các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiên

Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiên Mục lục Các nguyên t phóng x v nh h ng c a b c x gamma trong t nhiênố ạ àả ưở ủ ứ ạ ự 1 M c l cụ ụ 1 M uởđầ 2 các nguyên t phóng x v nh h ng c a b c x gamma trong tù nhiên.ố ạ àả ưở ủ ứ ạ 4 I.1 Các nguyên tè phóng x trong t nhiên.ạ ự 4 I.1.1 ng v phóng x c a Kali -40K.Đồ ị ạ ủ 6 I.1.2 Các ng v phóng x c a Thori v Uran 232Th, 235U,238Uđồ ị ạ ủ à 6 I.1.3 c i m c a các dãy phóng x t nhiên v hi n t ng cân b ng Đặ để ủ ạ ự à ệ ượ ằ phóng x .ạ 8 I.2 Quy lu t phân b c a các nguyên t phóng x trên trái t.ậ ố ủ ố ạ đấ 9 I.2.1 Quy lu t phân b c a Uran v Thori trong v Trái t.ậ ố ủ à ỏ đấ 9 I.2.2 Quy lu t phân b c a Kali v Rubidi trong t á:ậ ố ủ à đấ đ 12 I.3 Vai trò c a b c x gamma trong a v t lý.ủ ứ ạ đị ậ 13 I.3.1 Vai trò c a b c x gamma.ủ ứ ạ 13 I.3.2 Phông b c x gamma.ứ ạ 14 su t li u b c x v nh h ng c a các ng v phóng x n môi tr ng xung ấ ề ứ ạ àả ưở ủ đồ ị ạđế ườ quanh 17 II.1 Các i l ng o li u b c x dùng trong an to n b c x .đạ ượ đ ề ứ ạ à ứ ạ 17 II.1.1 Li u chi u.ề ế 17 II.1.2 Li u h p th D.ề ấ ụ 17 II.1.3 Su t li u h p thô:ấ ề ấ 18 II.1.4 Li u t ng ng.ề ươ đươ 18 II.1.4.1 H s ph m ch t Q.ệ ố ẩ ấ 18 II.1.4.2 Li u t ng ng.ề ươ đươ 19 II.1.4.3 Su t li u t ng ng :ấ ề ươ đươ 19 II.1.4.4 Su t li u chi u v m i quan h gi a su t li u chi u v h m ấ ề ế à ố ệ ữ ấ ề ế à à l ng:ượ 20 II.1.4.5 Li u hi u d ng t ng ng.ề ệ ụ ươ đươ 20 II.2 nh h ng c a các ng v phóng x n môi tr ng xung quanh:Ả ưở ủ đồ ị ạđế ườ 21 II.2.1 nh h ng c a b c x i v i con ng i.Ả ưở ủ ứ ạđố ớ ườ 22 II.2.2 trung bình phóng x có trong ng i.Độ ạ ườ 23 II.2.3 An to n phóng x .à ạ 25 Ph ng pháp th c nghi mươ ự ệ 30 III.1 Chu n b m u v m u chu nẩ ị ẫ à ẫ ẫ 30 III.1.1 Cách t o m uạ ẫ 30 III.1.2 M u chu nẫ ẩ 31 III.2 Ph ng pháp tính h m l ng các nguyên tươ à ượ ố 32 III.2.1 Ph ng pháp tuy t iươ ệ đố 32 III.2.2 Ph ng pháp t ng i.ươ ươ đố 33 III.2.3 Sai sè trong x lý s li u th c nghi m.ử ố ệ ự ệ 33 III.3 H th ng thi t b o.ệ ố ế ị đ 34 III.3.1 S kh i c a thi t b o.ơđồ ố ủ ế ị đ 34 III.3.2 Detector bán d n.ẫ 35 III.3.2.1 Nguyên t c l m vi c c a detector bán d n.ắ à ệ ủ ẫ 36 III.3.2.2 M t s c tr ng c a detector bán d n.ộ ốđặ ư ủ ẫ 36 III.3.3 Máy o su t li u b c x .đ ấ ề ứ ạ 38 Các k t qu th c nghi mế ả ự ệ 39 IV.1 S li u th c nghi m.ố ệ ự ệ 39 IV.1.1 S m ã tr phông.ốđế đ ừ 39 IV.1.2 Ph b c x c a các nguyên t phóng x trong các m u t.ổ ứ ạ ủ ố ạ ẫ đấ 40 IV.1.3 H m l ng c a các nguyên tè 238U, 232Th v 40Kà ượ ủ à 40 IV.1.4 Su t li u b c x .