Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong chè và đất đá dưới chân núi ở khu vực hòa bình

Nguyễn Trọng Huy ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TRỌNG HUY XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ

Nguyễn Trọng Huy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN TRỌNG HUY

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ

VÀ ĐẤT ĐÁ DƯỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2014

Nguyễn Trọng Huy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN TRỌNG HUY

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ

VÀ ĐẤT ĐÁ DƯỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Văn Loát

Hà Nội – 2014

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT 3

1.1 Hiện tượng và qui luật phân rã phóng xạ 3

1.1.1.Quy luật phân rã phóng xạ 3

1.1.2 Chuỗi phân rã phóng xạ 6

1.1.3 Hiện tượng cân bằng phóng xạ 7

1.2 Các chuỗi phóng xạ tự nhiên 11

1.2.1 Chuỗi phân rã của đồng vị 238 U 11

1.2.2 Chuỗi phóng xạ của đồng vị 235 U 13

1.2.3 Chuỗi phóng xạ của đồng vị 232 Th 14

1.3 Đặc điểm của nồng độ phóng xạ trong mẫu đất đá và mẫu thực vật 15

1.3.1 Nguồn gốc hạt phóng xạ chứa trong đất đá và thực vật 15

1.3.2 Nồng độ phóng xạ chứa trong thực vật 16

1.3.3 Nồng độ phóng xạ trong mẫu đất đá 18

Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ 19

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp 19

2.1.1 Dịch chuyển gamma 19

2.1.2 Tương tác của bức xạ gamma trong vật chất 20

2.2 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ gamma 22

2.2.1 Cơ sở của phương pháp 22

2.2.2 Phương pháp phổ gamma xác định hoạt độ phóng xạ 24

2.2.3 Phổ gamma của các đồng vị phóng xạ tự nhiên 28

2.3 Hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 30

Chương 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35

3.1 Kiểm tra hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 35

3.2 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi 37

3.2.1 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu thực vật 37

3.2.2 Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu đất đá 40

3.3 Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu thực vật 43

3.3.1 Quy trình phân tích mẫu thực vật 43

3.3.2 Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu chè 43

3.3.3 Quy trình phân tích mẫu đất đá 47

3.3.4 Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu đất đá 47

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu

4 Bảng 1.4 Hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu thực vật ở một số

điều kiện khác nhau

18

5 Bảng 2.1 Các đỉnh gamma có cường độ mạnh nhất do các đồng vị

phóng xạ tự nhiên phát ra

26

6 Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của phổ kế gammar ORTEC 36

