Chuong 3 Phan ra phong xa VLLT2

Phần năng lượng mất mát này đặc trưng bằng độ ion hóa , tính bằng số cặp ion(electron, ion dương) xuất hiện trong 1 đơn vị chiều dài đường bay của hạt phóng xạ trong môi trường[r]

Chương 3

PHÂN RÃ PHÓNG XẠ

3.1 Định luật phân rã phóng xạ bản

3.2 Phân rã an-pha 7

3.3 Phân rã  10

3.4 Các hệ thức phân rãβ 13

3.5 Bức xạ hạt nhân 15

3.6 Tương tác tia xạ với môi trường vật chất 16

3.7 Đơn vị đo lường phóng xạ 18

3.8Phương pháp dụng cụ ghi nhận tia xạ 19

3.9 Bài đọc thêm: Hiệu ứng Mossbauer 20

2

Nhà vật lý người Pháp Bécơren người khám phá tượng phóng xạ vào năm 1896, ông phát từ muối Urani phát tia khơng trơng thấy, lại có khả xun qua lớp vật chất khơng suốt, ion hóa khơng khí, tác dụng lên kính phim ảnh, gây sựphát quang đối vớimột sốchất

Hiện tượng phóng xạ tự nhiên q trình biến đổi tự phát hạt nhân không bền thành hạt nhân khác kèm theo với tia phóng xạ phát thường quan sát thấy hạt nhân nặng, xếp cuối bảng tuần hoàn Menđêlêép

Hiện tượng phóng xạ tiếp tục nhiều nhà bác học khác nghiên cứu, phải kể đến đóng góp to lớn hai vợ chồng nhà bác học Mari Pie Quiri Trong hai năm nghiên cứu với điều kiện nghiên cứu thiếu thốn, khó khăn, năm 1898 hai ơng bà tìm hai chất phóng xạ Pơlơni (Po) Rađi (Ra) có tính phóng xạ mạnh nhiều so với Urani Tiếp theo, người ta tìm thấy hàng chục chất phóng xạ khác Thơri, Actini, Neptuni, … Cho đến nay, thu số liệu thực nghiệm khổng lồvề trạng thái lượng sơ đồ phân rã hàng nghìn hạt nhân đồng vị, giúp ta hiểu biết vấn đề quan trọng vềcấu trúc tính chất hạt nhân

Các nuclid chia làm hai nhóm: bền vững khơng bền vững (hay phóng xạ) Trong khoảng 1500nuclid bền, cịn lại nuclid phóng xạ Tất đồng vị nguyên tố nặng chì nhiều đồng vị nhẹ phóng xạ

Các cơng trình nghiên cứu thực nghiệm tượng phóng xạ xác nhận có nhiều loại phóng xạ, bảng cho dạng phóng xạ

Dạng biến

đổi ∆Z ∆A Quá trình

Tương

tác

Phân rãα -2 -4 ZXA→Z-2YA-4+α S+E E Rutherford,1899

Phân rãβ- +1

ZX A →

Z+1Y A

+ e- +

~

e

 W E Rutherford,1899

Phân rãβ+ -1 ZX A→

Z-1Y A

+ e++e W

Bắt K -1 ZX

A

+ e-→Z-1Y A

+e W

Bức xạγ 0 (ZXA)*→ZXA+γ E P.Vitard, 1900

Phân chia

tự nhiên -Z/2 -A/2

ZX A→

Z’Y A’

+ Z-Z’Y~

A-A’

S+E K.A Piotre Jack G.N.Flerov, 1940 Phóng xạ

một proton -1 -1 ZX

A→

Z-1YA-1+1H1 S+E

J Cherni cộng

sự, 1983

Phóng xạ

hai proton -2 -2 ZX

A→

Z-1YA-2+ 21H1 S+E

J Cherni cộng

sự, 1983

4

3.1Định luật phân rã phóng xạ bản

Các hạt nhân khơng bền tự phân rã sau thời gian tùy theo nguyên tố Đặc điểm tượng sau: trước phân rã, hạt nhân không biểu lộ thay đổi Đúng lúc phân rã, hạt nhân biến đổi đặc trưng đồng thời biến đổi cấu trúc lớp electron vỏ nguyên tử xuất nguyên tử nguyên tố khác Ta khơng thể nói trước thời điểm phân rã hạt riêng lẻ mà nói sau thời gian lượng chất phóng xạ cịn lại phần trăm khối lượng ban đầu tỉ lệ nói lên tốc độ phân rã chất phóng xạ Thực nghiệm cho thấy tốc độ phân rã chất phóng xạ không phụ thuộc vào yếu tố khách quan áp suất, nhiệt độ…