ấ ề ứ ạ 41 K t lu nế ậ 44 T i li u tham kh oà ệ ả 45 Mở đầu Nhiều nghiên cứu ở trong nước cũng như nước ngoài đã sử dụng các kỹ thuật hạt nhân để đánh giá độ nhiễm bẩn phóng xạ tự nhiên. Đặc biệt đã có một bảng số liệu cho các loại đất đá về các đồng vị phóng xạ tự nhiên cho các nước khác nhau trong UNSCEAR - NewYork - 1988 bằng số liệu thực nghiệm chứa các mức trung bình của bức xạ vũ trụ và các trường bức xạ, các phóng xạ của khí Radon trên các địa dư hành chính của các nước trong những thời gian xác định. Tuy nhiên các số liệu luôn có sự biến đổi, vì các đồng vị này luôn luôn bị phân rã trong môi trường.Vì vậy nghiên cứu các số liệu này biến đổi theo thời gian, theo không gian cũng là những việc cần làm. Hơn nữa ở nước ta nghiên cứu này không được triển khai thường xuyên và cũng chưa ở một diện rộng, mới chỉ đo ở các vùng cục bộ. Do đó có thể nói chúng ta chưa có số liệu cơ bản ban đầu một cách đầy đủ, mà mới chỉ đo một vài điểm đặc trưng, đặc biệt chưa theo dõi suất liều trên cơ sở số liệu về hàm lượng phóng xạ tự nhiên ở trong thời gian từ năm 1980 đến 1998. Mục đích của khoá luận này tôi nghiên cứu cả hai phương pháp đo hàm lượng và suất liều trong cùng một không gian và thời gian ở một số địa điểm đặc trưng của khu đất Đại Học Khoa Học Tự Nhiên-Hoà Lạc, bằng hệ thiết bị detector bán dẫn siêu tinh khiết. Đây là các số liệu cơ bản ban đầu cả về hàm lượng lẫn suất liều được đo, qua đó chúng ta có thể đánh giá được các loại đất đá ở khu vực này, cũng như ảnh hưởng của suất liều đến môi trường xung quanh. Ngoài ra, việc nghiên cứu hàm lượng phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ giúp chúng ta tìm kiếm quặng phóng xạ cũng như việc tìm kiếm các nguyên tố cộng sinh với các nguyên tố phóng xạ. Hoàn thanh khoá luận này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Đặng Huy Uyên, tập thể cán bộ trung tâm vật lý hạt nhân, đặc biệt là GS.TS Trần Đức Thiệp, PGS.TS Nguyễn Văn Đỗ và thầy Nguyễn Văn Khuê những người đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian vừa qua. Bản khoá luận này là kết quả của quá trình 4 năm học tập trong trường với sự giảng dạy của thầy cô giáo, là sự tổng hợp kiến thức của bản thân trong thời gian học, cũng như trong quá trình đi thực tập tại trung tâm Vật lý hạt nhân. Mặc dù đã cố gắng học hỏi, tìm tòi nghiên cứu các tài liệu, cũng như được sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo và sự giúp đỡ của bạn bè. Nhưng do thời gian hạn hẹp, khả năng và kinh nghiệm còn có hạn, nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp của quý thầy cô cùng tất cả các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội tháng 06 năm 2003 ch¬ng I các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tù nhiên. I.1 Các nguyên tè phóng xạ trong tự nhiên. Trong tự nhiên có sẵn những đồng vị có tính phóng xạ, đó là các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Về nguồn gốc phát