Nguồn gốc và thành phần của tia vũ trụ 26-

4. Các bƣớc thực hiện đề tài 1-

3.3.2.1. Nguồn gốc và thành phần của tia vũ trụ 26-

của tia vũ trụ

 Các bức xạ proton, alpha…năng lượng cao rơi vào khí quyển Trái Đất.

 Từ không gian bên ngoài gọi là các tia vũ trụ. Tia vũ trụ có năng lượng cở từ hàng chục Mev đến 1020

ev hay cao hơn. Trên đường đi đến mặt đất, tia vũ trụ xuyên qua lớp vật chất dầy khoảng 103

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 27 SVTH: Phạm Thanh Dũng

thành các bức xạ khác với tia vũ trụ nguyên thủy. Tia vũ trụ nguyên thủy được gọi là tia vũ trụ sơ cấp còn bức xạ sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với bầu khí quyển gọi là tia vũ trụ thứ cấp.

a.Thành phần các tia vũ trụ sơ cấp:

 Các tia vũ trụ sơ cấp gồm hai thành phần là thành phần thiên hà, chúng được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa Trái

Đất, và thành phần Mặt Trời, sinh ra từ các vụ nổ Mặt Trời. Thành phần thiên hà gồm 79% các proton năng lượng cao, 20% các hạt alpha và các hạt ion nặng hơn, phần còn lại là các electron, photon, neutron,… Thành phần Mặt Trời gồm các proton và hạt alpha với năng lượng tương đối thấp, vào khoảng 400 MeV và có cường độ rất lớn 106 – 107

hạt/cm2.s. Cũng có những trường hợp đặc biệt, chúng có năng lượng một vài GeV.

 Các tia vũ trụ sơ cấp đẳng hướng và không đổi theo thời gian với cường độ khoảng 2-4 hạt/cm2.s. Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành các nhóm như sau: Nhóm p gồm proton, deutron và triton; nhóm  gồm alpha và 2He3 ; nhóm các hạt nhân nhẹ gồm lithium, beryllium và boron (Z = 3-5); nhóm các hạt nhân trung bình gồm carbon, oxygen, nitrogen và flourine (Z = 6-9); nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z10; nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z20 và nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với Z30. Các tính chất của các nhóm tia vũ trụ sơ cấp được trình bày ở dưới đây:

 Thành phần hóa học của các tia vũ trụ sơ cấp. N/Nnặng là tỉ số giữa số hạt của nhóm xem xét so với số hạt của nhóm hạt nhân nặng.

Nhóm hạt

nhân Z

N/Nnặng trong tia vũ trụ sơ

cấp

Giá trị trung bình của N/Nnặng trong vũ trụ

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 28 SVTH: Phạm Thanh Dũng p  Nhẹ Trung bình Nặng Rất nặng Siêu nặng 1 2 3-5 6-9 Z10 Z20 Z30 650 47 1,0 3,3 1,0 0,26 0,3.10-4 3360 258 10-5 2,64 1 0,06 0,6.10-5 6830 1040 10-5 10,1 1 0,05

 Từ bảng 3.5 trên, ta thấy rằng các tia vũ trụ sơ cấp, cũng giống như tất cả vật chất nói chung, chủ yếu gồm các hạt proton và alpha, nhưng trong vật chất vũ trụ số hạt proton và alpha gấp 3600 đến 8000 lần lớn hơn số hạt nhân nặng, trong lúc tỉ số này đối với tia vũ trụ chỉ vào khoảng 700. Tuy nhiên, ngược lại, thành phần các hạt nhân rất nặng và đặc biệt các hạt nhân nhẹ trong tia vũ trụ lớn hơn rất nhiều so với trong vật chất vũ trụ.

b. Ảnh hưởng của từ trường Trái Đất lên tia vũ trụ sơ cấp:  Từ trường Trái Đất và từ

trường trong không gian giữa các hành tinh có ảnh hưởng đến tia vũ trụ sơ cấp. Ta hãy xét ảnh hưởng của từ trường Trái Đất.

