tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI  Vật lý hạt nhân là một trong các học phần bắt buộc thuộc khung chương trình đào tạo cử nhân vật lý, phóng xạ và hiện tượng phóng xạ tự nhiên là một phần của lý thuy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM

TÌM HIỂU HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ TRONG TỰ NHIÊN

Luận văn tốt nghiệp

Lời cảm ơn

- Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết về phóng xạ Đến nay tôi

đã hoàn thành bài báo cáo của mình Tôi xin chân thành cảm ơn:

Thầy Hoàng Xuân Dinh đã bỏ ra rất nhiều công sức hướng dẫn tôi thực hiện

luận văn

- Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn vật lý đã tận tình giúp đỡ hướng, tập thể lớp SP Vật Lý_Công Nghệ K34 đã có những đóng góp và giúp đỡ tôi

Sinh viên thực hiện

Phạm Thanh Dũng

MỤC LỤC Trang

Phần MỞ ĐẦU……….1

1 Lý do chọn đề tài ………1

2 Mục đích của đề tài ……….1

3 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu ……….1

4 Các bước thực hiện đề tài ………1-2 Phần NỘI DUNG ……… 3 CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ ……… 3

1.1 Hiện tượng phân rã phóng xạ ……….3-4 1.2 Quy luật phân rã phóng xạ ……….4

1.2.1 Hệ thức cơ bản ………4

1.2.2 Chu kỳ phân rã ……… 5

1.2.3 Chu kỳ bán rã ……….5-6 1.2.4 Độ phóng xạ ………6

1.2.5 Mật độ phóng xạ ……….6-7 1.2.6 Cường độ bức xạ ………7

1.3 Các định luật bảo toàn trong hiện tượng phóng xạ ………7

1.3.1 Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần ………7-8 1.3.2 Định luật bảo toàn động lượng ……….8

1.3.3 Định luật bảo toàn điện tích ……… 8

1.3.4 Định luật bảo toàn số khối ……….8

1.3.5 Định luật bảo toàn spin ……… 8-9 TÓM TẮT CHƯƠNG 1 ………9

CHƯƠNG 2: CÁC DẠNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ ……… 10

2.1 Khái niệm tia phóng xạ ……….10

2.2 Các dạng tia phóng xạ ………10

2.2.1 Phân rã alpha ( ) ……….10-11

2.2.2 Phân rã bêta ( ) ……… 11

2.2.2.1 Các dạng phân rã bêta ( ) ……… 11-12 2.2.2.2 Quy tắc dịch chuyển phân rã bêta ( ) ……… 12-14 2.2.3 Phân rã gamma ( ) ……….14-16 TÓM TẮT CHƯƠNG 2 ………16

CHƯƠNG 3: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ……….17

3.1 Các họ phóng xạ tự nhiên ……….17

3.1.1 Định nghĩa phóng xạ tự nhiên ………17

3.2 Họ phóng xạ ………17

3.2.1 Họ Thơrium ……… ……17-19 3.2.2 Họ Neptunium ……… 19

3.2.3 Họ Uranium ………20-21 3.2.4 Họ Actinium ………21-24 3.3 Các đồng vị phóng xạ trong tầng sinh quyển ……… 24

3.3.1 Phóng xạ trong đất đá ……….24

3.3.1.1 Đá kết tinh … ………24

3.3.1.2 Đá trầm tích ……….25

3.3.1.3 Đá phiến sét (diệp thạch) giàu hữu cơ và than đá ……… 25

3.3.1.4 Sa thạch (đá cát kết tinh) ………25

3.3.1.5 Đá carbonate ……… 26

3.3.1.6 Các loại đất khác ………26

3.3.2 Tia vũ trụ ……… 26

3.3.2.1 Nguồn gốc và thành phần của tia vũ trụ… ………26-32 3.4 Phóng xạ tự nhiên trong môi trường đối với con người ……….32

3.4.1 Các nhân phóng xạ tự nhiên có trong vật liệu xây dựng và nhà ở 32-33

3.4.2 Các nhân phóng xạ có trong nước biển ……….33 3.4.3 Phóng xạ trong thực phẩm ………33-34

3.4.4 Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người ………34

TÓM TẮT CHƯƠNG 3 ……….34-35

CHƯƠNG 4: CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO LIỀU LƯỢNG PHÓNG

