KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ĐO LIỀU BỨC XẠ

GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM TRONG LĨNH VỰC VẬT LÝ HẠT NHÂN CHƯƠNG I: VẬT LÝ HẠT NHÂN CƠ BẢN Giới thiệu Trong chương tìm hiểu số khái niệm vật lý nguyên tử hạt nhân có liên quan đến lĩnh vực đo lường phóng xạ I ĐỘNG HỌC TƯƠNG ĐỐI TÍNH Lý thuyết tương đối Einstein đưa vào năm 1905 dựa giả thiết sau: Giả thiết 1: Các quy luật tự nhiên kết tất thực nghiệm thực hệ quy chiếu cho trước độc lập với chuyển động tịnh tiến hệ thể thống Giả thiết 2: Tốc độ ánh sáng chân không độc lập với chuyển động nguồn phát Hai hệ tiếng thuyết tương đối là: - Khối lượng vật thể thay đổi mà tốc độ thay đổi - Khối lượng lượng đại lượng tương đương Theo thuyết tương đối khối lượng vật thể chuyển động thay đổi theo tốc độ nó: M* = M v 1−  ÷ c =γM (1.1) Từ phương trình ta thấy rằng: - Khi tốc độ vật tăng lên khối lượng tăng theo GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN - Vận tốc chuyển động vật thể lớn vận tốc ánh sáng chân không Năng lượng toàn phần vật chuyển động xác định sau: E = M *c = Mc + T (1.2) T động vật xác định sau: T = ( γ − 1) Mc (1.3) Đối với vật thể có khối lượng lớn lý thuyết tương đối Einstein có ảnh hưởng không đáng kể Tuy nhiên với vật thể cấp độ nguyên tử thuyết tương đối có ảnh hưởng lớn Năng lượng toàn phần liên hệ với động lượng vật thể sau: E = ( Mc ) + ( pc ) r r r p = M *v = γ Mv (1.4) (1.5) Ví dụ: Một electron có động 200keV Hỏi khối lượng electron tăng thêm phần trăm tốc độ chuyển động electron bao nhiêu? Cho biết lượng nghỉ electron 511keV Bài làm: Ta có động electron cho công thức (1.3): T = ( γ − 1) Mc2 Suy ra: γ = 1+ T 200 = + = 1.391 ; Vậy khối lượng electron Mc 511 tăng thêm 39.1% Ta có: β = 1− v = 0.695 = γ2 c GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Vậy tốc độ electron là: v = β c = 0.695 × × 108 = 2.085 × 108 (m / s) II NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ Theo lý thuyết Bohr nguyên tử tồn dạng hình cầu, cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương nằm tâm electron mang điện tích âm chuyển động quỹ đạo xung quanh Bán kính nguyên tử vào khoảng 10-10m, bán kính hạt nhân khoảng 10-15m Nguyên tử ký hiệu sau: X ZA , đó: A nguyên tử khối Z số hiệu nguyên tử Hình Mô hình nguyên tử Bohr Một số tính chất nguyên tử: - Trong trạng thái ổn định nguyên tử hạt trung hòa điện - Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân quỹ đạo dừng định có mức lượng xác định Hiện tượng phát xạ tia X: Khi mà electron chuyển động từ quỹ đạo dừng Bi sang quỹ đạo dừng Bj nhận vào phát xạ điện từ với lượng sau: TX = hf = Bi − B j (2.1) GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Năng lượng xạ điện từ nằm vùng tia X thang sóng điện từ Mỗi nguyên tử phát tia X có lượng gián đoạn, xác định đặc trưng cho nguyên tử Từ đây, cần xác định lượng tia X, biết loại nguyên tử phát tia X Hình Các mức lượng tia X tạo thành lớp vỏ nguyên tử Khi nguyên tử bị kích thích electron chuyển trạng thái bậc thời gian cỡ 10-8s sau phát xạ tia X Hiện tượng ion hóa nguyên tử: Trong trường hợp electron nhận đủ lượng để thoát khỏi quỹ đạo nguyên tử gọi tượng ion hóa Kết nguyên tử trở thành ion mang điện tích dương Năng lượng cần thiết để tách electron khỏi nguyên tử gọi ion hóa Bảng Thế ion hóa lớp K số nguyên tử Nguyê n tử Thế ion hóa lớp K (eV) Nguyê n tử Thế ion hóa lớp K (eV) H 13.6 Ne 21.56 He 24.56 Na 5.14 Li 5.4 Al 15.76 Be 9.32 Fe 7.63 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN B 8.28 Pb 7.42 C 11.27 U 4.0 HẠT NHÂN Hạt nhân cấu tạo từ nucleon bao gồm notron proton Xét hạt nhân X ZA ta có: A = N + Z ; Với A số khối, N số notron Z số proton