Hỡnh 2.11 trỡnh bày cỏc hỡnh học khỏc nhau thường được ỏp dụng trong phương phỏp gamma tỏn xạ xỏc định mật độ.
Hỡnh 2.11. Cỏc hỡnh học của phương phỏp gamma tỏn xạ xỏc định mật độ
Cựng với phương phỏp gamma truyền qua, phương phỏp gamma tỏn xạ thường được ỏp dụng để xỏc định mật độ của đất, đỏ, nền múng của cỏc cụng trỡnh xõy dựng.
Sự phụ thuộc cường độ chựm tia gamma tỏn xạ Iγ’, phụ thuộc vào mật độ ρ của đất thường cú dạng điển hỡnh như trờn hỡnh 2.12 Nguồn gamma * đất đá đềtectơ Ghi d γ * * det. * det. γ * 2 4 6 8 ρ (g/cm3 ) Iγ’ ρ0
Biểu thức giải tớch mụ tả quy luật của sự phụ thuộc đú như sau:
1 C
2 '
Iγ = ρk e− ρ,
trong đú k, C là cỏc hằng số cú giỏ trị phụ thuộc vào đờtectơ, hỡnh học đo và hoạt độ của nguồn phúng xạ.
Thừa số ρ1 / 2 đặc trưng cho quỏ trỡnh tỏn xạ của cỏc lượng tử gamma, cũn e− ρC đặc trưng cho quỏ trỡnh hấp thụ của cỏc lượng tử gamma tỏn xạ trờn đường đi từ nơi sinh bức xạ gamma tỏn xạđến đờtectơ.
Hai quỏ trỡnh tỏn xạ và hấp thụ xảy ra đồng thời: Trong mụi trường đất cú mật độ ρ nhỏ, thừa số thứ nhất chiếm ưu thế và đồ thị Iγ' tăng khi ρtăng. Nếu ρ lớn thỡ thừa số thứ 2 chiếm
ưu thế và Iγ' giảm khi ρ tăng.
Đồ thị Iγ' phụ thuộc ρ cú một cực đại, giỏ trị của mật độứng với cực đại này được xỏc
định như sau: Cho γ = ρ d I 0 d Suy ra ρ0 = 1 2C
Vị trớ của cực đại này sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào kớch thước thiết bị (khoảng cỏch từ nguồn phúng xạ đến đềtectơ) đối với một nguồn đồng vị xỏc định: Khi tăng khoảng cỏch từ nguồn phúng xạđến đềtectơ, tức là dựng thiết bị kớch thước lớn thỡ xỏc suất để bức xạ gamma trước khi được ghi đó chịu tỏn xạ nhiều lần rồi bị hấp thụ sẽ tăng: Nghĩa là vai trũ của quỏ trỡnh hấp thụ tăng khi tăng kớch thước thiết bị, kết quả là vị trớ cực đại dịch sang vựng ρ nhỏ hơn. Cũng lập luận tương tự ta thấy khi giảm khoảng cỏch từ nguồn phúng xạđến đềtectơ, tức là thiết bị
kớch thước nhỏ, thỡ cực đại dịch sang vựng ρ lớn hơn.
Đối với một thiết bị xỏc định, tức là khoảng cỏch từ nguồn phúng xạ đến đềtectơ xỏc
định, vị trớ của điểm cực đại của đồ thị Iγ' cũng thay đổi tuỳ thuộc vào năng lượng nguồn bức xạ gamma phúng xạ: năng lượng càng nhỏ thỡ vai trũ của quỏ trỡnh hấp thụ càng trội, tức là hằng số C lớn lờn, do đú ρ0 giảm. Nghĩa là điểm cực đại dịch về phớa mật độ nhỏ hơn.
Cỏc kết quả trờn đó được kiểm chứng bằng thực nghiệm.
Thực tế ỏp dụng phương phỏp gamma tỏn xạ xỏc định mật độ của đất cho thấy: Để sử
dụng nhỏnh bờn phải của đồ thị trờn hỡnh 2.12, người ta thường dựng cỏc đồng vị cho bức xạ
gamma năng lượng nhỏ và thiết bị cú kớch thước lớn. Cũn để sử dụng nhỏnh bờn trỏi, thường dựng cỏc đồng vị cho bức xạ gamma cứng hơn và thiết bị kớch thước nhỏ. Tuy nhiờn khoảng cỏch giữa nguồn phúng xạ và đềtectơ khụng thể giảm tuỳ ý, lớp chỡ dựng để ngăn khụng cho cỏc tia gamma năng lượng 1,170 và 1,330 MeV của đồng vị60Co tới trực tiếp đềtectơ thường phải cú bề dày tối thiểu là vào khoảng 15 cm.
2.7. Một vài ứng dụng đặc biệt
a) Pin hạt nhõn
Cỏc đồng vị phúng xạ cú chu kỳ bỏn ró lớn đó được người ta chỳ ý: Một khả năng rất
đỏng quan tõm là cú thể chế tạo ra một nguồn năng lượng cú thể duy trỡ trong khoảng thời gian dài khi cỏc đồng vị đú hoàn toàn bị cụ lập. Những nguồn năng lượng như thế sẽ thớch hợp một cỏch lý tưởng với một số ứng dụng trong đú ta cần cú năng lượng ở những nơi xa xụi. Cỏc thiết bị vệ tinh, đồng hồ hàng hải, trạm khớ tượng xa... cần cỏc nguồn năng lượng như
vậy.