XẠ 4.1.Hoạt độ phóng xạ ………36

4.2.5 Xác suất hiệu ứng ngẫu nhiên của bức xạ ……….39

4.2.6 Liều giới hạn cho phép ……… 39-40

5.3.1 Nguyên lý phương pháp Uran- chì ………44

5.3.2 Cách xác định tuổi theo phương pháp Uran- chì ………44-46

5.4 Phương pháp Kali-Argon ……….46

5.4.1 Nguyên lý Phương pháp Kali-Argon ……….46

5.4.2 Phương pháp Kali-Argon ……… 46-47

5.4.2.1 Cách xác định tuổi theo phương pháp Kali-Argon …………47-48 TÓM TẮT CHƯƠNG 5 ……….48-49 CHƯƠNG 6: CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN SÁT VÀ CÁC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG PHÓNG XẠ ……… 50 6.1.Nguyên tắc chung ……… 50 6.2 Buồng ion hóa ……… 50-51 6.3 Ống đếm tỉ lệ .………51-52 6.4 Ống đếm Geiger ………52-54 6.5 Buồng Wilson ……….54 TÓM TẮT CHƯƠNG 6 ……… 54-55

Phần KẾT LUẬN ……… 56

Tài liệu tham khảo ……… 57

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 1 SVTH: Phạm Thanh Dũng

Phần MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

 Vật lý hạt nhân là một trong các học phần bắt buộc thuộc khung chương trình đào tạo cử nhân vật lý, phóng xạ và hiện tượng phóng xạ tự nhiên là một phần của lý thuyết vật lý hạt nhân, là hiện tượng hạt nhân tự phát ra các tia phóng xạ có mang năng lượng Chúng ta đã biết chất phóng xạ là một bộ phận không thể tách rời của Trái Đất chúng ta, nó đã tồn tại cùng Trái Đất Các chất phóng xạ tồn tại trong tự nhiên, có trên mặt đất, có trong không khí và thực phẩm Chất phóng xạ tồn tại ở dạng khí trong không khí khi chúng ta hít thở Cả trong cơ thể của chúng ta bao gồm cơ, xương và các mô đều chứa các nguyên tố phóng xạ có trong tự nhiên

 Con người vẫn thường phải chịu sự chiếu xạ của các bức xạ tự nhiên từ Trái Đất, cũng như từ bên ngoài Trái Đất Bức xạ mà chúng ta nhận được từ bên ngoài Trái Đất được gọi là các tia vũ trụ hay bức xạ vũ trụ Kể từ khi được phát hiện, việc ứng dụng hiện tượng phóng xạ đã phát triển hết sức nhanh chóng ở hầu hết các nước trên thế giới và mang lại nhiều hiệu quả to lớn

 Phóng xạ trong một số trường hợp là vô hại, nhưng trong một số trường hợp rất nguy hiểm có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của con người Phóng xạ mạnh có thể làm bỏng hoặc làm cháy da vài tuần sau khi tiếp xúc, phóng xạ rất mạnh có thể gây ra các vết loét và làm rụng tóc Dĩ nhiên là ung thư có thể phát triển nhiều năm sau khi chiếu xạ ở các mô đã được chữa lành Ở những năm 20, các nhà khoa học cũng đã bắt đầu lý giải mối liên quan giữa nồng độ khí Radon

ở các mỏ với tỷ lệ ung thư cao hơn trong nhóm công nhân mỏ Vì vậy việc tìm hiểu về hiện tượng phóng xạ nói chung và phóng xạ tự nhiên nói riêng là rất cần thiết Tuy nhiên do còn hạn chế về thời gian và kiến thức nên đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

 Tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên, sự phân bố phóng xạ, một

số ứng dụng phóng xạ, đơn vị và dụng cụ đo liều lượng phóng xạ

3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu dựa trên cơ sở phân tích tài liệu, những thông tin có liên quan trên sách, báo, đài, internet… Từ đó rút ra những nhận xét, đánh giá Trao đổi với giáo viên hướng dẫn

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Trong quá trình nghiên cứu đề tài được thực hiện theo các bước sau:  Bước 1: Nhận đề tài và xác định những nội dung cần đạt được của đề tài

 Bước 2: Sưu tầm tài liệu và nghiên cứu tài liệu dựa trên cơ sở những nội dung đã xác định và lập đề cương sơ bộ

 Bước 3: Viết báo cáo, sửa chữa theo hướng dẫn của giáo viên

 Bước 4: Báo cáo đề tài

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 3 SVTH: Phạm Thanh Dũng

Phần NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

1.1 Hiện tượng phân rã phóng xạ

- Năm 1896, Henri Becquerel đã quan sát thấy

muối của Uranium và những hợp chất của nó phát ra

những tia gồm ba thành phần là tia alpha tức là hạt

Hêli (2He4), tia  tức là hạt electron, tia  tức là bức

xạ điện từ bước sóng rất ngắn Chúng đều có những

tính chất như có thể kích thích một số phản ứng hóa

học, ion hóa chất khí, xuyên qua vật chất thông

thường Hình 1.1 : Atoine Henri Becquerel (1852-1908)

Giải thưởng Nobel 1903

- Về sau công trình nghiên cứu của hai vợ chồng là Marie Curie và Pierre

Curie đã chứng tỏ rằng chùm tia đó

phát ra từ hạt nhân chứ không phải

lớp vỏ của nguyên tử và đó là tính

chất chung của các nguyên tố chứ

không riêng Uranium Họ đã gọi các

nguyên tố có tính chất đó là nguyên

tố phóng xạ và các tia phát ra có tên

là tia phóng xạ

- Ngày nay, người ta định nghĩa hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân

nguyên tử tự phát ra tia phóng xạ và biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử của

nguyên tố khác, từ trạng thái có năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn

- Nguyên tố hóa học mà hạt nhân của nó mang tính phóng xạ được gọi là đồng

vị phóng xạ, người ta chia ra 2 loại đồng vị phóng xạ: Đồng vị phóng xạ tự nhiên

và đồng vị phóng xạ nhân tạo Ở đây ta chỉ khảo sát và tìm hiểu về phóng xạ tự

nhiên, điều đặc biệt là tính phóng xạ không phụ thuộc vào các tính chất hóa- lý

như: áp suất, nhiệt độ… Nên không thể thay đổi bằng bất kì cách gì

1.2 Quy luật phân rã phóng xạ

 Quy luật phân rã phóng xạ là quá trình mang quy luật thống kê Tuy nhiên,

ta thường sử dụng một số rất lớn các nguyên tử của một nguyên tố phóng xạ, nên

ta có thể dự đoán được sự phân rã của chúng với độ chính xác cao Nghiên cứu

hiện tượng phóng xạ, ta thấy nó có một số đại lượng đặc trưng và tuân theo một số

định luật như sau:

1.2.1 Hệ thức cơ bản

 Trong một nguồn phóng xạ, số hạt nhân có tính phóng xạ giảm dần theo

thời gian Giả sử tại thời điểm t, số hạt nhân có tính phóng xạ là N(t) Sau khoảng

thời gian dt, số hạt nhân giảm đi là:

dN(t)  N(t)dt (1.1)

khác nhau Nhưng là hằng số đối với một chất phóng xạ cho trước, có nghĩa là xác

suất để một hạt nhân phân rã không phụ thuộc vào tuổi của nó

- Từ (1.1) ta có:

dt

t N

t

dN  ) (

) (

 Đây là hệ thức cơ bản của hiện tượng phóng xạ Ta thấy quy luật phân rã

theo thời gian là quy luật giảm theo hàm số mũ

1.2.2 Chu kỳ phân rã

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 5 SVTH: Phạm Thanh Dũng

 Chu kỳ phân rã ( hay thời gian sống trung bình) của hạt nhân phóng xạ được tính như sau:

