Tương tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và lí thuyết của quá trình truyền năng lượng

Trờng đại học vinh Khoa vật lý Đề tài : Tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và lý thuyết của quá trình truyền năng lợng Tóm tắt Khóa luận tốt nghiệp đại học Cán bộ hớng dẫn : Th.S Nguyễn Thành Công Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Hoàng Thanh Lớp : 44A Vật lý Vinh - 2007 1 2 Lời cảm ơn Thực hiện khoá luận tốt nghiệp này tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo thạc sĩ Nguyễn Thành Công đã trực tiếp tận tình hớng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành khoá luận. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong BCN khoa Vật lý, các thầy cô ở phòng thí nghiệm Vật lý Quang phổ đã có nhiều chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành khoá luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn ngời thân, bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ và động viên tôi hoàn thành tốt khoá luận. Mục Lục Mở đầu 1 Chơng I: Tơng tác của bức xạ với vật chất 4 1.1.Một số khái niệm cơ bản 4 1.1.1. Bức xạ hạt nhân . 4 1.1.2. Phân rã phóng xạ 5 1.1.3. Tơng tác của bức xạ với vật chất 6 1.2. Tơng tác của bức xạ với vật chất. 7 1.2.1. Đặc điểm tơng tác của bức xạ với vật chất. . 7 1.2.2. Bức xạ điện từ 7 1.2.2.1. Các nguồn bức xạ điện từ. 8 1.2.2.2. Tơng tác của tia gamma với vật chất. . 9 1.2.2.3. Tóm tắt các tơng tác của photon 1 5 1.2.3. Bức xạ anpha 1 6 1.2.3.1.Các nguồn bức xạ anpha. . 1 6 1.2.3.2. Tơng tác anpha 1 6 1.2.4. Bức xạ bêta. 1 7 1.2.4.1. Các nguồn tia bêta 1 7 1.2.4.2. Tơng tác bêta. 1 9 1.2.5. Nơtron . 1 9 1.2.5.1. Nguồn nơtron 2 0 1.2.5.2. Tơng tác của nơtron với vật chất. . 2 1 1.2.6. Tóm tắt tính chất của bức xạ hạt nhân và đặc điểm tơng tác của chúng với vật chất 2 2 3 Chơng II: Lý thuyết của quá trình truyền năng lợng của bức xạ với vật chất 2 4 2.1. Các đặc trng chủ yếu của quá trình truyền năng lợng 2 4 2.1.1.Liều chiếu . 2 4 2.1.2. Suất liều chiếu 2 4 2.1.3. Liều hấp thụ . 2 5 2.1.4. Suất liều hấp thụ. 2 5 2.1.5. Mối tơng quan giữa X (R) và D (Gy) . 2 5 2.1.6. Liều tơng đơng (HT,R) . 2 5 2.1.7. Suất liều tơng đơng 2 6 2.1.8. Thông lợng bức xạ . 2 6 2.2. Các lý thuyết của quá trình truyền năng lợng của bức xạ với vật chất 2 6 2.2.1. Lý thuyết tuyến tính phi ngỡng . 2 7 2.2.2. Lý thuyết lợng tử 2 7 2.2.3. Lý thuyết cấu trúc vết 2 9 2.2.4. Mô hình truyền năng lợng 3 0 2.2.5. Các dẫn xuất của mô hình truyền năng lợng 3 2 2.2.6. So sánh các lý thuyết về quá trình truyền năng lợng của bức xạ với vật chất . 3 4 4 2.2.7. Một số vận dụng của mô hình truyền năng lợng 3 5 2.2.7.1. Tơng tác của bức xạ với tế bào. 3 5 2.2.7.2. Thuỷ tinh 3 7 2.2.7.3. Hợp kim Fe- Ni . 3 8 Chơng III: Ghi đo bức xạ 4 0 3.1. Các cơ chế đợc sử dụng để ghi đo bức xạ 4 0 3.2 Đêtectơ nhấp nháy . . 4 1 3.2.1. Nguyên tắc hoạt động 4 1 3.2.2. Các chất nhấp nháy thờng dùng . 4 1 3.2.3. Bộ nhân quang điện . 4 3 3.3.3. Cơ chế đo liều 4 4 3.3.4. Đặc trng của đêtectơ nhấp nháy . 4 6 Kết luận . 5 1 Tài liệu tham khảo . 