sinh, người ta chia chúng thành 3 nhóm: + Nhóm thứ nhất: Theo quan điểm hiện nay, các đồng vị thuộc nhóm nàyliên quan đến sự tổng hợp chúng khi hình thành thái dương hệ. Chu kỳ bán rã của các hạt nhân này vào cỡ tuổi trái đất(cỡ 5x10 9 năm). Nhóm này bao gồm các nguyên tè 238 U, 232 Th, 40 K, 87 Rb, 24 Sn và một số hạt nhân rất hiếm khác. + Nhóm thứ hai: Nhóm này sinh ra do sự phân rã và phân chia tự phát của nhóm thứ nhất. Chúng có chu kỳ bán rã từ bé hơn 1 giây đến 10 4 ÷ 10 5 năm. +Nhóm thứ 3: Bao gồm các hạt nhân phóng xạ tự nhiên còn lại, chúng sinh ra do những nguyên nhân ngoài trái đất như do tương tác của các tia vũ trụ có năng lượng cao với khí quyển, đó là các nguyên tố như: 3 H, 7 Be, 10 Be, 14 C và một số nguyên tố sinh ra do sự bắt notron hay có nguồn gốc từ các thiên thạch trong vũ trụ đi vào trái đất. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên tạo thành các dãy cơ bản là 238 U, 235 U, và 232 Th. Chúng tạo thành các dãy tương ứng là Uran, Actino Uran và Thori. Các dãy cơ bản trên đều bắt đầu bằng đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn ( 238 U: T 1/2 =4,5.10 9 năm, 235 U: T 1/2 =7.10 8 năm và 232 Th: T 1/2 =45.10 9 năm) và kết thúc bằng các đồng vị chì bền (Pb). Hàm lượng của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên trong đất đá được quy định bởi hoạt độ đá mẹ và tập hợp các quá trình tạo thành đất đá. Trong đó tồn tại các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã dài như 40 K, 87 Rb, 238 U, 232 Th. Các đặc trưng cơ bản như chu kỳ bán rã, hàm lượng trong các hợp chất tự nhiên của các đồng vị phóng xạ này được đưa ra ở bảng sau đây: Bảng 1: Chu kỳ bán rã và hàm lượng của một số đồng vị phóng xạ tù nhiên Đồng vị Hàm lượng trong hợp chất tự nhiên của đồng vị (%) Chu kỳ bán rã (năm) 40 K 0,019 1,39.10 9 87 Rb 27,85 5,0.10 10 232 Th 100 1,4.10 10 235 U 0,7 7,1.10 8 238 U 99,28 4,5.10 9 I.1.1 Đồng vị phóng xạ của Kali - 40 K. 40 K là đồng vị phóng xạ vừa phân rã β + ,vừa phân rã β - đồng vị chiếm K. Khi 40 K phân rã β - sẽ biến thành 40 Ca. Hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái cơ bản. Xác suất của quá trình này là 89 %. Chỉ có 11% 40 K phân rã β + hoặc chiếm K trở thành 40 Ar. Hạt nhân con 40 Ar ở trạng thái kích thích khi trở về trạng thái cơ bản có năng lượng 1,46 MeV. Vì vậy bức xạ gamma 1,46 MeV là bức xạ đặc trưng của 40 K. Chu kỳ bán rã của 40 K là 1,39.10 9 năm. Từ khi hình thành trái đất đến nay lượng 40 K đã giảm đi 8 lần. I.1.2 Các đồng vị phóng xạ của Thori và Uran 232 Th, 235 U, 238 U Cả 3 đồng vị phóng xạ trên đều là những đồng vị phân rã alpha. Các sản phẩm con cháu của 3 đồng vị trên đều không bền. Khi tạo thành chúng lại tiếp tục phân rã tạo thành 3 dãy tự nhiên. Cả 3 dãy phóng xạ trên đều được kết thúc bởi đồng vị phóng xạ chì bền. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy phóng xạ 232 Th có số khối được mô tả theo công thức A=4n, với n là số nguyên biến đổi từ 52 đến 58. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 235 U có số khối được mô tả theo công thức A= 4n+3, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 58. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy 238 U có số khối được mô tả theo công thức A= 4n+2, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 59. Dãy phóng xạ 232 Th được bắt đầu từ 232 Th và kết thúc bởi đồng vị chì bền 208 Pb trải qua 6 phân rã α và 4 phân rã β: 232 Th α 228 Ra β 228 Ac β 228 Th α 224 Ra (1,4.10 10 năm) (5,7 năm) (6,13 giê) (1,9 năm) (3,64 ngày) α 220 Rn α 216 Po α 212 Pb β 212 Bi β 212 Po (5,3 giây) (0,445 giây) (10,6 giê) (60,6 phót) (3.10 -7 giây) 208 Tl β 208 Pb (bền) (3,1 phót) Dãy phóng xạ 238 U được bắt đầu từ 238 U và kết thúc bởi đồng vị chì bền 208 Pb trải qua 8 phân rã α và 4 phân rã β: 238 U α 234 Th β 234 Pa β 234 U α 230 Th (4,5.10 9 năm) (24,1 ngày) (117 phót) (2,5.10 5 năm) (8,0.10 4 năm) 226 Ra α 222 Rn α 218 Po α 214 Pb β 214 Bi (11,6.10 3 năm) (3,82 ngày) (3,05 phót) (26,8 phót) (19,7 phót) 214 Po α 210 Pb β 210 Bi β 210 Po α 206 Pb(bền) . (1,6.10 -4 giây) (20,4 năm) (5 ngày) (138 ngày) Dãy phóng xạ 235 U, gọi là dãy Actini, được bắt đầu từ 235 U và kết thúc bởi đồng vị chì bền 207 Pb trải qua 7 phân rã α và 4 phân rã β: 235 U α 231 Th β 231 Pa α 227 Ac α 223 Fr (7,1.10 8 năm) (225giê) (3,25 năm) (21,6 năm) (22 phót) 227 Th α 223 Ra α 219 Rn (18,2 ngày) (11,44năm) (4,0 giây) 215 Po α 211 Pb β 211 Bi β 211 Po α 207 Pb(bền) α α (1,78.10 -3 giây) (36,1 phót) (2,16giây) (0,5 giây) α β 207 Tl (4,79 phót) I.1.3 Đặc điểm của các dãy phóng xạ tự nhiên và hiện tượng cân bằng phóng xạ. Cả 3 dãy phóng xạ đều bắt đầu từ các hạt nhân phân rã α, có chu kỳ bán rã rất lớn so với chu kỳ bán rã của các hạt nhân con cháu trong dãy. Do tuổi của các mẫu quặng rất lớn, cỡ tuổi của Trái Đất, do đó đến nay các dãy phóng xạ đều xảy ra hiện tượng cân bằng phóng xạ. Khi hiện tượng này xảy ra, hoạt độ phóng xạ của các nguyên tố trong cùng một dãy đều bằng nhau. Ta có phương trình cân bằng phóng xạ sau: λ 1 N 1 = λ 2 N 2 = = λ 1 N i Trong đó: λ i là hằng số phân rã phóng xạ của nguyên tố thứ i N 1 là hoạt độ phóng xạ của nguyên tố thứ i Khi đó nếu biết hoạt độ phóng xạ của một nguyên tố nào đó trong dãy, sẽ suy ra được hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân khác, và do đó biết được hàm lượng của các nguyên tố trong dãy. Trong địa chất quan tâm đến hàm lượng của các nguyên tố U, Th, K. Trong cả 3 dãy phóng xạ tự nhiên các nguyên tố phóng xạ ở đầu dãy khi phân