Vấn đề chớnh là ở chỗ biến đổi năng lượng hạt nhõn giải phúng trong cỏc quỏ trỡnh phõn ró phúng xạ thành dạng năng lượng mong muốn, thường là điện năng, với hiệu suất chấp nhận
được như thế nào.
Người ta đó cú những cố gắng lớn để nghiờn cứu chế tạo cỏc pin đồng vị phúng xạ, hay thường gọi là pin hạt nhõn, đặc biệt là trong lĩnh vực khụng gian vũ trụ. ở Mỹ, đú là một trong những nội dung của chương trỡnh SNAP.
Cú nhiều phương phỏp khỏc nhau cú thể biến đổi năng lượng hạt nhõn thành điện năng. Phương phỏp cú ý nghĩa thực tế nhất hiện nay là phương phỏp nhiệt điện. Phương phỏp này dựa trờn nguyờn tắc đó được sử dụng trong việc chế tạo cỏc cặp nhiệt điện: Giữa 2 mối nối của 2 kim loại khỏc nhau sẽ xuất hiện một thế hiệu nếu 2 mối nối được giữở 2 nhiệt độ khỏc nhau. Phương phỏp này đó được sử dụng rộng rói để đo nhiệt độ một cỏch chớnh xỏc trong phũng thớ nghiệm. Ta đều biết rằng cỏc thế hiệu xuất hiện trong cặp nhiệt điện thường rất nhỏ, do vậy sẽ phải cú nhiều cặp nhiệt điện mắc nối tiếp nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Pin hạt nhõn phải cú cấu tạo sao cho tạo ra được sự hấp thụ bức xạ trong nguồn để làm nú núng lờn, nhiệt độ sẽ dựng để giữ một mối nối của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ cao, mối nối kia phải đặt cỏch li với nguồn để cú thể giữ nú ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.
Để thấy rừ khả năng của phương phỏp trờn, ta hóy tỡm hiểu một trong những pin hạt nhõn
đầu tiờn đó được chế tạo để sử dụng trong khụng gian vũ trụ, cú tờn là SNAP-1A.
Theo thiết kế, cụng suất ra là 125W, cú thể hoạt động trong thời gian một năm. Nguồn nhiệt ở trung tõm, tức là đồng vị dự trữ, là 880.000Ci của đồng vị144Ce, đú là loại đồng vị cú thể dễ dàng thu được với số lượng lớn từ nhiờn liệu đó chỏy của lũ phản ứng. Đồng vị 144Ce cú chu kỳ bỏn ró là 285 ngày, chu kỳđú thớch hợp với thời gian mong muốn 1 năm đối với bộ
pin. 144Ce phỏt ra hầu hết năng lượng của nú dưới dạng cỏc tia β. Cỏc tia này dễ dàng bị hấp thụ trong nguồn và gõy ra quỏ trỡnh "nung núng" mong muốn: Thành trong (tức là mối nối núng của cặp nhiệt điện) được giữở nhiệt độ 1050oF. Cỏc mối nối nguội được gắn vào thành ngoài và được giữở nhiệt độ 335oF nhờ làm nguội bằng cỏch cho bức xạ vào khụng gian vũ
trụ. Hệ pin hạt nhõn này gồm 277 cặp nhiệt điện, cho thế hiệu 28V, dũng một chiều 4,46A, hiệu suất biến đổi nhiệt - điện là 6,75%. Trọng lượng khi bay là 90kg, đõy là trọng lượng cuối cựng đi theo tờn lửa, cũn khi đặt trờn mặt đất thỡ phải cú cả một cỏi "hốc" chứa gần 2 tấn thuỷ
ngõn để che chắn, bảo đảm an toàn phúng xạ. Hệ che chắn này được thỏo ra đỳng lỳc tờn lửa
được phúng lờn.
b) Kỹ thuật triệt sản cụn trựng (Steril insect technique, SIT)
Đõy là kỹ thuật ứng dụng bức xạ hạt nhõn trong nụng nghiệp, thuộc chương trỡnh kiểm soỏt và tiờu diệt cụn trựng ở quy mụ lớn.
Kỹ thuật này đó được ỏp dụng thành cụng đặc biệt tại cỏc nước Mỹ và Mờhicụ từ những năm 1950 để tiờu diệt cụn trựng, cú tờn là Cochliomia hominivorax, đó gõy hại to lớn cho gia sỳc và con người. Một loại ruồi gõy hại cho mựa màng tại cỏc nước đú cũng như tại Guatemale, Nhật cũng đó bị tiờu diệt rất hiệu quả bằng kỹ thuật trờn.