Các hạt nhân có số A gọi hạt nhân đồng khối, hạt nhân có số Z gọi hạt nhân đồng vị Hiện có khoảng 107 loại nguyên tố 700 loại hạt nhân khác Bảng Các thông số electron, notron proton Electron Notron Proton Kg 9.109558×10-31 1.674928×10-27 1.672622×10-27 MeV 0.511 939.552 938.258 1.008665 1.007276 +e Khối lượng nghỉ u Điện tích -e Hạt nhân tồn dạng hình cầu đường kính xác định thông qua công thức sau: R = 1.3 × 10− 15 × A [m] (2.2) Khối lượng hạt nhân xác định sau: M ( A, Z ) = Z × m p + ( A − Z ) × mn − B ( A, Z ) × c (2.3) Đơn vị khối lượng hạt nhân tính 1/12 khối lượng đồng 12 vị cacbon C6 : GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN 1u = mC12 = 1.6605 × 10− 27 ( kg ) = 931.481[MeV ] 12 (2.4) Sự bền vững hạt nhân xem xét dựa giá trị lượng liên kết riêng: b ( A, Z ) = B ( A, Z ) A (2.5) Hình Năng lượng liên kết riêng theo số khối A Hình cho thấy khả tạo lượng phản ứng hạt nhân, ta thấy hạt nhân có số khối lớn lượng liên kết riêng nhỏ hạt nhân số khối trung bình, mà phản ứng phân hạch hạt nhân nặng vỡ thành hạt nhân trung bình tạo lượng Còn hạt nhân nhẹ nén hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân trung bình lượng sinh a Các mức lượng hạt nhân Notron proton giữ hạt nhân lực hạt nhân, lực hạt nhân chưa biết đến xác, xác định số tính chất thông qua số mô hình thực nghiệm GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Mô hình hạt nhân giống mô hình lớp vỏ nguyên tử, mà nucleon tồn quỹ đạo dừng định có lượng xác định Trạng thái mà hạt nhân có mức lượng thấp gọi trạng thái nghỉ GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Hình Sơ đồ mức lượng hạt nhân Hiện tượng phát xạ tia gamma: Hạt nhân bị kích sau bậc thời gian từ 10-12 đến 10-10s sau nucleon trở trạng thái có lượng thấp phát xạ xạ điện từ, lượng của xạ nằm vùng gamma thang sóng điện từ Năng lượng gamma phát hiệu mức lượng hai trạng thái đầu cuối nucleon Một số tính chất lượng xạ gamma: - Năng lượng xạ gamma khoảng từ keV đến MeV, lượng tia X khoảng eV đến keV - Năng lượng kích thích hạt nhân lớn nhiều mức lượng xạ gamma phát - Hạt nhân mà có số khối A lớn phát nhiều gamma có mức lượng khác - Khi mà số khối A lớn lượng ứng với trạng thái kích thích hạt nhân nhỏ Hiện tượng biến đổi thành hạt nhân khác: Nếu nucleon nhận lượng kích thích lớn mức lượng bề mặt hạt nhân thoát hạt nhân Khi hạt nhân ban đầu biến đổi thành hạt nhân khác Năng lượng trình phân rã hạt nhân: Hiện tượng phát tia gamma: Trong phân rã gamma, hạt nhân từ trạng thái kích thích trở trạng thái có mức lượng thấp Khi xạ gamma phát với lượng hiệu mức lượng hai trạng thái ( X ZA ) → X ZA + γ * (2.6) GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Theo định luật bảo toàn lượng động lượng ứng với trạng thái trước sau phân rã, ta có: ( M ( A, Z ) ) * = M ( A, Z ) + TM + Eγ (2.7) r r PM + Pγ = (2.8) Động hạt nhân sau phát xạ gamma xác định sau: Pγ2 Eγ2 PM2 TM = MV = = = 2 M M Mc (2.9) Giá trị động gọi lượng giật lùi hạt nhân A sau phát xạ gamma, giá trị lượng giật lùi thường nhỏ bỏ qua tính toán Do vậy, lượng xạ gamma xác định sau: Eγ = (( M ( A, Z ) ) − M ( A, Z ) )c * (2.10) Hiện tượng phát electron biến hóa nội: Khi tia gamma phát từ hạt nhân, thoát bên ngoài, trường hợp lượng tia gamma bị hấp thụ electron lớp vỏ nguyên tử Trường hợp gọi tượng biến hóa nội, electron sau nhận lượng thoát gọi electron biến hóa nội Gọi Bi ,Ti lượng liên kết động electron bị bắn lớp vỏ thứ i, theo định luật bảo toàn lượng ta có: ( M ( A, Z ) ) * = M ( A, Z ) + Ti + Bi + TM (2.11) Động electron phát xác định sau (bỏ qua lượng giật lùi hạt nhân): 10 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Loại tín hiệu dòng thể mối quan hệ rõ ràng