- Thứ nhất, từ trường Trái Đất cản trở các hạt năng lượng thấp đi vào Trái Đất. Chẳng hạn, một hạt proton chuyển động trong lưỡng cực từ của Trái Đất thì động lượng tối thiểu của nó bằng

pmin để có thể bay vào khí quyển dưới góc θ so với vĩ tuyến địa từ λ được xác định bởi công thức:

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 29 SVTH: Phạm Thanh Dũng

Ở vĩ tuyến λ= 00 , tức là ở xích đạo, động lượng tối thiểu của proton bay vào bầu khí quyển bằng pmin = 15 GeV/c. Tại cực của từ trường, tức là tại vĩ tuyến

λ=900 , proton có thể bay vào bầu khí quyển với động lượng bất kỳ vì pmin = 0. Do động lượng của hạt tích điện bị hạn chế theo công thức trên nên cường độ tia vũ trụ sơ cấp phụ thuộc vào vĩ độ, được gọi là hiệu ứng vĩ độ. Chẳng hạn, cường độ của tia vũ trụ sơ cấp ở độ cao 10 km tại cực I (900 ) và tại xích đạo I (00

) khác nhau như sau:

0 0 0 I(90 ) I(0 ) 0,36 I(90 )  

- Thứ hai, từ trường Trái Đất ngăn cản tia vũ trụ sơ cấp bay vào bầu khí quyển dưới phương bay xác định. Chẳng hạn hạt mang điện tích dương không thể bay vào bầu khí quyển dưới một góc xác định so với đường chân trời về phía đông. Ví dụ, với proton có năng lượng 2 GeV thì góc cấm này bằng 580 . Do đó ta có hiệu ứng bất đối xứng đông- tây, được xác định bởi đại lượng:

west east west east

I -I I +I

Trong đó Iwest và Ieast là cường độ các tia vũ trụ sơ cấp đến từ hướng tây và hướng đông. Ở độ cao lớn thì tỉ số này là 0,25. Việc phát hiện ra độ mất đối xứng đông- tây cho thấy tia vũ trụ sơ cấp gồm các hạt tích điện dương.

Từ trường giữa các hành tinh ảnh hưởng không đáng kể đến các tia vũ trụ sơ cấp. Đóng vai trò quan trọng nhất trong loại từ trường này là từ trường của các khối plasma phát ra từ bề mặt Mặt Trời trong các vụ nổ Mặt Trời. Các từ trường này chuyển động trong không gian và làm thay đổi một cách tuần hoàn các điều kiện xuyên qua của tia vũ trụ. Đó là nguyên nhân chính của hiện tượng biến thiên theo thời gian của tia vũ trụ sơ cấp theo chu kỳ 11 năm, 27 năm, …

4 min 3 2 cos λ p 59,3 GeV/c ( 1 cos θ.cos λ 1)   

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 30 SVTH: Phạm Thanh Dũng

Một hiện tượng khác khi các hạt tích điện chuyển động trong từ trường Trái Đất là các bẫy từ. Đó là các miền không gian mà các hạt tích điện với năng lượng một vài GeV trở xuống không thể bay vào cũng như bay ra khỏi chúng. Các bẫy từ có dạng các hình xuyến bao quanh Trái Đất và là các đới tích tụ các hạt tích điện. Các đới này chủ yếu chứa các hạt proton và electron, được gọi là các vành đai bức xạ của Trái Đất. Khoảng cách từ các vành đai này đến mặt đất phụ thuộc vào năng lượng tia sơ cấp, năng lượng càng cao thì chúng càng gần mặt đất.

c. Thành phần các tia vũ trụ thứ cấp

 Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển. Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn. Các hạt sơ cấp bị hấp thụ và sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hoá môi trường khí quyển. Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,…), các hạt muon, electron và photon. Người ta thường chia chúng thành ba thành phần là thành phần kích hoạt hạt nhân (các hạt hadron), thành phần cứng (muon) và thành phần mềm (electron, photon).

 Ta hãy xem xét cơ chế sản sinh các thành phần khác nhau của tia vũ trụ thứ cấp. Các hạt sơ cấp với năng lượng lớn (>> GeV) thường tương tác với các hạt nhân khi đi xuyên qua bầu khí quyển với các tính chất sau:

- Proton mất khoảng một nửa năng lượng của mình.

- Phần chính của năng lượng mất đi này tạo nên một số lớn các hạt tương đối tính, người ta gọi là đám mưa rào, trong đó chủ yếu là các hạt pion và khoảng 15-20% là các hạt kaon. Ví dụ, proton sơ cấp với năng lượng 103 GeV sinh ra đám mưa rào gồm khoảng 10 hạt.

- Phần còn lại của năng lượng nói trên tạo nên các delta-nucleon và kích thước các hạt nhân cuối. Delta-nucleon là các nucleon sinh ra với năng lượng cở

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 31 SVTH: Phạm Thanh Dũng

160 Mev. Các hạt nhân kích thích, khi chuyển về trạng thái cơ bản, phát ra hạt proton, neutron, alpha,…

 Quãng chạy tự do của các hạt sơ cấp trong bầu khí quyển vào khoảng 80 g/cm2. Do đó proton năng lượng cao, khi đi xuyên qua bầu khí quyển, trong mỗi va chạm đó proton sơ cấp mất khoảng một nửa năng lượng của mình để sinh ra các hạt thứ cấp như đã nói trên. Các hạt thứ cấp này hoặc bị hấp thụ, hoặc bay xuống mặt đất. Các hạt pion trung hoà, do thời gian sống cở 10-6

s nên bị phân rã ngay thành 2 cặp gamma. Sự tồn tại của hai cặp pion tích điện phụ thuộc vào năng lượng của chúng. Với năng lượng lớn, các hạt pion có thể bay một quãng đường bằng nửa quãng đường tự do của proton sơ cấp trong khí quyển (80 g/cm2

). Các hạt pion năng lượng cở 200 GeV có thể tham gia vào quá trình sinh các hạt hadron.