Hằng số phân rã nguyên tố phóng xạ

Xét lượng chất phóng xạ nguyên tố phóng xạ Gọi N(t) số hạt nhân có lượng chất phóng xạ thời điểm t Sau thời gian dt, số hạt nhân lượng chất phóng xạ N(t+dt) Số hạt nhân lượng chất phóng xạ bị phân rã khồng thời gian dt là:

N(t)–N(t + dt) = dN

Số hạt nhân bị phóng xạ dN tỉ lệ với số hạt nhân chứa lượng chất phóng xạ N(t) khoảng thời gian phóng xạ dt Ta có:

dN = -N(t)dt (3.1)

trong dấu trừ (-) giảm số hạt hệ số dương  tùy thuộc chất phóng xạ gọi số phân rã Hằng số phân rã đặc trưng cho khả phân rã nguyên tố phóng xạ

Định luật phóng xạ- Chu kì bán rã T

Từ cơng thức (3.1), ta có :

dt t

N

dN 

− =

) (

t N t N  − = ) ( ln t e N t

N()= 0 − (3.2)

Trong đó: N0 =N(0)

Cơng thức (3.2) biểu thức toán học định luật phân rã phóng xạ chất phóng xạ

Đồ thị biểu diễn định luật phân rã phóng xạ cho hình 3.1

Thời gian T cần thiết để số hạt ban đầu N(t) lại nửa gọi chu kì bán rã, kí hiệu T Ta tìm mối liên hệ chu kì bán rã T số phân rã  Ta có :

N(t+T) =

N(t)

Áp dụng công thức (3.2) cho N(t+T) N(t), ta được:

t T t e N e

N0 −(+ ) = 0 −

Từ suy ra:

2 1 = − t

e 

Và T =ln2

0,50 1,0

0,25 0,125

T 2T 3T 4T

( ) N t N t e−

t

6 



693 , ln

= =

T (3.3)

Công thức (3.3) cho ta mối liên hệ số phân rã  chu kì bán rã T chất phóng xạ

Bảng cho giá trị chu kì bán rã vài nguyên tố:

Nuclid Chu kì bán rã Nuclid Chu kì bán rã

3

H 12,35 năm 60Co 5,27năm

7

Be 53,44 ngày 100

Te 15,8 giây

14C 5736 năm 213At 1,1.10−7 giây

24Na 15,03 giờ 222Ra

29

Al 2,25 phút 238

U

40

K 1,28.109

năm 239

U

56Mn 2,59 giờ 239Pu 2,41.104 năm

Ta nhận thấy chu kì bán rã nguyên tố khác nhau, từ vài giây đến hàng tỉ năm Tuy nhiên định luật phân rã phóng xạ chung cho chất phóng xạ

Độ phóng xạ lượng chất phóng xạ

Đại lượng N

dt dN

A=− = gọi độ phóng xạ lượng chất phóngxạ, cho biết số phân rã đơn vị thời gian lượng chất phóng xạ Đối với chất phóng xạ định, độ phóng xạ lớn hay nhỏ tùy thuộc lượng chất

Đơn vị độ phóng xạ Becquerel phân rã giây Curie (viết tắt Ci) Ci số hạt nhân bị phân rã gam Radium giây:

1 Ci = 3,7 1010

phân rã/s

1mCi = 10−3

Ci = 3,7 107

phân rã /s 1µCi = 10−6

Ci = 3,7 104

phân rã/s 3.2 Phân rã an-pha

Các đặc điểm phân rã  a Quá trình phân rã

Sự phân rã của hạt nhân nguyên tử AX

Z , có số khối A, điện tích Z, mơ tả q trình sau:

He Y X A Z A Z 4 + → − − (3.4)

Trong He hạt , nhân nguyên tử helium (He) có số khối điện tích 2; A Y

Z

4

−

− hạt nhân nguyên tử Y tạo thành sau trình phân

rã Trong bảng tuần hoàn Men-đê-lê-ép nguyên tố Y đứng trước ngun tố X hai cóđiện tích nhỏ hai đơn vị

b Điều kiện phân rã

Điều kiện để có phân rã của hạt nhân AX

Z trình (3.4) khối lượng nghỉ hạt nhân x phải lớn tổng khối lượng hạt nhân Y khối lượng hạt :

) , ( ) , ( ) ,

(A Z M A Z M

M > − − + (3.5)

c Phổ lượng phân rã 

Khi hạt nhân rã thì hạt được phóng với động Người ta gọi động năng lượng phân rã hạt  Ta tính lượng Muốn vậy, ta xét định luật bảo toàn lượng xung lượng phân rã  Theo công thức (6.1) ta có:

( )

[M A Z ] c [M A Z M ] T T

c2 , = ( −4, −2)+ (4,2) + − +

(3.6)   → → → + =P P x

P (3.7)