5 2 5 Mở Đầu Ngày 28 tháng 12 năm 1895 một bản thông báo đã đi vào lịch sử của nhân loại với một sự kiện vĩ đại, đó là tia X đợc Rơnghen phát hiện ra khi nghiên cứu hiện tợng phóng điện qua chất khí. Để rồi ngay năm sau đó 1896 Beccơren đã tìm thấy tia gamma đợc phát ra từ các tinh thể của muối Uran cũng có tính chất tơng tự nh tia X. Đến năm 1898 Curie đã nhận dạng và tách đợc thêm 2 nguyên tố phóng xạ nữa là Poloni và Radi. Từ đó một kỉ nguyên của vật lý nguyên tử hạt nhân đã đợc mở ra. Ngay sau khi tia X và các chất phóng xạ khác đợc phát hiện, con ngời đã biết tận dụng những u điểm vốn có của chúng. Tia X đã đợc sử dụng đầu tiên trong y học để chụp ảnh các vết gãy xơng. Cho tới năm 1939 khi Hahn và Strasmann phát hiện ra hiện tợng phân hạch của hạt nhân Uran thì thế giới đã bắt đầu một thời kì mới, thời kì ứng dụng năng lợng nguyên tử. Từ lò phản ứng ngời ta đã chế tạo ra đợc các nguồn đồng vị phóng xạ phong phú. ứng dụng của vật lý hạt nhân phát triển mạnh mẽ trên hai lĩnh vực quan trọng đó là: - Các ứng dụng năng lợng: năng lợng to lớn giải phóng trong các phản ứng phân hạch và tổng hợp hạt nhân đợc sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân. - Các ứng dụng phi năng lợng (hay kĩ thuật hạt nhân): lĩnh vực sử dụng các tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và các phản ứng hạt nhân phát ra năng lợng tơng đối nhỏ so với năng lợng tổng hợp và phân hạch hạt nhân. ứng dụng của kĩ thuật hạt nhân rất đa dạng và phong phú, không chỉ trong y tế mà phát triển mạnh trong các lĩnh vực khác nh nông nghiệp (bảo quản thực phẩm, hoa quả; tạo giống mới, chế biến phân bón), công nghiệp (kiểm tra chất lợng sản phẩm, cấy iôn để làm thay đổi tính chất vật liệu nh mong muốn). Từ nhiều năm nay, kĩ thuật hạt nhân đã trở thành công cụ đổi mới trong công nghiệp, tăng hiệu quả và năng suất lao động, tiết kiệm năng lợng và bảo vệ môi trờng sinh thái. 6 Tuy nhiên để hiểu, khai thác và ứng dụng hết khả năng to lớn của bức xạ hạt nhân đồng thời đảm bảo đợc an toàn bức xạ thì chúng ta cần phải hiểu rõ quá trình tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và cơ chế truyền năng lợng trong các quá trình đó. Đây là vấn đề rất quan trọng trong lĩnh vực kĩ thuật hạt nhân và đã đợc rất nhiều các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu. Với ý nghĩa thiết thực của vấn đề và sự hớng dẫn của thầy giáo Th.S: Nguyễn Thành Công, tôi đã lựa chọn đề tài: Tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và lý thuyết của quá trình truyền năng lợng. Mục đích của bản luận văn là trình bày một số vấn đề cơ bản về bức xạ nh các khái niệm, đại lợng đặc trng; quá trình tơng tác của một số loại bức xạ hạt nhân với vật chất; đa ra lý thuyết của quá trình truyền năng lợng của bức xạ với vật chất, so sánh mô hình truyền năng lợng với các lý thuyết khác và nêu một số vận dụng của nó; đề cập tới một số cơ chế đợc sử để ghi đo bức xạ dựa vào các hiệu ứng do quá trình tơng tác của bức xạ với vật chất gây ra, nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của đêtectơ nhấp nháy và minh hoạ một số hình ảnh về đêtectơ nhấp nháy NaI (một loại liều kế thông dụng đã và đang đợc sử dụng để xác định liều lợng bức xạ trong phòng thí nghiệm VLQP của trờng ĐH Vinh). ở Việt Nam các lĩnh vực ứng dụng bức xạ hạt nhân cha đợc phát triển và khai thác đúng với tiềm năng to lớn của nó. Đối với mọi ngời cũng nh sinh viên đây là một lĩnh vực còn