7 Bảng 3.2 Hoạt độ phóng xạ riêng của các mẫu chuẩn 37

8 Bảng 3.3 Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần từ mẫu

chuẩn RGU-1 cho mẫu thực vật

38

9 Bảng 3.4 Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần từ mẫu

chuẩn RGU-1 cho mẫu đất đá

41

10 Bảng 3.5 Hoạt độ phóng xạ mẫu lá chè búp Hòa Bình 44

11 Bảng 3.6 Hoạt độ phóng xạ mẫu lá chè già Hòa Bình 45

12 Bảng 3.7 Kết quả xác đi ̣nh hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ riêng (Bq/kg) của các

đồng vi ̣ phóng xa ̣ tự nhiên trong các mẫu chè

46

13 Bảng 3.8 Hoạt độ phóng xạ mẫu đất đá ở khu vực Hòa Bình 48

nước trên thế giới

49

15 Bảng 3.10 Kết quả phân tích hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ riêng (Bq/kg) của

mô ̣t số mẫu đất đá và chè ở ba khu vực

49

Danh mục hình vẽ

1 Hình 1.1 Sơ đồ phân rã 137Cs 137Ba +β 3

2 Hình 1.2 Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và không bền 4

4 Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian của hoạt độ

phóng xạ 99mTc và 99

Mo

8

6 Hình 1.6 Chuỗi phóng xạ của 238U và các sản phẩm tạo thành 12

7 Hình 1.7 Chuỗi phóng xạ của 235U và các sản phẩm tạo thành 13

8 Hình 1.8.Chuỗi phóng xạ của 232Th và các sản phẩm tạo thành 14

9 Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 31

10 Hình 2.2 Buồng chì ORTEC trong hệ phổ kế gamma phông thấp

ORTEC

31

11 Hình 3.1 Phổ phông của thiết bị gamma trong thời gian 104116s 35

12 Hình 3.2 Phổ nguồn chuẩn 60

Co với thời gian đo 762,84 s 36

13 Hình 3.3 Phổ gamma của mẫu chuẩn IAEA- RGU-1 với thời gian

đo 112180s

38

14 Hình 3.4 Đồ thị đường cong hiệu suất ghi của mẫu RGU-1 chuẩn 39

16 Hình 3.6 Phổ gamma của mẫu chuẩn RGU1 121g được đo trong

thời gian 57464s

41

17 Hình 3.7 Đồ thị đường cong hiệu suất ghi của mẫu chuẩn RGU-1

121g

42

18 Hình 3.8 Phổ gamma của mẫu chè búp Hòa Bình 44

19 Hình 3.9 Phổ gamma của mẫu chè già Hòa Bình 45

20 Hình 3.10 Dạng phổ gamma của mẫu đất Hòa Bình 100g 48

1

MỞ ĐẦU

Môi trường sống xung quanh chúng ta luôn tồn tại các đồng vị phóng xạ và điều này đã xảy ra ngay từ khi Trái Đất mới được hình thành Phông bức xạ tự nhiên được sinh ra bởi các chất đồng vị phóng xạ chứa trong đất đá, nước, không khí, thực phẩm, nhà chúng ta đang ở và ngay cả trong cơ thể chúng ta Nói một cách hình ảnh, thế giới chúng ta sống chìm ngập trong bức xạ Con người không thể trốn tránh mà chỉ có thể chung sống với các bức xạ ấy, nhưng chúng ta có thể lựa chọn

và đảm bảo cho mình một môi trường phóng xạ hợp lý nhất

Quả vậy, khắp mọi nơi đều có chất phóng xạ Các chất phóng xạ và các tia bức

xạ có thể đến Trái Đất từ những miền xa xôi trong vũ trụ bao la Đó là những chất phóng xạ tự nhiên Chúng gồm có các đồng vị phóng xạ nguyên thủy có thời gian sống dài và con cháu của chúng (có từ khi tạo thành trái đất) và các đồng vị phóng

xạ sinh ra do tương tác của các tia vũ trụ với bầu khí quyển của trái đất như 14

C chẳng hạn Đồng vị này liên tục được tạo thành do phản ứng hạt nhân giữa các bức

xạ vũ trụ có năng lượng cao với oxy và nitơ có trong lớp khí quyển gần bề mặt của Trái đất Tuy vậy, chúng phân bố không đều giữa nơi này với nơi khác vì hàm lượng phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, tình trạng sống của con người, vào cả vật liệu xây dựng và kiến trúc ngôi nhà để ở… Ngoài ra, từ non một thế kỷ nay với sự phát triển của công nghệ hạt nhân, trong môi trường đã xuất hiện những chất phóng xạ nhân tạo Chúng sinh ra từ các công nghệ ứng dụng đồng vị phóng xạ, từ các nhà máy điện hạt nhân và từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân Gần bốn thập kỉ thử nghiệm ồ ạt vũ khí nguyên tử đã đi qua, nay trên nhiều vùng của Trái đất vẫn còn tồn tại những đồng vị phóng xạ như cesium (137Cs), strongxi (90Sr), hydro nặng (3H)…, chúng còn lưu lại chủ yếu trong đất, bùn đáy và một số động thực vật với hàm lượng thấp Ngoài ra trong không khí còn chứa các đồng vị phóng xạ 14

C và 7

Be, là các đồng vị phóng xạ liên quan tới tia

vũ trụ

Phổ biến nhất là đồng vị phóng xạ kali (40K), có thể nhận biết sự hiện diện của đồng vị 40K có nhiều trong rau, quả và cơ thể con người Bên cạnh đó là các hạt

2

nhân trong dãy phóng xạ uran và thori Sự có mặt của các đồng vị phóng xạ luôn ảnh hưởng dù ít hay nhiều đến tình trạng sức khỏe của con người và môi trường xung quanh bởi sự tác động của bức xạ lên vật chất sống Và con người từ khi ra đời đã phải sống chung với phóng xạ và chịu ảnh hưởng của mọi loại phóng xạ Do

