PHÓNG XẠ_HE_ALWAYS_SMILES

HỐ PHĨNG XẠ ĐỊNH LUẬT CHUYỂN DỊCH PHĨNG XẠ:(1) Khi phân rã a số khối giảm số thứ tự giảm đơn vị (A'=A- 4; Z'=Z-2), (2) Khi phân rã b- số khối không thay đổi, số thứ tự tăng đơn vị Các đồng vị thuộc họ phóng xạ có số khối khác 4n (u) Bảng 2.1(L5.1): Họ Thori (A=4n) Bảng 2.2 (L5.3): Họ urani-radi (A=4n+2) 1) < 0,1% Bảng 2.3.(L5.4.): Họ actini (A=4n+3) 1) < 5% Bảng 2.4 (L5.2.): Họ neptuni (A=4n+1) 1) < 2,2% NĂNG LƯỢNG HỌC CỦA PHÂN RÃ PHÓNG XẠ VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Trên sở nguyên lý nhiệt động lực học, ta biết q trình hố học tự diễn làm cho hệ chuyển sang trạng thái bền vững mặt lượng, nghĩa chuyển hố ấy, hệ giải phóng lượng dương cho môi trường Quy luật áp dụng cho phân rã phóng xạ Sự phân rã phóng xạ biểu diễn phương trình phản ứng tổng qt: A®B + x + DE (2.17) Phương trình cho biết nguyên tử A chuyển hoá thành nguyên tử B phát hạt x giải phóng lượng DE Sự tính DE cho biết khả tự diễn phản ứng (2.17) DE>0 nghĩa phân rã có khả tự xảy Cịn DE 0, phân rã có diễn hay khơng lại cịn vấn đề khác Năng lượng học phản ứng (2.17) mô tả sơ đồ hình 2.1, chênh lệch lượng hạt nhân mẹ (A) sản phẩm phân rã (B+x) DE Cũng giống phản ứng hố học, hạt nhân khơng bền (A) phải vượt qua hàng rào có chiều cao ES để chuyển hoá thành sản phẩm phân rã (B+x) Chỉ hạt nhân mẹ có lượng cao lượng ES so với lượng trung bình thống kê EA tập hợp hạt nhân A vượt qua hàng rào phân rã Chiều cao hàng rào thấp, xác suất phân rã cao, độ phân rã phóng xạ lớn Tuy nhiên, phân rã phóng xạ khơng giống hồn tồn với phản ứng hố học Trong phân rã a, hạt nhân không cần phải vượt qua đỉnh hàng rào mà xuyên qua hàng rào nhờ hiệu ứng đường hầm Xác suất việc xuyên qua hàng rào cao DE lớn Hình 2.1 (L5.2) Hàng rào phân rã phóng xạ Phân rã phóng xạ trường hợp riêng phản ứng hạt nhân: A + x ® B + y + DE DE = (mA + mx – mB – my)c2 (m khơí lượng hạt nhân) Thay m = M – Zme ta có: DE = (MA + Mx – MB – My)c2 Khi khơí lượng ngun tử biểu diễn qua u (đ.v.C) thì: DE = (MA + Mx – MB – My).931,5 MeV = (MA + Mx – MB – My).1,602.10-13 931,5 J ĐỘNG HỌC PHÓNG XẠ Phân rã phóng xạ tuân theo quy luật động học bậc N=Noe-lt ; (2.2) N số nguyên tử nuclit phóng xạ khảo sát, l số tốc độ phân rã, No số nguyên tử nuclit phóng xạ thời điểm t=0 Thời điểm nửa số nguyên tử ban đầu bị phân rã (N=No/2), gọi thời gian bán huỷ t1/2, tính cách lấy lơgarit vế biểu thức: N/No=1/2= e-lt1/2 (2.3) thu được: t1/2=ln2/l=0.69315/l (2.4) hoặc: l=ln2/ t1/2 (2.5) Đưa (2.5) vào (2.2) ta có: N=No(1/2)t/ t1/2 (2.6) Từ phương trình (2.6) dễ thấy số ngun tử phóng xạ sau 1lần thời gian bán huỷ lại 1/2, sau lần t 1/2 1/4, sau lần t1/2 cịn 1/128 (tức 1%), sau 10 t1/2 cịn 1/1024 (ít phần nghìn) so với lượng ban đầu Một đại lượng thường sử dụng đời sống trung bình hạt nhân phóng xạ t, định nghĩa theo cách thông thường giá trị trung bình: Đưa (2.2) vào (2.8) ta có: So sánh biểu thức (2.9) (2.4) dễ thấy t 1,443 lần thời gian bán huỷ Đặt giá trị t=t=1/l vào (2.2) ta thu Nt = N0/e đưa nhận xét sau đây: thời gian sống trung bình t khoảng thời gian cần thiết để số nguyên tử phóng xạ giảm e lần Sự khác biệt quan trọng động học trình phân rã phóng xạ với q trình hố học chỗ số tốc độ phân rã, thời gian bán huỷ thời gian sống trung bình đồng vị phóng xạ nói chung khơng phụ thuộc vào điều kiện bên nhiệt độ, áp suất, trạng thái vật lý liên kết hoá học 4.Hoạt độ khối lượng Tốc độ phân rã tính số phân rã, tức số biến đổi hạt nhân, giây gọi hoạt độ phóng xạ A: A=-dN/dt=lN.