khá mới mẻ và xa lạ do những hiểu biết về lĩnh vực này còn rất hạn chế, chủ yếu là qua lý thuyết, ít đợc tiếp xúc thực tế. Vì vậy với những vấn đề trình bày trong bản luận văn này mong rằng sẽ cung cấp một số kiến thức cơ bản để các bạn tham khảo, gần gũi hơn với vật lý nguyên tử hạt nhân và hiểu rõ hơn khả năng ứng dụng hết sức to lớn của nó. Bố cục của luận văn gồm 7 Phần mở đầu: giới thiệu luận văn, nêu ý nghĩa và lý do chọn đề tài. Phần nội dung: Chơng I: Tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất. Chơng II: Lý thuyết của quá trình truyền năng lợng của bức xạ với vật chất. Chơng III: Ghi đo bức xạ Kết luận: Tóm tắt những nội dung đã trình bày trong bản luận văn. 8 Chơng I tơng tác của bức xạ Hạt nhân với vật chất Tìm hiểu quá trình tơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất trớc hết ta cần nắm một số khái niệm và định nghĩa cơ bản về bức xạ hạt nhân, phân rã phóng xạ và phản ứng hạt nhân, các thuật ngữ về tơng tác của bức xạ với vật chất. 1.1. Một số khái niệm cơ bản 1.1.1. Bức xạ hạt nhân Bức xạ hạt nhân là tất cả các loại hạt phát ra trong các quá trình biến đổi phóng xạ, cũng nh trong phản ứng hạt nhân. Vì những tính chất tơng tự, có thể liệt kê vào bức xạ hạt nhân các loại bức xạ Rơnghen, bức xạ phát sinh trong quá trình gia tốc các hạt mang điện, các tia vũ trụ v.v . Bức xạ hạt nhân có thể phân chia thành: - Bức xạ điện tích (electron, pôzitron, prôtôn) - Bức xạ điện từ (lợng tử gamma, tia rơnghen) - Bức xạ trung hoà điện (nơtron, nơtrinô) Năng lợng bức xạ Đơn vị năng lợng bức xạ thờng dùng là: electron-Von, kí hiệu là eV. 1 eV là lợng năng lợng thu đợc bởi một điện tử khi gia tốc qua hiệu điện thế 1 V. Bội số của eV là KeV( 10 3 eV), MeV (10 6 eV) Đơn vị năng lợng trong hệ SI là Jun (J). 1 eV = 1,6.10 -19 J hay 1J = 6, 24 x 10 18 eV Mật độ dòng bức xạ Mật độ dòng bức xạ là số lợng hạt, trong một đơn vị thời gian, đập vào 9 một đơn vị diện tích nằm vuông góc với hớng bay của các hạt. Đơn vị mật độ dòng bức xạ là: hạt /m 2 .s Cờng độ bức xạ Cờng độ bức xạ I là năng lợng của dòng bức xạ trong một đơn vị thời gian đập vào một đơn vị diện tích nằm vuông góc với phơng truyền của dòng bức xạ. Đơn vị của cờng độ bức xạ là (W/m 2 ) hay ( sm MeV . 2 ) Công thức biến đổi giữa 2 đơn vị này là: 1 ( sm MeV . 2 ) = 10 6 . 1,6 .10 -19 ( sm J . 2 ) = 1,6 .10 -13 ( 2 m W ) 1.1.2. Phân rã phóng xạ Phóng xạ: hiện tợng một hạt nhân tự động phóng ra những bức xạ gọi là tia phómg xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Định luật phóng xạ: Khi nghiên cứu sự phân rã phóng xạ, ngời ta thấy rằng không phải tất cả các hạt nhân của nuclit phóng xạ đều phân rã đồng thời. Trong mỗi giây chỉ có một phần nhất định trong tổng số hạt nhân nguyên tử của nguyên tố phóng xạ bị phân rã. Phần này đợc đặc trng bằng xác suất phân rã, gọi là hằng số phân rã, kí hiệu là và đợc xác định bằng định luật sau: N(t) = N 0 e - t Trong đó: N(t): số hạt phân rã tại thời điểm t. N o : số hạt nhân nguyên tử không bị phân rã hay số hạt nhân phân rã tại thời điểm t = 0. Chu kì bán rã T 1/2 : là khoảng thời gian trong đó một nửa số lợng hạt nhân phóng xạ đã cho bị phân rã. T 1/2 = (ln2)/ VD: T 1/2 đối với 60 Co là 5,2714 0,0005 năm; với 137 Cs là 30,07 0,2 năm. 10