đó, việc đo phóng xạ gamma của các đồng vị phóng xạ trong môi trường sống nhằm xác định phông phóng xạ tự nhiên, khảo sát mức độ ô nhiễm phóng xạ do hoạt động của con người tạo ra là việc làm quan trọng và cần thiết để giảm thiểu những rủi ro gây ra do phóng xạ

Từ những lý do trên, đề tài: “Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong chè và đất đá dưới chân núi ở khu vực Hòa Bình” nhằm xác định hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị có trong một

số mẫu đất đá và chè , nhằm đánh giá hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ riêng của mô ̣t số đồng v ị nhân ta ̣o có thể còn được lưu giữ la ̣i trên bề mă ̣t núi đá

Về mă ̣t lý thuyết , bản luận văn có nhiệm vụ tìm hiểu cơ cở vật lý , phương pháp và kỹ thuật thực nghiệm xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố phóng xa ̣ có trong mẫu đất đá và chè Về thực nghiê ̣m tiến hành đánh giá đư ợc mức

độ giảm phông của buồng chì, xây dựng đường cong hiê ̣u suất ghi và tiến hành thử nghiê ̣m phân tích hoa ̣t đô ̣ phóng xạ riêng của một số mẫu chè và đất đá

Luận văn dài 53 trang gồm 20 hình vẽ, 15 bảng biểu và 18 tài liệu tham khảo Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn chia thành ba chương:

Chương 1 Tổng quan về tính chất phóng xạ của mẫu đất đá và thực vật

Chương 2 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma

Chương 3 Kết quả thực nghiệm

3

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ

CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT

1.1 Hiện tượng và quy luật phân rã phóng xạ

Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối uranium và những hợp chất của nó phát ra những tia gồm 3 thành phần là tia  (alpha), tức là hạt 2He4, tia  (beta), tức

là hạt electron, và tia  (gamma), tức là bức xạ điện từ như tia X nhưng bước sóng rất ngắn Hiện tượng đó gọi là hiện tượng phân rã phóng xạ (radioactive decay) Các tia , ,  gọi là các tia bức xạ (radiation rays) Chúng đều có những tính chất như

có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thấu qua vật chất [3]

Dịch chuyển gamma xảy ra khi một đồng vị phóng xạ ở trạng thái kích thích cao chuyển về trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản Phân rã phóng

xạ có thể kéo theo hoặc không kéo theo dịch chuyển gamma

1.1.1 Quy luật phân rã phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền, tự biến đổi thành hạt nhân khác bằng cách phát ra tia ,  và  Hạt nhân phóng xạ gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân tạo thành là hạt nhân con Thí dụ:

Hình 1.1 Sơ đồ phân rã 137 Cs 137 Ba + β -Hình 1.1 trình bày quá trình phân rã 137 Cs 137 Ba + β-, gồm hai nhánh phát beta, nhánh thứ nhất với hạt beta năng lượng 0,4959 MeV, hệ số phân nhánh 94,4%

4

và nhánh thứ hai với hạt beta năng lượng 0,6617 MeV, hệ số phân nhánh 5,6% Hạt nhân 137Ba sau phân rã theo nhánh thứ nhất nằm ở trạng thái kích thích và tiếp tục phân rã gamma để chuyển về trạng thái cơ bản

Phân rã phĩng xạ cĩ thể kéo theo hoặc khơng kéo theo dịch chuyển gamma Tính phĩng xạ phụ thuộc vào tính khơng bền vững của hạt nhân do tỉ số N/Z quá cao hay quá thấp so với giá trị trung bình (hình 1.2) và quan hệ khối lượng giữa hạt nhân

mẹ, hạt nhân con và hạt được phát ra

Z 100

80

20

40

60



-Z=N

S =0p

S =0n Các hạt nhân phóng xạ

+

Các hạt nhân



Các hạt nhân bền phóng xạ

Hình 1.2 Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và khơng bền [15]