Trong T T động hạt nhân Y hạt và

→ → →  P Py

8

Ở ta coi hạt nhân mẹ trạng thái nghỉ, tức

→ →

=0

Px

Từ (3.7) ta có: →P = →P

Và ta có

    M M T T =

Năng lượng liên kết hạt nhân mẹ bằng:

[ ]

) , ( ) ,

(A Z M A Z M c

M

W = − − − − 

∆

Theo (3.6), ∆W =T +T

Từ hai công thức (3.9) (3.10), ta có:

    M M M W T + ∆ = Do M〈〈M

W T ≈∆

Vậy động hạt chiếm phần lớn lượng phản ứng (cũng lượng liên kết) lớn nhiều động hạt nhân tạo thành Thí dụ phân rã nhân 21283Be, lượng liên kết ∆W =6,25MeV, động hạt  T =6,08MeV , động hạt nhân tạo thành

MeV

T =0,117 Như thế, theo tính tốn trên, coi lượng phân rã  lượng liên kết hạt nhân mẹ

Thực nghiệm cho kết luận sau động hạt bay ra: Trong đa số trường hợp, nguyên tố phóng xạ định, hạt  bay mang lượng,tức ta có phổ đơn lượng Thí dụ

Po

214

84 phân rã có hạtmang động

năng T =7,68MeV

Một số nhân phóng xạ có hạt đơn lượng khác Thí dụ 226Ra

83 phóng xạ

N(E)%

ra hai loại hạt nhân có lượng là: 4,88MeV (96%) 4,68 MeV (4%) Đồthị phổ lượng hạt

Đồ thị biểu diễn tỉ lệ hạt bay theo lượng vạch rời rạc (xem hình 3.2 trường hợp hạt có giá trị khác nhau) Bề rộng phổ vào cỡ 0,1eV nói lên tính đơn đơn sắc lượng hạt  Thực nghiệm cho thấy lượng hạt của hầu hết 200 đồng vị nằm khoảng4MeV đến MeV, trung bình vào cỡ MeV

Cấu trúc phổ hạt được giải thích sau Một số lớn nhân sinh sau phân rã nằm trạng thái có động (gần lượng liên kết hạt nhân mẹ) Tuy nhiên nhân khơng trạng thái mà nằm trạng thái kích thích đó: phần nhân hạt  nằm trạng thái kích thích hạt mang lượng bé Sau hạt nhân trở trạng thái

Hình 3.3 Giải thích đồ thị hình 3.2 nói

Trường hợp hạt nhân 226Ranói đồ thị lượng có hai vạch tương ứngvới hai giá trị động hạt  Giải thích có mặt vạch phụ tương tự

Chu kì bán rã

Các nhân bán rã có chu kì bán rã khác nhau, trải giải rộng, từ 3.10-7giây đến 5.1015năm Trong lượng hạt chỉ khác nhiều 2.5 lần

Hạt nhân Th có chu kì bán rã T = 1,4.1010năm Khi hạt nhân Th phân rã, lượng bực xạ hạt nhân là MeV Đó hạt nhân bay chậm

M(A,Z)

1

2

3

M(A - 4, Z - 2)

Hình 3.3

10

3.3 Phân rã 

Ba dạng biến đổi 

Người phát hiện tượng phân rã  E.Rutherford (năm 1898) Khi nghiên cứu phân rã nguyên tố khác nhau, ơng nhận thấy có hai loại phóng Một loại gọi hạt không thể xuyên qua nhôm dày 1mm, loại thứ hai gọi hạt  thâm nhập vào nhôm vài milimet Khi đặt  điện trường hạt  lệch phía cực âm chứng tỏ mang điện dương, cịn hạt  lệch nhiều phía cực dương chứng tỏ mang điện âm Vì hật mang điện âm, người ta kí hiệu −.Đó êlectron Ngồi cịn loại hạt khác có tác dụng lên môi trường mạnh nhiều hai loại hạt không bị lệch điện trường, nghĩa không mang điện Loại thứ ba gọi tia  (photon) hay tia X

Phân rã bêta, gọi biến đổi bêta, trình biến đổi hạt nhân khơng bền sang hạt nhân đồng phân (có sơ khối A) có điện tích khác với hạt nhân mẹ đơn vị ( ∆Z = ±1 ), kèm theo phóng hạt electron hay pơsitron hoặcbắtlấyelectron từlớpvỏK củangun tửmẹ.Đồngthờihạtnhân cịn phóng hạt nơtrinơ Chu kì bán rã củanhân có hoạt tính  nằmtrong giới hạntừ10-2giâyđến1013năm

a Phân rã _

.