0

0 ) (

) (

dt

dt t dt t N

dt t tN

dx

dx x

e

e

x x









  1 (1.4)  Công thức 1.4 cho ta thấy thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ bằng nghịch đảo của hằng số phân rã:

N

0 ) (      (1.5)

lần Nó được gọi là chu kỳ phân rã

1.2.3 Chu kỳ bán rã

 Chu kỳ bán rã T ( thời gian bán rã) của một nguồn phóng xạ là khoảng thời gian cần thiết để số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó giảm xuống còn một nửa so với ban đầu

lnN(t)=lnN 0 -t

) (

0

t N

0 

T N N

- Do đó:

T=



2 ln

=



693 , 0 (1.6)

1.2.4 Độ phóng xạ

 Độ phóng xạ H ( hay hoạt độ phóng xạ) của một nguồn là số hạt nhân có

tính phóng xạ của nguồn đó phân rã trong một đơn vị thời gian

- Từ (1.1) ta có:

e H e

N t N dt

t dN

H  ( )  ( )  0   0  (1.7)  Như vậy, độ phóng xạ của một nguồn phải được xét ở từng thời điểm Nó phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn và số lượng hạt nhân có tính phóng xạ tồn tại trong nguồn tại thời điểm đang xét

 Đơn vị đo độ phóng xạ là phân rã trên giây hay Becquerel (Bq)

 Ngoài ra, ta cũng thường dùng đơn vị khác là Curie(Ci)

 Một nguồn phóng xạ phát ra n tia phóng xạ trong mỗi đơn vị thời gian, vì các tia phóng xạ phát ra theo mọi hướng đều đặn như nhau nên mật độ phóng xạ J tại một điểm cách nguồn một khoảng R là:

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 7 SVTH: Phạm Thanh Dũng

2

4 R

n S

n J





 (1.8)  Mật độ bức xạ tỉ lệ nghịch bình phương khoảng cách tới nguồn

1.2.6 Cường độ bức xạ

 Cường độ phóng xạ I tại một điểm trong không gian là số năng lượng do

tia phóng xạ truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền của tia tại điểm đó trong một đơn vị thời gian:

I J.E (1.9)  Trong đó, E là năng lượng của mỗi tia phóng xạ

 Nếu các tia phóng xạ không đồng nhất thì:





 J

i i

E I

1

(1.10)

 Với E i là năng lượng phản xạ thứ i (i=1,2,3…)

1.3 Các định luật bảo toàn trong hiện tƣợng phóng xạ

 Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng biến đổi hạt nhân, các thành phần của hệ chỉ tương tác với nhau mà không tương tác với các thành phần bên ngoài tạo thành một hệ kín Do đó, hiện tượng phóng xạ bị chi phối bởi các định luật sau:

1.3.1 Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần

 Năng lượng toàn phần trước khi phóng xạ bằng năng lượng toàn phần sau khi phóng xạ:

- Ta có quá trình phóng xạ:

C B

E

C B A

M A 2  B  C 2 

).

(

 Với Q là năng lượng toả ra trong một phân rã phóng xạ

2 ).