 Thành phần mềm của tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt electron, pôzitrôn và gamma. Tia gamma năng lượng cao được sinh ra đồng thời với các hạt hadron do quá trình phân rã pion trung hoà:

0

π γ+γ

 Các gamma năng lượng cao này, khi đi xuyên qua môi trường, sinh các cặp electron- pôzitrôn rồi các cặp electron- pôzitrôn phát ra các tia gamma hãm. Quá trình sinh các electron, pôzitrôn, gamma như vậy xẩy ra cho đến khi năng lượng các electron và pôzitrôn giảm đến năng lượng cở 72 MeV, là năng lượng mà các electron và pôzitrôn mất năng lượng trong không khí chuyển từ cơ chế ion hoá sang cơ chế bức xạ hãm.

 Thành phần cứng của tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt muon, sinh ra do sự phân rã của các hạt pion tích điện:

μ μ

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 32 SVTH: Phạm Thanh Dũng

 Các hạt muon năng lượng cao có khả năng đâm xuyên rất lớn do mất năng lượng rất ít đối với các quá trình ion hoá và bức xạ hãm trong môi trường.

 Cường độ các thành phần tia vũ trụ thứ cấp phụ thuộc vào độ cao của bầu khí quyển. Thành phần hadron giảm rất nhanh theo chiều cao từ trên xuống và hầu như bằng không tại mặt biển. Thành phần electron- photon có cường độ lớn ở độ cao lớn và bị hấp thụ rất nhanh khi đi đến mặt đất, có cường độ không đáng kể so với thành phần muon. Tại mặt biển, cường độ các thành phần cứng và mềm bằng Ihard= 1,7.10-2 hạt/cm2.s và Isoft= 0,7.10-2 hạt/cm2.s. Như vậy cường độ tia vũ trụ thứ cấp ở mặt biển vào khoảng 100 lần bé hơn cường độ ở giới hạn bầu khí quyển, mà trong đó chủ yếu là các hạt muon.

 Ngoài ra các hạt sơ cấp và các hạt thứ cấp nêu trên, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân bền. Các hạt nhân phóng xạ gồm H3

, Be7, P32, S35,Cl39. Nói riêng, do bức xạ vũ trụ, nồng độ H3 trong nước của Trái Đất chiếm khoảng 10-16%. Trong số các đồng vị bền, đáng chú ý nhất là Li6

, thành phần vũ trụ làm tăng độ phổ biến của nó trong tự nhiên là 0,03 %.

3.4. Phóng xạ tự nhiên trong môi trƣờng đối với con ngƣời

3.4.1. Các nhân phóng xạ tự nhiên có trong vật liệu xây dựng và nhà ở

 Trong các vật liệu xây dựng và nhà ở có một số nhân phóng xạ

Bảng 3.6: Hoạt độ các nhân phóng xạ có trong một số vật liệu xây dựng cơ bản :

Vật liệu Uranium(Bq/kg) Thơrium(Bq/kg) K40(Bq/kg)

Granite 63 8 1184

Cát sỏi 6 7 414

Xi măng 46 21 237

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 33 SVTH: Phạm Thanh Dũng Tường 14 12 89 Thạch cao thiên nhiên 15 7,4 148 Gạch nung 111 44 666

3.4.2.Các nhân phóng xạ có trong nước biển

 Toàn bộ nước trên Trái Đất, kể cả nước biển đều chứa các nhân phóng xạ. Bảng 3.7: Hoạt độ các nhân phóng xạ có trong nước biển các đại dương :

Nhân phóng xạ Hoạt độ dùng để tính Thái Bình Dương (6,55.1017m3) Đại Tây Dương (3,1.1017m3) Tất cả các đại dương (1,3.1018m3) Uranium 33mBq/lit 22.1018Bq 11.1018Bq 41.1018Bq K40 11Bq/lit 7400.1018Bq 3300.1018Bq 1400. 1019Bq C14 5mBq/lit 3. 1018Bq 1,5. 1018Bq 6,7. 1018Bq Rb87 1,1 mBq/lit 700. 1018Bq 330. 1018Bq 1300. 1018Bq H3 0,6mBq/lit 370. 1018Bq 190. 1018Bq 740. 1018Bq 3.4.3.Phóng xạ trong thực phẩm