Quá trình phân rã _ củahạt

ZX

A

có thểviếtlà: Z

A

X → Z+1

A

Y + −1

e (3.12)

Vàđểgiải thích sựkhơng thoảmãnđịnh luật bảotồn lượng, ôngđề xuất hạt tham gia trình này,hạt có khối lượng = 0, khơng mang điện có spin ½ sau người ta biết hạt nơtrinơ kí hiệu

ν(đúng phản nơtrinơ ν) có khối lượng bé m ≈ Q trình phân rã (3.12) viếtchính xác là:

Z A

X → Z+1

A Y −1

0

e + ν (3.12)

b Phân rã +

Cũng trình phân rã −, q trình phân rã có mặt hạt nơtrinơ ν Quá trình là:

Z

AX →

1

−

Z

AY + e++ ν (3.14)

Hạt e+là hạtpositrion, phản hạtgcủahạtelectron

Joliot Curie Irène Curie phát lần đầu ( năm 1934) trình cách bắn phá hạtnhân Bo dòng hạt  nhưsau:

2

He + 10

Bo → 13

N + n

↓ -→ 13

C + e+ + ν (3.15)

Đây trình biến đổi2 bậccủahạtnhân nguyên tửBo Lúcđầu hạtnhân Bo biến đổi thành hạt nhân azốt,đồng vị nitơ, hạt nhân azốt tựphân rã + Chu kì bán rã đồng vị nhân tạo azốt (khoảng 10 phút Đây trình phân rã phóng xạnhân tạo đầutiênđượcphát

c Quá trình bắtêlectrơn.

Đólà q trình biến đổi củahạtnhân có dạng: e- + Z

A

X → Z−1

A

Y + ν (3.16)

Hạtnhân hấpthụ1 electron từlớpvỏcủangun tử, thườglà từlớpK, đógọilà bắtK Q trình lần đầutiênđượcL.Alváe quan sát vào năm 1937

12

Thí dụvềq trình bắtK là: e- + 4Be

7

→ 3Li

7

+ ν

Năm 1948 B.N.Pontekorvo ghi nhậnđượcquá trình bắtelectron từlớp K Ngồi q trình bắtelectron, biến đổi  cịn có q trình bắt nơtrinơ phảnnơtrinơ củahạtnhân phóng xạêlectron hoặcpơsitrơn

Bản chất q trình biến đổi 

Ba q trình biến đổi nói có thểcoi nhữngq trình nội nuclơn biến đổi nuclôn hạt nhân ( Trong q trình phân rã  đượccoi q trình nộihạch tâm, tứclà biến đổicua hạtnhân) Thậtvậy, trình nộinuclơn tươngứngvớicác q trình +, − bắt K là:

n → p + e- +ν∼ (3.17)

n → p + e+ +ν (3.18)

e- + p → n + ν (3.19)

Q trình bắtnơtrinơ tươngứngvới trình nộihạtnhân sau:

n + ν → p + e- (3.20)

Tất trình tương tác yếugiữacác hạt Do đóxảy chậm Q trình (3.17) phân rã − củanơtrôn tựdo quan sátđượcnăm 1948 theo số liệu năm1986 nhóm nghiên cứu Bon (CHLB Đức) thời gian sống nơtrôn 10, 10 ± 0,12 phút Q trình (3.18) phân rã β hạt proton khơng thoả mãn định luật bảo toàn lượng nên bị cấm, xảy hạt nhân Cho tới nay, người ta coi proton hạt bên vững (xem phần Các hạt nói học phần sau) Các q trình cịn lại có xác suất bé nhiên tất thực nghiệm ghi nhận

Phổ lượng electron phân rãβ vai trò nơtrino ν

Trong phân rãβ, electron tạo thành có lượng nằm giải từ đến Tmax, gía trị Tmax gần hiệu khối lượng hạt nhân

Ở giá trị lượng xác định, số êlectron cực đại giảm đến giá trị ứng với Tmax lượng trung bình êlectron phát thường

1/3 giá trị cực đại Tmax Đối với nguyên tố phóng xạ tựnhiên, giá trị nằm

trong khoảng 0,25 –0,45 MeV

Giải thích tính chất liên tục phổ lượng êlectron phức tạp Một cách tự nhiên, ta thấy êlectron phân rã β phải có lượng xác định hiệu khối lượng hai hạt nhân tính theo đơn vị lượng, nghĩa êlectron phải đơn lượng Nhưng thực nghiệm lại cho đồ thị Ban đầu, người ta giải thích phân rãβ, hạt nhân tạo thành luôn nằm trạng thái kích thích Do phổ liên tục, nhiên vậy, phổ lượng tia γ gián đoạn hạt nhân có mức kích thích xác định Hơn nữa, có trường hợp phân rã β không kèm theo xạ γ nghĩa phân rã làm biến đối từ hạt nhân trạng thái sang hạt nhân khác trạng thái