(M M M C

Q A B  C



1.3.2 Định luật bảo toàn động lượng

 Động lượng trước phóng xạ và sau khi phóng xạ là bằng nhau:

- Ta có :

C B

1.3.3 Định luật bảo toàn điện tích

 Tổng đại số điện tích trước và sau phóng xạ là bằng nhau:

- Ta có:

Z A =Z B +Z C

- Với Z A, Z B, Z C là các nguyên tử số

1.3.4 Định luật bảo toàn số khối

 Số khối A trước và sau phóng xạ là bằng nhau:

־ Ta có:

A A =A B +A C

- Với A A, A B, A C là các số khối của hạt nhân trước và sau phản ứng

 Định luật bảo toàn số khối và định luật bảo toàn điện tích dùng để xác

1.3.5 Định luật bảo toàn spin

 Trong phân rã phóng xạ, spin của hệ được bảo toàn, nghĩa là trước phân rã phóng xạ spin của hệ là số nguyên (hoặc bán nguyên) thì spin của hệ sau phản ứng cũng là số nguyên (hoặc bán nguyên)

TÓM TẮT CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1: HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ 1.1 Hiện tượng phân rã phóng xạ

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 9 SVTH: Phạm Thanh Dũng

- Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự phát ra tia phóng xạ

và biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác

1.2 Quy luật phân rã phóng xạ

1.3 Các định luật bảo toàn trong hiện tƣợng phóng xạ

1.3.1 Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần

Q C M M C

M A 2  B  C 2 

).

(

1.3.2 Định luật bảo toàn động lượng

C B

P  





- Động lượng trước phóng xạ và sau khi phóng xạ là bằng nhau

1.3.3 Định luật bảo toàn điện tích

CHƯƠNG 2: CÁC DẠNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

2.1 Khái niệm tia phóng xạ

 Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân

nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra các bức

xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ)

qua từ trường bị lệch hướng Trong không gian, bức xạ alpha không truyền đi được xa và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài của da Tuy nhiên, nếu một chất phát tia alpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát năng lượng ra các tế bào xung quanh Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm, mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da

a) Quá trình phân rã alpha có công thức chung

A Z

A

- Trong đó  chính là hạt nhân nguyên tử Hêli (2He4)

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 11 SVTH: Phạm Thanh Dũng

b) Qui tắc dịch chuyển trong phóng xạ alpha

- Qui tắc dịch chuyển trong phóng xạ alpha để tìm hạt nhân con là: Tìm vị

E X  Y 

- Hay M X C2 M Y C2 M C2 E đ

.

 Trong đó M X , M Y, M là khối lượng nguyên tử của các hạt X, Y,  và E đ

là động năng của hạt alpha

E đ>0 vì hạt alpha bức xạ bao giờ cũng có vận tốc khác không

- Công thức xác định để một nguyên tố X phân rã alpha là:



M M

spin bằng

2

1

 Trong quá trình phân rã  lúc đầu Pauli cho rằng đó là hạt nơtrinô nhưng thực chất đó là phản hạt nơtrinô  ~

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 13 SVTH: Phạm Thanh Dũng

Trong phân rã  hạt nhân mẹ mất một điện tích âm bằng e hay nói cách khác điện tích hạt nhân con tăng thêm một đơn vị điện tích dương, tức là bằng

1



- Quy tắc dịch chuyển trong phân rã 

dịch chuyển để tìm hạt nhân con là: Tìm vị trí của hạt nhân mẹ trong bảng hệ thống tuần hoàn dịch chuyển một ô về phía trước ta có hạt nhân con Số khối hạt nhân con bằng số khối hạt nhân mẹ

- Vì hạt nhân hấp thụ một electron nên qui tắc dịch chuyển giống như phân

không đổi)

d) Điều kiện phân rã bêta:

- Từ công thức phân rã ,, bắt K ta có các hệ thức năng lượng tương ứng:

 ~ 2

2 2

.

.C M C m C T T T

M X C2 M Y C2 m e C2 T Y T e T

.

.

M X C2 M Y C2 m e C2 T Y T

.

.

 Trong đó:

M X là khối lượng hạt nhân mẹ

M Y là khối lượng hạt nhân con

T Y,T e,T là động năng của hạt nhân con Y,e,  ~

.m C

.C

M ntX C2 M ntY C2 T Y T e T

.

M ntX C2 M ntY C2  m e C2 T Y T e T

2

M ntX C2 M ntY C2 T Y T

.