rã, hạt nhân con được tạo thành thường ở trạng thái cơ bản hoặc ở trạng thái kích thích thấp. Do đó, các bức xạ gamma do các nguyên tố đầu dãy phát ra có cường độ thấp. Các nguyên tố cuối dãy khi phân rã hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái kích thích có năng lượng cao. Vì vậy, các nguyên tố này khi phân rã sẽ phát ra các bức xạ gamma có năng lượng lớn và cường độ mạnh. Cho nên có thể sử dụng các nguyên tố này để phân tích và xác định hàm lượng của Uran, Thori và Kali trong đất đá. Hoạt độ phóng xạ alpha của dãy 235 U chỉ cỡ 5% hoạt độ phóng xạ alpha của dãy 238 U. Cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố trong dãy phóng xạ 238 U rất mạnh so với cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ trong dãy 235 U và 232 Th phát ra. Cả 3 dãy phóng xạ 238 U, 235 U, 232 Th đều chứa 3 đồng vị phóng xạ của Radi là 226 Ra, 222 Ra và 224 Ra. Các đồng vị phóng xạ này đều phân rã α tạo thành đồng vị phóng xạ của Radon. Các đồng vị phóng xạ của Radon là 222 Rn, 219 Rn và 220 Rn. Khi đồng vị phóng xạ 219 Rn tương tác với một proton tạo nên hạt nhân dật lùi và ở trạng thái đó nó có thể bay ra khỏi đất đá đi vào khí quyển. Đây là một trong những nguyên nhân gây ra tính phóng xạ của không khí. I.2 Quy luật phân bố của các nguyên tố phóng xạ trên trái đất. Nghiên cứu phân bố hay hàm lượng cả các nguyên tố phóng xạ trong các loại đất đá cơ bản của Trái Đất sẽ cho phép tìm hiểu vai trò của các quá trình hạt nhân trong lịch sử hình thành của Trái Đất và các quá trình biến đổi địa chất đã xẩy ra. I.2.1 Quy luật phân bố của Uran và Thori trong vỏ Trái đất. Trong đất đá Uran và Thori tồn tại dưới dạng UO 2 và ThO 2 . Các loại đất đá khác nhau có hàm lượng Uran và Thori khác nhau. Hàm lượng trung bình của Uran và Thori cũng như tỷ số về hàm lượng của chúng là một trong những thông số đặc trưng cho từng loại đất đá và nguồn gốc của nó. Bng di a ra hm lng trung bỡnh ca Uran v Thoritrong cỏc loi ỏ macma v t s v hm lng ca Uran v Thori. c trng ni bt ca loi ỏ macma l t s gia hm lng ca Uran v Thori (Th/U) luụn luụn ln hn 1, mc dự hm lng ca Uran v Thori trong cỏc loi t ỏ ny l khỏc nhau. T s ny bin thiờn trong khong t 2,7 i vi ỏ Peridiot n 4 Bảng dới đa ra hàm lợng trung bình của Uran và Thoritrong các loại đá macma và tỷ số về hàm lợng của Uran và Thori. Đặc trng nổi bật của loại đá macma là tỷ số giữa hàm lợng của Uran và Thori (Th/U) luôn luôn lớn hơn 1, mặc dù hàm lợng của Uran và Thori trong các loại đất đá này là khác nhau. Tỷ số này biến thiên trong khoảng từ 2,7 đối với đá Peridiot đến 4ữ5,0 i vi ỏ Granit cú tớnh kim. Bng 2: Hm lng trung bỡnh (ppm) ca Uran v Thori trong cỏc loi ỏ macma. Loi ỏ U Th Th/U Loi ỏ xõm nhp: ỏ peridiot, peoxen 0,03 0,08 2,7 ỏ gabro, ỏ diaba 0,6 1,8 3,0 ỏ iorit 1,8 6,0 3,3 [...]