Như ta nói, Pauli (năm 1931) giải thích đồ thị giả thiết phân rã kèm theo hạt khác êlectron Hạt đáp ứng định luật bảo toàn lượng định luật bảo toan spin Fermi gọi hạt nơtrino ν Nơtrino (và phảnứng nơtrino) có khối lượng gần có spin ½ Động nơtrino bay bù trừ với lượng êlectron để định luật bảo tồn lượng thoả mãn dođó đồ thị lượng củălectron có dạng hình

3.4 Các hệ thức phân rãβ

Ta viết điều kiện để có phân rãβ định luật bảo tồn lượng xung lượng bỏ qua khối lượng nơtrino

Phân rã −

Quá trình phân rã

A A

ZX Z+1Y + e +

−

→  (3.21)

Định luật bảo tồn lượng q trình là:

2 2

e e

ν

14

Trong hạt nhân mẹ (A, Z) đứng yên nên động không, T’, Tevà

ν

T động hạt nhân (A, Z+1), êlectron e phản nơtrino ν

Từ suy điều kiện để có phân rã M(A,Z) > M(A, Z+1) + Me

Cộng thêm hai vế Z khối lượng electron, ta có

At

M (A,Z) > M (A, Z+1)At (3.23)

Kí hiệu MAtchỉ khối lượng nguyên tử Phân rã +

Quá trình phân rã +là

A A

ZX Z-1Y + e +  +

→

Định luật bảo toàn lượng trình là:

2 2

e e

ν

M (A ,Z )c = M (A ,Z -1 )c + M c + T + T + T′ 

Trong hạt nhân mẹ (A,Z) đứng yên nên động không, T’, Te, Tνlà

động hạt nhân (A, Z-1), positon e+ nơtrino ν Từ suy điều kiện để có phân rã là:

M(A,Z) > M(A, Z-1) + Me

Cộng thêm hai vế Z khối lượng electron (cũng khối lượng positon), ta có:

M (A,Z) > M (A, Z-1) + 2MAt At e (3.24)

Bắt electron

Quá trình bắt eletron là:

A A

Z Z-1

e + X Y +

ν

− →

Định luật bảo toànnăng lượng là:

[ ] 2

ν

+ M (A , Z ) c = M (A ,Z -1 )c + T + T

e

M ′

M(A,Z) > M(A, Z-1) - Me

Cộng thêm hai vế Z khối lượng electron, ta có

M (A,Z) > M (A, Z-1)At At (3.25)

Tóm tắt lại ta có: At

M (A,Z) > M (A, Z+1)At (1)

M (A,Z) > M (A, Z-1) + 2MAt At e (2)

M (A,Z) > M (A, Z-1)At At (3)

Từ hệ thức khối lượng hạt nhân, ta suy khơng thể có hai nhân đồng phân bền vững có giá trị điện tích sai khác

Nếu điều kiện (2) thoả mãn tự động dẫn đến điều kiện (3) Sự dịch chuyển nhân tương ứng cóthể đồng thời phân rã +và bắt K Thí dụ dịch chuyển từ nhân 52 Mn25 sang 2453Gr 35% phân rãβ 65% bắt K

Đối với nhân (A, Z) thỏa mãn hai điều kiện (1) đồng phân (A,Z+1) điều kiện (2) đồng phân (A, Z-1) nhân (A,Z) đồng thời có ba dạng biến đổi Thí dụ nhân có biến đổi biểu diễn hình 3.6

3.5 Bức xạ hạt nhân

Bức xạ γ hạt nhân xuất hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích xuống trạng thái trạng thái lượng thấp Tia γ xạ điện từ có bước sóng nhỏ tia Roenghen (tia X) Giữa lượng Eγ, xung lượng bước sóng λ có hệ thức sau:

= hv = (3.26)

= Ћ ; =Ћ = ; p = (3.27)

16

Có nhiều cách tạo thành hạt nhân kích thích : bắn phá hạt nhân hạt tich điện hay hạt trung hòa, cho nhân hấp thụ photon ,hoặc đo kết chuyển dịch α vàβ

Phổ lượng tia γ quan sát luôn gián đoạn, người ta nới mức lượng hạt nhân gián đoạn Thông thường lượng kích thích hạt nhân khơng đủ đẻ phóng nucleon, trạng thái kích thích bị phóng xạ tia γ Tuy nhiên, có lượng trạng thái kích thích đủ lớn đẻ có khả phóng nuclon,thì thường thường xảy xạ γ không xảy xạ nuclon Đó định luật bảo tồn chẵn lẻ bảo tồn moomen động lượng khơng cho phép xảy xạ nuclon

Năng lượng xạ γ sau phân rã α thường không lớn 0,5 MeV Trường hợpphân rãβ , lượng tia γ lớn , vào cỡ từ đến 2,5 MeV

Thí dụ điển hình xạ γ hạt nhân xạ γ hạt nhân (xem hình 3.7)