- Do đó động năng T ở vế phải của ba phương trình trên là số dương nên ta

suy ra điều kiện để có phân rã  là:

 Phân rã : M ntXM ntY

 Phân rã : M ntXM ntY  2m e

 Bắt K: M ntXM ntY

nội nuclôn tự phân rã theo các công thức sau:

   ~

e p n

   

e n p

   

n e p

2.2.3 Phân rã gamma ( )

 Bức xạ gamma là dạng năng lượng sóng điện từ, bức xạ gamma không bị lệch hướng khi đi qua từ trường vì nó mang năng lượng lớn Nó đi được khoảng cách lớn trong không khí và có độ xuyên mạnh Tia gamma được tạo ra do sự tự

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 15 SVTH: Phạm Thanh Dũng

phân rã của chất phóng xạ Khi tia gamma bắt đầu đi vào vật chất, cường độ của

nó cũng bắt đầu giảm Trong quá trình xuyên vào vật chất, tia gamma va chạm với các nguyên tử Các va chạm đó với tế bào của cơ thể sẽ làm tổn hại cho da và các

mô ở bên trong Các vật liệu đặc như chì, bêtông là tấm chắn lý tưởng đối với tia gamma

 Quá trình phân rã gamma của hạt nhân là quá trình một hạt nhân lúc đầu ở trạng thái kích thích sau đó chuyển về trạng thái cơ bản hoặc trạng thái thấp hơn

và bức xạ ra một phôtôn gọi là tia gamma Tia gamma là bức xạ điện từ có bức sóng rất ngắn (nhỏ hơn tia alpha)

- Công thức phân rã gamma





Z A

( Dấu * chỉ trạng thái kích thích

 Chú ý: Trong phân rã gamma không có sự biến đổi hạt nhân

- Quá trình biến đổi nội: Hạt nhân ở trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra tia gamma Nhưng có thể “giải quyết” trạng thái kích thích

ấy bằng cách truyền trực tiếp năng lượng kích thích ấy cho các electron ở vỏ

nguyên tử và làm bật một electron nào đó ra ngoài Hiện tượng này được gọi là quá trình biến đổi nội và electron được phát ra gọi là electron biến đổi nội

- Trạng thái kích thích của hạt nhân có thể phân ra theo hai cách :

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 17 SVTH: Phạm Thanh Dũng

CHƯƠNG 3: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN

3.1 Các họ phóng xạ tự nhiên

3.1.1 Định nghĩa phóng xạ tự nhiên

 Người ta thấy trong thiên nhiên có những hạt nhân không bền phân rã thành hạt nhân khác, hạt nhân này cũng không bền và phân rã tiếp Quá trình như vậy cứ tiếp diễn và xuất hiện các hạt nhân trung gian trước khi kết thúc bằng một hạt nhân bền Tập hợp tất cả những hạt nhân trong một chuỗi liên tiếp xuất phát từ một hạt nhân không bền đầu tiên cho đến hạt nhân bền cuối cùng như thế gọi là họ phóng xạ

 Trong tự nhiên người ta tìm thấy ba họ phóng xạ Ba họ đó lấy tên hạt nhân đứng đầu là họ Thơrium (90Th232), Uranium (92U238), Actinium (92U235)  Tất cả hạt nhân đứng đầu họ đều là những hạt nhân nặng A>200, do đó

khối giảm đi 4 đơn vị, còn số điện tích giảm đi 2 đơn vị, do đó số phần trăm các

số neutron với số phần trăm không lớn Từ đó ta thấy rằng hạt nhân nặng sau một

các quá trình phân rã  và  xen kẽ nhau

3.2 Họ phóng xạ

 Như ở trên chúng ta biết rằng trong quá trình phân rã của hạt nhân, thì từ một hạt nhân không bền phân rã thành một hạt nhân khác, hạt nhân này cũng không bền và tiếp tục phân rã Quá trình như vậy cứ tiếp tục xẩy ra và được kết thúc bằng một đồng vị bền