Khi phân rã phĩng xạ số hạt nhân chưa bị phân rã sẽ giảm theo thời gian

Giả sử tại thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã phĩng xạ là N.Sau thời gian

dt số hạt đĩ trở thành N - dN vì cĩ dN hạt nhân đã phân rã Độ giảm số hạt nhân chưa bị phân rã - dN tỉ lệ với N và dt :

Trong đĩ hệ số tỉ lệ  gọi là hằng số phân rã (decay constant), cĩ giá trị xác định đối với mỗi đồng vị phĩng xạ Từ cơng thức (1.2) ta cĩ :

dN

Thực hiện phép lấy tích phân cơng thức (1.3) ta cĩ :

5

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

[1] Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, Nhà xuất bản

Đại học Quốc gia Hà Nội

[2] Trịnh Văn Giáp (2011), “ Điều tra khảo sát để xây dựng cơ sở dữ liệu phông

phóng xạ môi trường trên lãnh thổ đất liền giai đoạn 2009 – 2011” – Báo cáo

kết quả nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp bộ năm 2009 – 2011

[3] Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ

thuật

[4] Bùi Văn Loát (2009), Địa vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà

Nội

[5] Nguyễn Quang Long (2013), “Thiết lập cơ sở dữ liê ̣u phông phóng xa ̣ môi

trường Hà Nô ̣i (phần Hà Nô ̣i mở rô ̣ng ) và hoàn thiện bản đồ kĩ thuật số về

phông phóng xa ̣ môi trường Hà Nội tỷ lệ: 1:100.000” – Báo cáo tổng kết năm

2013

Tiếng Anh

[6] Al-Masri, M.S., H Mukallati, A Al-Hamwil, H Khalili, M Hassan, H Assaf,

Y Amin and A Nashawati (2004), “Natural radionuclides in Syrian diet and

their daily intake”, J.dionalytical and nuclear Chemistry, 260(2): 405-412

[7] Audi, G (2003), Nuclear Physics, A729 p 337 – 676

[8] Abu-Khadra SA, Eissa HS (2008), “Natural radionuclides in different plants,

together with their corresponding soils in Egypt at Inshas region and the area

nearby, IX radiation physics & protection conference”, National Network of

Radiation Physics-Egyptian Atomic Energy Authority: Nasr city - Cairo

[9] Bui Van Loat, Nguyen Van Quan, Le Tuan Anh, Tran The Anh, Nguyen The

Nghia, Nguyen Van Hung (2009), “Studying of characteristic of GEM 40P4

HPGE detector by experiment”, VNU Journal of science,

Mathematics-Physics 25, 231-236

6

[10] Chibowski, S (2000), “Studies of radioactive contamination and heavy metals

contents in vegetables and fruits”, J Envir Study, 9(4):249-253

[11] Denagbe, S.J., Radon-222 concentrantion in subsoils and its exhalation rate

from a soil sample, Radiation Measurements, 200 32:p 27-34

[12] Guivarch, A., P Hinsinger and S Staunton (1999), “Root uptake and

distribution of radiocaesium from contaminated soils and the enhancement of

Cs adsorption in the rhizosphere”, J Plant and Soil, 211(1): 131-138

[13].Huda Abdulrahman Al-Sulaiti (2011), “Determination of Natural Radioactivity

Levels in the State of Quatar Using High Resolution Gamma-ray

Spectrometry”, A thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy;

University of Surrey

[14] Kessaratikoon, P and Awaekechi, S (2008), “Natural radioactivity

measurement in soil samples collected from municipal area of Hat Yai

district in Songkhla province, Thailand”, KMITL Sci, J., Vol 8

[15] K.N Mukhin (1987), “Physics of atomic nucleus”, 59

[16] Nasim-Akhtar and M Tufail (2007), “Natural radioactivity intake into wheat

grown on fertilized farms in twodistrict of Pakistan”, Radiation Protection

Dosimetry, 123(1):103-111

[17] ORTEC – MAESTRO – 32, ORTEC part No.777800

[18] Winkelmann, G., N Romanov, P Goloshopov, P.Gesewasky, S Mundisl, H

Buchrodu, M C.Brummer and W Burkat (1998), “Measurement of

radioactivity in environment samples from the southern urals”, J Rad and

Envir, Biophysics 37(1): 57-61