 Tất cả thực phẩm đều chứa ít nhiều các chất K40, Ra226, U238 cùng con cháu của chúng Bảng 3.8: Phóng xạ trong thực phẩm : Thực phẩm K40Pci/kg Ra226Pci/kg Chuối 3520 1 Đậu phộng 5600 1000-7000 Cà rốt 3400 0,6-1 Khoai tây 3400 1-2,5 Thịt nạc 3000 0,5

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 34 SVTH: Phạm Thanh Dũng

Nước uống 0 0-0,17

3.4.4. Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người

 Cơ thể con người cũng có các nhân phóng xạ, một số nhân phóng xạ vào cơ thể người do ăn uống cũng như do hít thở hằng ngày.

Bảng 3.9: Trình bày một số nhân phóng xạ chính trong cơ thể người lớn, nặng 70kg là:

Nhân phóng xạ

Tổng lượng chất phóng xạ tìm thấy trong cơ thể

Tổng hoạt độ (Bq) Lượng hấp thụ hằng ngày Uranium 90g 1,1 1,9g Thơrium 30g 0,11 3g K40 17mg 4400 0,39g Radium 31pg 1,1 2,3 pg C14 95g 15000 1,8g Polonium 0,2 pg 37 0,6 pg TÓM TẮT CHƢƠNG 3

CHƢƠNG 3: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 3.1. Các họ phóng xạ tự nhiên

3.2. Họ phóng xạ

3.2.1. Họ Thơrium (4n)

- Hạt nhân đầu tiên của họ Thơrium là 90Th232, có A=232, có chu kỳ bán rã T=1,4.1010 năm.

3.2.2. Họ Neptunium (4n+1)

- Họ này có 92Np237 đứng đầu họ, 92Np237 có chu kỳ bán rã T=2,14.106 năm

3.2.3. Họ Uranium (4n+2)

- Hạt nhân đứng đầu họ là 92U238. Hạt nhân 92U238 họ Uranium có thời gian bán rã T=4,5.109 năm.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 35 SVTH: Phạm Thanh Dũng

- Họ phóng xạ này bắt đầu bằng đồng vị phóng xạ 92U235 với chu kỳ bán rã T=7.108 năm

3.3. Các đồng vị phóng xạ trong tầng sinh quyển

3.3.1. Phóng xạ trong đất đá

3.3.1.1. Đá kết tinh 3.3.1.2. Đá trầm tích

3.3.1.3. Đá phiến sét (diệp thạch) giàu hữu cơ và than đá 3.3.1.4. Sa thạch (đá cát kết tinh)

3.3.1.5. Đá carbonate

3.3.1.6. Các loại đất khác 3.3.2. Tia vũ trụ

3.3.2.1. Nguồn gốc và thành phần của tia vũ trụ

3.4. Phóng xạ tự nhiên trong môi trƣờng đối với con ngƣời

3.4.1. Các nhân phóng xạ tự nhiên có trong vật liệu xây dựng và nhà ở

3.4.2.Các nhân phóng xạ có trong nước biển 3.4.3. Phóng xạ trong thực phẩm

GVHD: Hoàng Xuân Dinh 36 SVTH: Phạm Thanh Dũng

CHƢƠNG 4: CÁC ĐẠI LƢỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO LIỀU LƢỢNG PHÓNG XẠ

4.1. Hoạt độ phóng xạ

 Độ phóng xạ H ( hay hoạt độ phóng xạ) của một nguồn là số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó phân rã trong một đơn vị thời gian.

- Từ (1.1) ta có : t t e H e N t N dt t dN H  ( )  ( ) 0   0 

 Như vậy, độ phóng xạ của một nguồn phải được xét ở từng thời điểm. Nó phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn và số lượng hạt nhân có tính phóng xạ tồn tại trong nguồn tại thời điểm đang xét.

- Đơn vị đo độ phóng xạ là phân rã trên giây hay Becquerel (Bq) - Ngoài ra, ta cũng thường dùng đơn vị khác là Curie(Ci)

1Ci=3,7. 10

10 Bq

4.2. Liều lƣợng bức xạ

4.2.1. Liều hấp thụ

Liều hấp thụ

Tác hại của bức xạ lên cơ thể người phụ thuộc vào sự hấp thụ năng lượng bức xạ và gần đúng tỉ lệ với nồng độ năng lượng hấp thụ trong mô sinh học. Do đó, đơn vị cơ bản của liều bức xạ được biểu diễn qua năng lượng hấp thụ trên một