điện đưa vào hệ đo dòng điện lối hệ đo, Tại vùng đầu tiên, đặt giá trị điện nhỏ, cần thay đổi giá trị điện chút làm thay đổi lớn giá trị dòng điện lối ra, sau đến giai đoạn mà dòng lối thay đổi vô nhỏ mà điện thay đổi nhiều, vùng gọi dòng bão hòa Giá trị dòng bão hòa phụ thuộc vào cường độ loại nguồn phóng xạ, đương nhiên phụ thuộc vào kích thước hình dạng, loại khí áp suất khí buồng ion hóa sử dụng Khi mà dòng buồng ion hóa thay đổi từ i đến i2 điện đo đạc thông qua điện trở sau: V1 = iR × R = i1 × R; t ≤ Khi t=0, dòng điện thay đổi từ i1 đến i2: V2 = i2 × R Trong khoảng thời gian biến đổi, theo định luật I Kirchhoff ta có : 73 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN i2 = iC + iR = dQ ( t ) V ( t ) dV ( t ) V ( t ) + =C + dt R dt dt Ta có: dV ( t ) i + V ( t) = dt RC C Nghiệm phương trình vi phân có dạng:  t  V ( t ) = i2 R + R ( i1 − i2 ) exp  − ÷  RC  Trong trường hợp cần đo đạc với nguồn có cường độ phóng xạ cực lớn sử dụng mạch RC nhỏ tốt Ống đếm tỷ lệ a Hiện tượng nhân khí ống đếm tỷ lệ Sau cặp electron ion dương sơ cấp sinh ra, chúng di chuyển theo chiều điện trường bên ống đếm, chúng gia tốc với lượng đủ lớn để tiếp tục gây trình ion hóa sơ cấp nguyên tử khí khác Quá trình làm tăng thêm số điện tích tạo thành ống đếm, gọi trình nhân khí Ống đếm tỷ lệ thường cấu tạo theo hình trụ anot sợi dây kim loại mảnh, cường độ điện trường bên ống xác định sau: E ( r) = V0 b r ln  ÷ a 74 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Ngoài ra, electron thứ cấp sinh không thông qua va chạm mà sinh tương tác quang điện bắn phá catot ion dương Các tương tác quang điện gay photon sinh ống đếm từ trình ion hóa hoặ kích thích nguyên tử chất khí Nếu khí ống đếm đơn nguyên tử photon tạo electron quang điện mà chúng va đập vào catot, chúng không đủ lượng để ion hóa 75 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN nguyên tử khí Còn hỗn hợp khí photon tạo thành từ nguyên tử ion hóa nguyên tử khác Các electron quang điện sinh từ ion dương mà chúng va đập vào catot Đóng góp tượng phụ thuộc vào loại kim loại sử dụng làm catot Gọi M hệ số nhân khí,N tổng số electron sinh từ cặp electron ion dương sơ cấp, δ số electron quang điện tạo từ cặp electron ion dương có mặt ống đếm, tạo δN δ < < Vậy với N electron electron quang điện, electron quang điện sinh lại tạo thành N electron mới, sau trình sơ cấp thứ có δ N2 , ta có tổng số electron sinh từ electron sơ cấp là: M = N + δ N + δ N + δ N + Độ lớn δ N phụ thuộc vào giá trị điện sử dụng, δ N [...]... việc ghi nhận chúng 1.2 Phát ra bức xạ điện từ (bức xạ hãm) Các hạt tích điện trong trạng thái tự do khi thay đổi tốc độ một cách đột ngột sẽ phát ra một bức xạ điện từ (bức xạ này có tên gọi là bức xạ hãm) Năng lượng của bức xạ hãm này không phải đơn năng mà nhận giá trị liên tục từ 0 đến giá trị động năng của hạt tích điện đó Theo cơ học lượng tử, cường độ phát ra bức xạ hãm sẽ tỷ lệ với bình phương... mỗi phân hạch CHƯƠNG III: MẤT MÁT NĂNG LƯỢNG VÀ QUÃNG ĐƯỜNG ĐI CỦA BỨC XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận về cơ chế của các tương tác bức xạ ion hóa và mất mát năng lượng khi bức xạ đi trong môi trường vật chất Phần này đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc đo lường bức xạ, bởi vì sự ghi nhận bức xạ đều dựa trên các tương tác và năng lượng của chúng mất đi trong... chúng ta cần phải chú ý rằng, khi một hạt nhân thực hiện quá trình biến hóa nội thì sẽ phát ra đồng thời cả bức xạ tia gamma, electron biến hóa nội, tia X và electron auger Các hạt nhân phóng xạ thực hiện quá trình biến hóa nội chính là nguồn phát electron đơn năng với năng lượng hoàn toàn xác định, vì thế mà chúng ta có thể sử