3.6Tương tác tia xạ với môi trường vật chất Tương tác tia bứcxạ với môi trường vật chất

Khi tia xạ qua mơi trường vật chất xảy tượng ion hóa mơi trường Vì mà người ta gọi tia xạ tia io hóa

notron cá lượng tử (các hạt photon) tác dụng cá tia này, vạt chất xuất hạt mang điện hạt thứ cấp làm ion hóa phân tử mơi trường

Trong thực tế, electron môi trường vật chất không tự mà liên kết Do hạt xạ mang điện ( hạt α, hạt proton) truyền cho electron phần lượng dùng để ion hóa kích thích ngun tử Và quãng đường bay R củ hạt phóng xạ , ngun tử mơi trường bị kích thích bị ion hóa Sau hỵ phóng xạ không tương tác với electron riêng lẻ nũa mà tương tác với toàn nguyên tử Lúc ta có tán xạ đàn tính hạt phóng xạ nguyên tử môi trường vật chất

Sự mát lượng hạt phóng xạ tồn q trình nói gọi mát ion hóa Phần lượng mát đặc trưng độ ion hóa , tính số cặp ion(electron, ion dương) xuất đơn vị chiều dài đường bay hạt phóng xạ mơi trường vật chất Trong khơng khí,ở áp suất khí quyển,độ ion hóa hạt α - ion/mm

Quãngđường bay hạt phóng xạ

Do tương tác với mơi trường vật chất ,năng lượng hạt phóng xạ giảm dần hạt quãng đường đó, gọi quãng đường bay hạt phóng xạ

Mối liên hệ quãng đường bay lượng hạt phóng xạ xác định thực nghiệm Thí dụ khơng khí ,ở điều kiện chuẩn , quãng đường by hạt α lượng MeV có quãngđường bay 3,51cm; quãng đườngbay proton lượng 10 MeV chừng 114cm

Thực nghiệm cho thấy tia phóng xạ α hấp thụ kim loại mỏng có độ dày khác để đo quãng đường bay hạt α môi trường giấy

18

Hạt β hạtelectron positon Khi hạt β tương tác với mơi trường cịn có tượng mát lượng xạ hãm Đường bay hạt không thẳng trường hợp xạ α proton

Bức xạ γ tương tác với electron hạt nhân môi trường, cường độ xạ giảm Tuy nhiên độ xuyên sâu lớn nhiều so với xạ nói 3.7Đơn vị đo lường phóng xạ

Các tia phóng xạ qua mơi trường vật chất, có tác dụng làm ion hố mơi trường bị hấp thụ môi trường Đối với thể người sinh vật, tia gây hiệu ứng sinh học

Vì vậy, bên cạnh đơn vị độ phóng xạ mẫu phóng xạ, người ta cịn dùng số đại lượng đặc trưng cho tác dụng xạ lên vật chất

1 Đ ơn vị đo liều lượng xạ Roentgen gọi culông/kilôgam (C/kg)

1 C/kg liều lượng xạ Roentgen (hoặc xạ gamma) khơng khí cho kilơgam khơng khí, số ion tạo thành có điện tích tổng cộng culông

2 Đơn vị nhỏ C/kg Roentgen (kí hiệu R) R = 2,57976

10− C/kg

3 Đơn vị đo lượng xạ truyền cho kilôgam vật chất mà qua gọi gray(đọc grây, viết tắt Gy):

1 Gy = J/kg

Một liều lượng Gy có nghĩa kilôgam vật chất bị rọi hấp thụ lượng jun Gray dùng y học, điều trị tia phóng xạ

4 Đơn vị đo liều lượng hấp thụ xạ sinh vật, siervet (xieve, kí hiệu Sv), dùng phịng chống xạ sinh vật khác nhau( có người) điều quan trọng mức độ tác động đến sinh lí sinh vật hấp thụ xạ

Thí dụ năm người Pháp hấp thụ liều lượng xạ 3,5 mSv (1mSv = 0,001Sv) đ ó 2,4 mSv có nguồn gốc tự nhiên 1,1 mSv có nguồn gốc nhân tạo

Trong trường hợp lượng xạ hấp thụ lần đồng tồn thể 1Gy tương đương với Sv xạ β vàγ 25 Sv xạ α

Hiệu ứng lượng phóng xạ đồng tồn thể người sau:

Từ 0-250 mGy: khơng có chút ảnh hưởng gìđến sinh lí trực tiếp lâu dài kể trẻ em người lớn

Từ 250- 1000 mGy làm giảm nhẹsốbạch cầu

Từ 1000- 2500 mGy: gây nôn mửa, làm thay đổi thành phần máu Tuy nhiên điều trị lành lặn hoàn toàn

Từ 2500- 5000 mGy gây hậu nghiêm trọng đến sức khoẻ Bắt buộc phải điều trị; liều lượng lần tỉ lệ tử vong ½

