đo đạc cờng độ tia X vào thể máy đo kiểm nghiệm, sử dụng liệu với máy tính để tái qua hình theo chiều Chụp X quang máy tính đợc sử dụng việc chuẩn đoán tổn thơng mạch máu nÃo, khối u nÃo Việc chuẩn đoán bệnh cách cho vào thể ngời bệnh nguyên tố đồng vị phóng xạ nh dạng thuốc y tế, sau đo đạc tia phóng xạ phát phân tích máy tính đa hình ảnh quan nội tạng Việc chữa bệnh ung th chiếu xạ tia X, tia gamma, tia nơtron, tia proton đợc triển khai mở rộng Ngoài ngời ta kiểm tra chức sinh lý máy chụp PET (Positron Emission Tomography) để từ hiểu đợc tình trạng cđa ỉ bƯnh 2 Trong c«ng nghiƯp Ng−êi ta sư dụng tia gamma, tia proton để đo đạc xác độ dày vật liệu, mật độ, hàm lợng nớc Kiểm tra không phá huỷ đà đợc sử dơng réng r·i kiĨm tra sù nøt cđa phận quan trọng mà không làm phá hỏng đối tợng kiểm tra Phơng pháp chiếu xạ vật liệu nhằm nâng cao cờng độ, tính chịu nhiệt, khả chịu mài mòn vật liệu đợc sử dơng réng r·i S¸t trïng, diƯt khn dơng y tế tia cho phép tẩy khử trùng dụng cụ y tế 3 Trong nông nghiệp Cải thiện giống nông sản chiếu xạ tia gamma từ nguồn coban 60 xezi 137 tạo đợc giống nh giống có khả chịu gió, chống sâu bệnh tốt hơn, đồng thời, xử lý chiếu xạ giống hoa gây đột biến để có loại hoa nhiều màu sắc đẹp hình dáng độc đáo Đối với việc diệt trừ sâu phá hoại mùa màng, ngời ta chiếu xạ vào sâu hại làm chúng khả sinh sản Chiếu xạ thực phẩm giúp ngăn chặn mọc mầm, bảo quản hoa quả, diệt khuẩn sát trùng 4 Trong bảo vệ môi trờng Việc xử lý khói thải từ lò đốt than xử lý rác thải tia electron loại trừ đợc loại khí gây ô nhiễm môi trờng nh khí SOx, NOx Các phơng pháp chế biến thành phân bón nh amonium sulphat, amonium nitrat đợc triển khai Ngoài ra, việc phát triển kỹ thuật chiếu tia electron vào bùn thải sinh từ nơi xử lý nớc thải để diệt khuẩn làm thành phân bón tiến triển Còn ngành khảo cổ học, ngời ta chiếu xạ vào cổ vật để chụp đợc rõ ràng hoa văn biết đợc phân bố vết rạn nứt 3.5 An toàn tia phóng xạ Do tác dụng ghê gớm tia phóng xạ thể sống nên vấn đề an toàn phóng xạ đợc đa lên hàng đầu nhằm bảo vệ môi trờng sống nh khu dân c xung quanh nơi có nguồn phóng xạ nh vị trí đặt nhà máy điện hạt nhân Để có biện pháp che chắn thích hợp ngời ta phải đo đợc cờng độ nguồn phóng xạ, nghiên cứu khả xuyên thấu qua vật chất tác hại chúng gây thể ngời Để đo cờng độ phóng xạ nguồn, ngời ta dùng ống đếm hạt nhân thiết bị điện tử tinh vi khác 3.5.1 Đơn vị đo phóng xạ Các đơn vị sau đơn vị đo phóng xạ: Becquerel (Bq) đơn vị đo độ phòng xạ H hệ SI, tớnh bng mt phân rà / 1giõy Curi (Ci) đơn vị đo độ phóng xạ H Curi độ phóng xạ lợng chất phóng xạ mà diễn 3,7.1010 phân rÃ/giây C/kg l độ ion hoá tia phóng xạ 1kg không khí v tạo ion có tổng điện tích l 1C R liều lợng xạ rơnghen (hoặc xạ gamma) 2,57976.10-4 [C/kg] 5 C/kgs l độ ion hoá tia phóng xạ 1kg không khí v tạo ion có tổng điện tích 1C/1s R/s = 2,57976.10-4 [C/kg.s] J/kg liều lợng hấp thụ xạ 1Jun/1kg vật bị rọi Rad l liều lợng hấp thụ xạ 10-2 Jun/1 kg vật bị rọi liều lợng xạ đà bị hấp thụ 100erg lợng bị hấp thụ gam chất chiếu xạ Ber đơng lợng sinh học Rơnghen - đơn vị đo liều lợng tơng đơng hệ hết ch−¬ng