 Tổng hợp tất cả các hạt nhân trên, trong một chuỗi phân rã liên tiếp xuất phát

từ một hạt nhân không bền đầu tiên cho tới hạt nhân cuối cùng được gọi là họ phóng xạ

3.2.1 Họ Thơrium

 Hạt nhân đầu tiên của họ Thơrium là 90Th232, có A=232 Các hạt nhân khác trong họ này cũng có giá trị A=4n vì phân rã duy nhất làm thay đổi số khối A

phóng xạ và trải qua các đồng vị khác nhau như 86Rn220, 84Po216… Và kết thúc bằng đồng vị bền 82Pb208

1,59(0,03) 0,966(0,2) 0,908(0,25)

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 19 SVTH: Phạm Thanh Dũng

3.2.3 Họ Uranium

 Các hạt nhân trong họ đều có số khối A=4n+2 Hạt nhân bắt đầu họ là

92U238 Hạt nhân 92U238 họ Uranium có thời gian bán rã T=4,5.109 năm Họ Uranium kết thúc bằng đồng vị bền của chì 82Pb206

0,186 (0,030)

82 Pb 214

0,352 (0,036) 0,295 (0,020) 0,242 (0,07)

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 21 SVTH: Phạm Thanh Dũng

83 Bi 214

(0,04%)

1,65; 3,7 (99,96%)

0,609 (0,295) 1,12 (0,131)

81 Tl 210

2,31 (1) 0,783 (1) 0,297 (1)

Năng lượng (MeV)

năm nên hầu như Thơrium không giảm trong quá trình tồn tại của Trái Đất Trong lúc đó, hạt nhân đầu tiên 92U238 họ Uranium có thời gian bán rã T=4,5.109 năm, nên 92U238 bị phân

dụng 92U235

 Đặc điểm chung thứ hai của ba họ phóng xạ tự nhiên là mỗi họ đều có một

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 23 SVTH: Phạm Thanh Dũng

Radon Trong trường hợp họ Uranium, khí 86Rn222 được gọi là Radon, trong họ Thơrium, khí 86Rn220 được gọi là Thơron, còn trong họ Actinium khí 86Rn219 được gọi là Actinon Chú ý rằng trong họ phóng xạ nhân tạo Neptunium không có thành viên khí phóng xạ Sự có mặt của các khí phóng xạ trong ba họ phóng xạ tự nhiên

là một trong các lý do chính gây nên phông phóng xạ tự nhiên của môi trường Trong ba loại khí phóng xạ thì Radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,82 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian bán rã của Thơron (52s) và Actinon (3,92s) Khí Radon khuếch tán từ Trái Đất vào không khí và các con cháu Radon phóng xạ, thường ở dạng rắn trong các điều kiện thông thường, bám vào các hạt bụi khí quyển Đứng về phương diện an toàn bức xạ, sự chiếu xạ ngoài của Radon và con cháu nó lên người không tác hại bằng sự chiếu xạ trong cơ thể khi con người hít thở bụi có các nhân phóng xạ bám vào vì chúng là các nhân phát hạt alpha Hàm lượng Radon trong không khí phụ thuộc vào hàm lượng Uranium trong đất, do đó ở các vùng có mỏ quặng Uranium cần phải lưu ý ảnh hưởng của bụi khí phóng xạ lên sức khỏe con người Ngoài ra, trong điều kiện tự nhiên hàm lượng Radon trong nhà cao hơn ngoài trời vài ba lần, do đó cần kiểm tra liều bức

xạ trong nhà do Radon gây ra

 Đặc điểm chung thứ ba của cả ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều kết thúc bằng những đồng vị bền của chì