Trên 5000 mGy tử vong chắn Trong y học trị liệu tia X, dùng liều lượng Gy cho phận thể Thí dụ, với liều lượng 60-80 Gy tập trung vào phận, lần từ đến Gy vòng đến tuần 3.8* Phương phápvà dụng cụ ghi nhận tia xạ

Như ta thấy, tương tác tia xạ với môi trường vật chất kèm theo nhiều hiệu ứng: tạo iôn, xạ photon, xạ nhiệt Các hiệu ứng cho phép quan sát xạ, đo lường cường độ, mật độ dòng xạ phổ lượng xạ… Dụng cụ phát đo lường có tên chung đềtectơ dựa phương thức mà xạ làm iơn hố phân tử môi trường vật chất Các Đềtectơ phổ biến ống đếm Geiger, ống đếm bán dẫn, ống đếm nhấp nháy, buồng wilson… Ta xét hai đềtectơ điển hình ống đếm Geiger buồng wilson

20

Ống hàn kín chứa khí argon áp suất thấp Các tia α β lọt vào ống nhờ cửa sổ mica mỏng Tia γ qua thành ống kim loại vờa có tác dụng ngăn hạt α vàβ, vừa dùng cực âm ( nối với điện cực âm nguồn, nối đất) Thanh kim loại ống dùng làm cực dương Khi hạt mang điện lọt vàoống, làm iơn hố ngun tử argon đường Dưới tác dụng điện trường hai điện cực, iôn dịch chuyển điện cực tạo xung điện ghi vào đếm

Buồng Wilison

Buồng Wilison, buồng khuếch tán, buồng bọt dụng cụ ghi lại dấu vết hạt phóng xạ qua Buồng Wilison dựa tượng iôn tâng ưng tụ chất lỏng Chất lỏng buồng Wilison làm dãn nở đột ngột chuyển thành q bão hồ nhờ pittơng Nhiệt độ phịng thấp Khi hạt tích điện qua buồng xung quanh iơn xuất giọt liti chất lỏngdọc theo đường Nếu đặt buồng từ trường vệt quỹ đạo bị be cong Chụp hình qua phép tính, ta biết phổ lượng cá nhân

3.9 Bài đọc thêm: Hiệu ứng Mossbauer

Đểhiểu hiệu ứng Mossbauer: Hấp thụ phát xạ cộng hưởng a Bức xạ  độ nhòe

Ta xét tượng phát xạ tiacủa hạt nhân chuyển từ mức kích thích E mức (thí dụ hạt nhân Ir191 ở mức 129 keV mức 0) Sự

chuyển có độ bất định lượng ∆E, nghĩa ta tu xạ có tần số v=

h E−0

, mà dải tần số từ E/h đến h

E E−∆

Ta tính độ bất định Theo nguyên lý bất định, ta có ∆E.T ≥ Độ bất định thời gian ∆t lớn chu kì bán rã T từ đó:

t E

Độ bất định ∆E gọi độ rộng nội Γ tia xạ  Do có ∆E nên xạ  phát khơng đơn sắc mà có độ nhịe Trong thí dụ hạt nhân Ir191,

chu kì bán rã T=10−10

thì

10 −

=

Γ eV Ta thấy độ rộng nội Γrất nhỏ so với khoảng cách hai mức E = 129 keV, độ nhịe xạ phát nhỏ, phần ta bỏ qua

Trong thực nghiệm, người ta dùng nhân phóng xạ   Khi nhân phống xạ, biến đổi thành nhân ta mong muốn vàở trạng thái kích thích, sau nhân trở trạng thái thí dụ trên, ta dùng nhân Os191

phóng xạ  dể trở thành nhân Ir191

ở trạng thái kích thích 129 keV Nhân Ir chuyển trạng thái phát tia 

Tuy nhiên lượng xạ  nhận (E ) enhỏ E cịn chia sẻ phần cho hạt nhân giật lùi:

E T E E )e = − gl <

(  (a)

b Hấp thụcộng hưởng

Bây ta xét thực trình ngược lại: chuyển từ mức lên mức kích thích E cách chiếu xạ  Cúng trên, mức kích thích E có độ bất định ∆Ε Tuy nhiên, hiệu ứng giật lùi hạt nhân sau hấp thụ nên lượng đưa vào (Ε)a phải lớn

E: (Ε)a +Τgl >Ε (b)

Bức xạ chiếu có độ nhịeứng với độ rộng nội Γ

Đồ thị 6.A cho thấy giá trị (Ε)e (Ε)a nằm cách 2Τgl, hai giá trị Ε Độ rộng nội biêu diễn hai đường cong mà đỉnh ứng với (Ε)e (Ε)a