(2.10) Vì thế, quy luật thay đổi hoạt độ phóng xạ theo thời gian quy luật động học khảo sát mục A=A0.e-lt=A0(1/2)t/t1/2,(2.11) Trong A0 hoạt độ phóng xạ ban đầu Trong hệ SI đơn vị hoạt độ phóng xạ Becquerel, viết tắt Bq, định nghĩa 1phân rã 1giây, nghĩa là: 1Bq=1s-1 Trong thực tế, để đo hoạt độ phóng xạ người ta thường sử dụng đơn vị curi, ước số bội số Ci = 3,7.1010 Bq Phương trình (2.10) cho biết quan hệ hoạt độ khối lượng chất phóng xạ, cho phép xác định khối lượng chất phóng xạ đo hoạt độ phóng xạ nó, lượng chất phóng xạ cần dùng để đạt hoạt độ phóng xạ cho trước Từ biểu thức (2.5) (2.10) rút ra: hay: với M nguyên tử gam, NAv số Avogadro Là ví dụ minh hoạ ta thử tính khối lượng 32P cần thiết để có hoạt độ phóng xạ 1Ci, cho t1/2 đồng vị 14,3 ngày Giải: Số nguyên tử 32P cần thiết để có hoạt độ phóng xạ 1Ci là: Suy khối lượng 32P cần có là: Một đại lượng quan trọng khác hoạt độ riêng As nguyên tố phóng xạ,được định nghĩa hoạt độ phóng xạ đơn vị khối lượng, thường 1g, nguyên tố ( bao gồm khối lượng đồng vị phóng xạ khơng phóng xạ: Đơi hoạt độ phóng xạ riêng quy mol hợp chất hoá học chứa nguyên tố phóng xạ: Chẳng hạn hoạt độ phóng xạ riêng benzen đánh dấu C thường cho theo đơn vị mCi/mmol=Ci/mol 14 Sự thay đổi hoạt độ phóng xạ riêng theo thời gian tn theo phương trình (2.11): Trong As0 hoạt độ phóng xạ riêng thời điểm t=0 (hoạt độ phóng xạ riêng ban đầu) Trong hố học thơng thường người ta quan tâm đến khối lượng chất có mặt hệ, hố phóng xạ, ứng dụng chất phóng xạ, bên cạnh khối lượng, hoạt độ phóng xạ riêng thơng tin quan trọng Ngoài ra, cách đồng thời xác định khối lượng hoạt độ phóng xạ người ta nhận thơng tin quan trọng trình biến đổi vật chất hệ khảo sát CÂN BẰNG PHÓNG XẠ 4.1 Khái niệm cân phóng xạ Khái niệm cân phóng xạ thực chất không đồng với khái niệm cân hoá học Để hiểu rõ khái niệm khảo sát trường hợp quan trọng thường gặp hố phóng xạ, đồng vị mẹ phân rã thành đồng vị con, đồng vị lại phân rã tiếp tục Những biến đổi biểu diễn sơ đồ: Nuclit 1® Nuclit 2®Nuclit (2.21) Tốc độ tích luỹ nuclit (2) hiệu tốc độ hình thành đồng vị phân rã nuclit mẹ (1) tốc độ phân rã con: dN2/dt = -dN1/dt -l2N2=l1N1-l2N2(2.22) Thay vào (2.22) biểu thức N1 rút từ (2.2) ta có: dN2/dt +l2N2-l1N10e-l1t= 0(2.23) Giải phương trình vi phân tuyến tính (2.23) (xem phụ lục 1) người ta thu được: Giả định thời điểm t=0 nuclit tách hoàn toàn khỏi nuclit mẹ, tức N20=0 (2.24) trở thành: Rút ra: hay: Từ (2.27) đễ dàng nhận thấy trường hợp l2>l1 sau thời gian t đủ lớn chấp nhận : (2.28) (2.27) trở thành: Nghĩa là: Trạng thái tỷ số nồng độ nuclit mẹ nuclit trung gian không thay đổi theo thời gian gọi trạng thái cân phóng xạ Sự khác cân phóng xạ với cân hố học nằm chỗ cân phóng xạ khơng phải trạng thái trình thuận nghịch Từ điều kiện để có biểu thức (2.29) (2.30) đưa trường hợp sau đây: (1) l2>>l1 có nghĩa thời gian bán huỷ nuclit mẹ t1/2(1) lớn so với thời gian bán huỷ nuclit t 1/2(2), hệ nhanh chóng đạt cân phóng xạ Đây trường hợp cân kỷ (2) l2>l1 nghĩa thời gian bán huỷ nuclit mẹ t 1/2(1) lớn so với thời gian bán huỷ nuclit t1/2(2) tốc độ phân rã mẹ bỏ qua Đó trường hợp cân tạm thời (3) l2