dụng để chuẩn thiết bị đo, 3 đồng vị được dùng chủ yếu trong việc chuẩn... electron trong nguyên tử Kết quả của quá trình này là tạo ra 2 bức xạ gamma năng lượng 0.511[MeV] bay ra theo phương ngược nhau Trong phổ bức xạ ghi nhận được, chúng ta thấy xuất hiện thêm các đỉnh 0.511[MeV] và đỉnh tổng 1.022[MeV] 19 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN Hình 10 Phổ gamma ghi nhận được từ nguồn Na22 Quy luật phân rã phóng xạ: Phân rã phóng xạ là hiện tượng biến đổi tự phát của hạt nhân, kết quả là... của các hạt nhân Khi chúng ta đo một mẫu có khối lượng m, số đồng vị phóng xạ trong mẫu là: N= m × NA A (2.35) Số đồng vị phóng xạ này sẽ bị giảm dần theo thời gian như sau: − dN (t ) = λ × N (t ) dt (2.36) Giải phương trình trên ta có số đồng vị phóng xạ còn lại tại thời điểm t là: N (t ) = N (0) × exp( − λ t ) = N (0) 2t /T1/2 Ta ký hiệu thời gian mà số hạt nhân phóng xạ giảm đi một nửa là (2.37)... Các hạt tích điện khi đi trong môi trường vật chất sẽ mất năng lượng theo các cách sau: 27 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN - Tương tác coulomb với các electron và hạt nhân - Phát ra bức xạ điện từ - Tương tác hạt nhân - Phát ra bức xạ Cherenkov Hạt tích điện khi đi trong vật chất thì xảy ra tương tác chủ yếu là Coulomb với các điện tử và hạt nhân của nguyên tử môi trường Kết quả làm cho các hạt tích điện... chất Đối với các hạt tích điện nhẹ thì tương tác hạt nhân được bỏ qua, còn đối với các hạt tích điện nặng (A>4) thì tương tác hạt nhân có đóng góp đáng kể Bức xạ Cherenkov đóng góp một phần rất nhỏ trong sự mất mát năng lượng của hạt tích điện Bức xạ Cherenkov là sóng điện từ có thể nhìn thấy bằng mắt thường, được sinh ra khi hạt tích điện đi trong môi trường với vận tốc lớn hơn vận tốc của ánh sáng... ghi nhận bức xạ đều dựa trên các tương tác và năng lượng của chúng mất đi trong vật liệu làm detector Do đó mà chúng ta cần phải hiểu được các tương tác của bức xạ diễn ra như thế nào và kết quả của các tương tác đó là gì Chúng ta chia các bức xạ ion hóa thành 3 nhóm: - Các hạt tích điện: β − , β + , p, d , α và các hạt tích điện nặng (A>4) - Các photon: Tia X, tia γ - Các notron: n 1 Cơ chế mất mát... đây, chúng ta chú ý rằng: - Khi 2 hạt tích điện đi trong cùng một loại vật chất, thì hạt tích điện có khối lượng nhẹ hơn sẽ phát ra nhiều bức xạ hãm hơn 30 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN - Khi một hạt tích điện đi trong môi trường có số Z lớn hơn thì phát ra nhiều bức xạ hãm hơn 2 Độ mất mát năng lượng của hạt tích điện thông qua sự ion hóa và kích thích Khi hạt tích điện đi trong môi trường vật chất thì... electron ta có: γ= 5 + 0.511 = 10.785 2 ; β = 0.9914 0.511 Ta có: dE = 403.5 [ MeV / m ] dx 3 Mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm Khi mà electron và positon có động năng là Tcp [MeV] di chuyển trong môi trường vật chất có số hiệu nguyên tử là Z, thì độ mất năng lượng do phát bức xạ hãm được xác định như sau: ZTcp  dE   dE  = × ÷  ÷  dx  rad 750  dx  iae (3.9) 34 GIẢNG VIÊN: ĐINH VĂN THÌN ... việc ghi nhận chúng 1.2 Phát xạ điện từ (bức xạ hãm) Các hạt tích điện trạng thái tự thay đổi tốc độ cách đột ngột phát xạ điện từ (bức xạ có tên gọi xạ hãm) Năng lượng xạ hãm đơn mà nhận giá trị... ĐƯỜNG ĐI CỦA BỨC XẠ TRONG MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT Trong phần thảo luận chế tương tác xạ ion hóa mát lượng xạ môi trường vật chất Phần đóng vai trò vô quan trọng việc đo lường xạ, ghi nhận xạ dựa tương... photon tán xạ ứng với góc tán xạ θ (3.35) = , đó: Eγ' max = Eγ Te = (3.36) Ví dụ: Xét photon có lượng 3[MeV] tán xạ Compton Hãy xác định lượng photon tán xạ động electron bay ứng với góc tán xạ θ =