22

c Tác dụng hiệu ứng Doppler

Thực tế làm thí nghiệm quan sát hấp thụ cơng hưởng Như có chồng lên hai đường cong Điều giải thích sau: thực ta có đọ rộng D lớn độ rộng nội Γ nhiều Đó hiệu ứng Doppler nguyên tử nguồn chuyển động Trong thí dụ trên,ở nhiệt độ phịng độ rộng D vào cỡ 0.07 eV xấp xỉ lựng giật lùi Do có phần giao hai đường cong ta quan sát cộng hưởng hấp thụ với dải số (Xem hình 6.B)

hình 6.B Cộng hưởng hấp thụ xảy khoảng giao hai đường cong

Phần chồng lên ứng với dải tần số xạ công hưởng, nghĩa xạ hạt nhân hấp thụ để từ mức nhảy lên mức E Hai đương chồng nhiều cộng hưởng mờ Vì dải tần số tia

 lớn

2 Thí ngiệm Mossbauer – ý đồ kết quả

Năm 1958, nhà vật lí người Đức, nghiên cứu sinh, làm thí nghiệm tượng hấp thụ cơng hưởng nói Ông có ý định làm giảm độ rộng D cách làm giảm nhiệt độ nguôn phát chất hấp thụ Khi phần giao hai đường cong hình 6.B nhỏ đi, số lượng xạ  bị hấp thụ giảm khó quan sát thấy tượng cộng hưởng hấp thụ Mosbauer tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ hình 6.c

Hình 6.c Sơ đồ thí nghiệm Mosbauer D đềtéctơ H nguồn hấp thụ Ir1910 mức I phát xạ đặt trụ quay theo hai chiều khác > hai nguồn phát thu đặt buồng lạnh 88K

24

Kết thí nghiệm ngược lại với dự đốn ban đầu: tượng cộng hưởng rõ nét Sự hấp thu tia γ ghi đo ứng với nhiều vận tốc khác nguồn phát Hình 6.d biểu diễn kết thực nghiệm

3 Giải thích

Trường hợp Ir, ta khơng có hạt nhân tự mà hạt nhân gắn với (theo mơ hình Einstein) tham gia chuyển động nhiệt nhiệt độ thấp (so với nhiệt độ Debye tinh thể, xem chương “chất rắn”) phần lượng giật lùi truyền cho tồn mạng, không cho riêng hạt nhân Do hạt nhân khơng có lượng giật lùi Khi hai đường cong hình 6.a trùng khít nhau, ta có tượng cộng hưởng rõ nét

4 Vài hiệu ứng Mosbauer

Hiệu ứng Mosbauer đưa tới khả xác định với độ xác cao biến thiên lượng Điều cho phép tạo thí nghiệm kiểm nghiệm nhiều kết luận quan trọng lý thuyết mà trước chưa thể kiểm chứng Vài thí dụ ứng dụng hiệu ứng Mosbauer

1 Đánh giá kích thước hạt nhân trạng thái kích thích

2 Đo độ dịch chuyển phía đỏ điều kiện phịng thí nghiệm

Do tầm quan trọng hiệu ứng, ông Mosbauer giải Nobel năm 1961

3.10 Câu hỏivà tập chương 3 A Câu hỏi

1 Chọn câu

A Trong phân rã α hạt nhân sinh đứng sau hạt nhân mẹ hai ô bảng tuần hoàn Mendeleev

B Phân rãα trình nội nuclon

D Mặc dù phổ lượng phân rã − liên tục electron xạ mang giá trị lượng gián đoạn

2 Hãy nêu cácđiều kiện phân rã nhân (A, Z)

3 Bức xạ γ hạt nhân xảy trường hợp nào? B Bài tập

1 Tính thời gian cần thiết để lượng cho trước 90

38Sr giảm 75%

(T = 28 năm)

2 Tìm số phân rã radon biết 24h số nguyên tử bị giảm 18,2%

3 Biết lượng 3.10-9kg 209

79Au có độ phóng xạ 58,9 Ci Tìm chu kì bán rã

Au

4 Một mẫu chất phóng xạ có tốc độ phân rã 548 ph.rã/s lúc t = Lúc t = 48min, tốc độ phân rã giảm xuống 213 ph.rã/s Hãy xác định:

- Chu kì bán rã

- Hằng số phân rã chất phóng xạ - Tốc độ phân rã lúc t = 125min Hạt nhân U232 phân rã thành Th228

-Tính lượng phân rã

- Có thể phân rã U232thành U231bằng cách phóng hạt nơtron khơng?

- Có thể phân rã U232thành Pa231bằng cách phóng proton khơng?

6 Bổ sung đầy đủ phân rã sau:

27 27

74 74

238 93

Si Al + ?

As + ?

U ? +

Mo + e ?

Se  −

→ → → →

26

Bi210; Hg213; At211