 Đặc điểm chung thứ tư các họ phóng xạ nêu trên thường được ký hiệu các họ

là 4n, 4n+1, 4n+2 và 4n+3, do phép chia cho 4 còn dư của số khối lượng các thành

được chia tròn cho 4 Do các phân rã trong họ này đều thực hiện bằng cách phóng các hạt alpha, có số khối lượng bằng 4 hoặc các hạt bêta có số khối lượng bằng 0 nên số khối lượng của tất cả các thành viên trong họ Thơrium cũng chia hết cho 4

Do đó họ Thơrium gọi là họ 4n Cũng lập luận tương tự, họ Uranium gọi là họ

và các con cháu của nó chia cho 4

còn dư 3 Một họ còn thiếu đó là họ Neptunium, gọi là họ 4n+1, có số khối lượng của Np237

và các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 1

3.3 Các đồng vị phóng xạ trong tầng sinh quyển

3.3.1 Phóng xạ trong đất đá

3.3.1.1 Đá kết tinh

 Đá núi lửa và núi biến chất là đá kết tinh được tạo thành dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất lớn Uran và Thơri là các

nguyên tố có kích thước nguyên tử lớn nên

chúng không có mặt trong hầu hết khoáng vật

được tạo thành sớm ở nhiệt độ cao và áp suất

lớn, và có khuynh hướng được làm giàu trong

các đá kiềm tạo thành muộn Vì bản chất của

Uran và Thơri giống nhau dưới các điều kiện

này nên tỷ số Th/U trong các đá núi lửa thường nằm giữa khoảng 3 đến 5 Độ giàu của hai nguyên tố tăng theo hàm lượng silic, trong đá giàu silic hàm lượng Uran là cao nhất nhưng hiếm khi vượt quá 30ppm, các đá nghèo silic có hàm lượng Uran

là các chất tạo nhiệt trong đá kết tinh Vào khoảng trên 1,4 tỷ năm trước, hầu như không có oxygen trong khí quyển và Uranoxit có thể tồn tại trên bề mặt trái đất dưới dạng

các dòng suối và do mật độ cao nên chúng bị tích tụ trong các mỏ sa khoáng Theo thời gian, các điểm tích tụ này bị chôn vùi, ép sâu và bị biến chất thành các mỏ kết tủa sỏi cuội kết thạch anh Các mỏ kết tủa này là nguồn Uran chính trong các vùng

mỏ có tầm kinh tế quan trọng của Nam Phi và Canada

3.3.1.2 Đá trầm tích

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 25 SVTH: Phạm Thanh Dũng

 Khoảng 1,4 tỷ năm trước hoặc sớm

hơn, Uran phong hóa từ các đá núi lửa, đá kết

tinh hoặc đá trầm tích bị khuếch tán dưới dạng

các ion hòa tan hoặc một trong các dạng phức

của nó Sự tái tích tụ Uran do các phản ứng oxy

hóa khử gián tiếp từ các quá trình sinh học rất

gần bề mặt Trái Đất Các đá trầm tích như thế sẽ

làm giàu Uran

3.3.1.3 Đá phiến sét (diệp thạch) giàu hữu cơ và than đá

 Các lớp sét tích lũy và vật liệu hữu cơ có thể xuất hiện trong môi trường biển và cửa sông dưới độ sâu vài km trong các

bị hấp thụ lên trên các lớp hữu cơ và lớp sét Than

đá cũng là môi trường khử và bẫy Uran, nhiều

loại than đá và các chất đốt là nguồn giàu phóng

xạ

3.3.1.4 Sa thạch (đá cát kết tinh)

 Sa thạch là nơi tích tụ phần lớn Uran có

tính kinh tế Nước chứa Uran chảy qua sa thạch

và đi vào miền khử, ở đấy Uran bị khử và kết tủa,

tạo nên lớp áo phủ trên các hạt cát Thân quặng

được tạo ra và lớn dần Con cháu của dẫy Uran

được giải phóng bằng sự giật lùi và do độ hòa tan

khác nhau có thể được vận chuyển tách ra khỏi

khối Uran Những khối chất này tích tụ dần dần

và làm giàu thân quặng

3.3.1.5 Đá carbonate