... lng khỏc nhau Trong ú Rubidi l ht nhõn phõn ró beta mm thun tuý, cú chu k rt ln Hm lng ca nú trong t ỏ rt nh Vỡ vy Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ trái đất đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên Uran, Thori, Kali và Rubidi với hàm lợng khác nhau Trong đó Rubidi là hạt nhân phân rã beta mềm thuần tuý, có chu kỳ rất lớn Hàm lợng của nó trong đất đá rất nhỏ Vì vậy 87Rb ít c quan tõm trong a vt lý... 7- Ngun nuụi cao ỏp 8- Mỏy phỏt xung chun 8- Máy phát xung chuẩn H ph k gamma sau khi lờn cao ỏp n 3000V c chun nng lng, kim tra phõn gii bng 226 Ra phõn gii nng lng l 2KeV ti nh 609,3 KeV Hỡnh 3: L ph gamma ca ngun 226 Ra o trờn h ph gamma trong phũng thớ nghim H o ph gamma ca cỏc tia gamma cú E Hệ đo phổ gamma của các tia gamma có E =1461KeV ca 40K v E =1760KeV ca h 238U v E =2615 KeV ca h 232Th... rng 40K trong cỏc loi ỏ trm tớch nh hn trong cỏc loi ỏ macma I.3 Vai trũ ca bc x gamma trong a vt lý I.3.1 Vai trũ ca bc x gamma Cng bc x do mt nguyờn t no ú phỏt ra luụn t l vi hm lng ca nguyờn t ú trong i tng nghiờn cu Nu phõn ró phúng x ca cỏc nguyờn t phỏt ra cỏc dng bc x khỏc nhau (alpha, beta v gamma) thỡ hm lng ca nú cú th c xỏc nh dựa vo vic ghi nhn mt trong s cỏc loi bc x trờn Ph bc x gamma. .. gõy nờn Nh vy, khi núi n phụng phúng x cú ngha l nú c to thnh t cỏc nguyờn t cú trong t Trong bng di õy a ra mt s bc x gamma c trng ca mt s ng v phúng x trong dóy Uran, Thori v Kali: Bng 6: Cỏc c trng ca bc x gamma t nhiờn cú trong dóy 238 U v dóy 232 Th ng v phúng x Chu k bỏn ró Nng lng bc x Lng bc x gamma gamma (KeV) cú trong 100 phõn ró Dóy 238U 36,0 609 41,2 16,3 15,8 911 20,0 13,3 10,6 giờ 239 43,1... theo phng phỏp ph gamma Cỏc bc x gamma do cỏc nguyờn t phúng x phỏ ra do cú ph giỏn on Mi ht nhõn phúng x gamma u phỏt ra mt s vch bc x gamma cú nng lng hon ton xỏc nh Ngoi ra, cỏc bc x gamma cú kh nng õm xuyờn ln, do ú phng phỏp gamma cú tm quan trng ln Trong phũng thớ nghim cỏc mu o ph gamma khụng cn phi x lý hoỏ hc trc khi o, ch cn x lý s b nh sy khụ v nghin nh Vi cỏc thit b ph k gamma bỏn dn cú ... du m . 2003 ch¬ng I các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tù nhiên. I.1 Các nguyên tè phóng xạ trong tự nhiên. Trong tự nhiên có sẵn những đồng vị có tính phóng xạ, đó là các đồng vị phóng. Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự nhiên Mục lục Các nguyên t phóng x v nh h ng c a b c x gamma trong t nhiên ạ àả ưở ủ ứ ạ ự 1 M c l cụ ụ 1 M uởđầ 2 các nguyên. độ phóng xạ alpha của dãy 235 U chỉ cỡ 5% hoạt độ phóng xạ alpha của dãy 238 U. Cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố trong dãy phóng xạ 238 U rất mạnh so với cường độ bức xạ gamma do các nguyên