Nguyờn tắc của kỹ thuật này như sau: Hàng triệu cụn trựng được nuụi trong điều kiện
được kiểm soỏt. Trứng được thu thập và cho phỏt triển thành ấu trựng, vẫn trong cỏc điều kiện
được kiểm soỏt. Trứng sau khi nở thành con, được chiếu xạ gamma, chẳng hạn bởi nguồn
đồng vị60Co hoặc 137Cs để triệt sản. Sau đú chỳng được thả vào mụi trường sống thực. Những cụn trựng cú cơ quan sinh sản bị phỏ huỷ này khụng thể tạo nờn một thế hệ trứng phỏt triển
được. Cứ như vậy, sau nhiều lần thực hiện liờn tiếp quy trỡnh triệt sản trờn, cụn trựng sẽ bị tiờu diệt.
Chương 3
Hiệu ứng Mệssbauer và ứng dụng
3.1 Phỏt xạ và hấp thụ
3.1.1 Bề rộng vạch phổ gamma (bề rộng tự nhiờn)
Khi một hạt nhõn chuyển từ trạng thỏi kớch thớch về trạng thỏi thấp hơn thỡ phỏt xạ một lượng tử gamma. Cỏc lượng tử gamma phỏt xạ trong quỏ trỡnh chuyển trạng thỏi của cỏc hạt nhõn hoàn toàn như nhau cũng khụng cú năng lượng hoàn toàn bằng nhau. Đú là hệ quả của nguyờn lý bất định h E. t 2 Δ Δ = = π h,
trong đú, h là hằng số Planck cú giỏ trị bằng 34
6,63.10− J.s.
Theo nguyờn lý đú, năng lượng trạng thỏi hạt nhõn khụng phải là một giỏ trị xỏc định mà cú một độ bất định hay độ nhoố nào đấy. Trạng thỏi cú thời gian sống τ càng nhỏ thỡ năng lượng của nú cú độ nhoố càng lớn.
Độ nhoố năng lượng của trạng thỏi hạt nhõn được đặc trưng bằng đại lượng cú tờn gọi là bề rộng của mức hạt nhõn, ký hiệu là Γ . Tương ứng với bề rộng của mức hạt nhõn, năng lượng của cỏc photon gamma cũng cú một độ nhoố. Trong chuyển dời mà trạng thỏi sau là trạng thỏi cơ bản thỡ độ nhoố năng lượng của cỏc photon gamma chớnh bằng Γ.
Phõn bố năng lượng của cỏc photon gamma này cú dạng Lorentz ( ) ( ) ( )2 2 0 N E Const E E 2 Γ = ⋅ − + Γ ,
trong đú E0 là năng lượng cú xỏc suất lớn nhất của photon phỏt xạ trong chuyển dời trạng thỏi. 1 0.5 N(E) E0 E Γ Hỡnh 3.1
Γ là bề rộng tự nhiờn vạch phổ của photon gamma, liờn hệ với thời gian sống τ của trạng thỏi kớch thớch theo hệ thức
Γ =
τh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.2 Hấp thụ cộng hưởng
Hiện tượng hấp thụ cộng hưởng đó được biết đến trong quang học khi ta cho ỏnh sỏng từ
một ngọn đốn natri cú màu vàng đặc trưng chiếu dọi qua một bỡnh thuỷ tinh chứa hơi natri. Hiện tượng hấp thụ cộng hưởng xảy ra đối với một hệ khi hệđược cung cấp một năng lượng
đỳng bằng năng lượng cần thiết để hệ chuyển lờn một trạng thỏi năng lượng cao hơn mà hệđú cú thể cú. Thường xảy ra hiện tượng hấp thụ cộng hưởng khi hệ chuyển từ trạng thỏi cơ bản lờn một trạng thỏi kớch thớch.
Tuy nhiờn, một hệ khi phỏt xạ hay khi hấp thụ một năng lượng đều phải "giật lựi".
Ta hóy xột một nguyờn tử. Thật vậy, năng lượng giật lựi Er của nguyờn tử sau khi phỏt xạ
hoặc hấp thụ photon năng lượng E, xung lượng p được tớnh bằng hệ thức sau đõy: ( )2 2 2 r 2 2 h p E E 2M 2Mc 2Mc ν = = = ,
trong đú M là khối lượng nguyờn tử, c là vận tốc ỏnh sỏng.
Như vậy, do hiện tượng giật lựi, photon phỏt xạ khi nguyờn tử chuyển từ trạng thỏi năng lượng E0 về trạng thỏi cơ bản sẽ cú năng lượng nhỏ hơn E0 một lượng bằng chớnh năng lượng giật lựi Er.
Cũng vậy, để nguyờn tử chuyển từ trạng thỏi cơ bản lờn trạng thỏi E0 cần cung cấp cho nguyờn tử, hay núi khỏc đi, nguyờn tử cần hấp thụđược một photon cú năng lượng bằng E0
cộng thờm một lượng bằng chớnh năng lượng giật lựi Er. Hỡnh 3.2 minh hoạ điều đú. Trong trường hợp một nguyờn tử, khi cú sự chuyển dời của một electron từ mức cao về mức thấp thỡ cú một photon được phỏt xạ.
Chẳng hạn, thời gian sống τ của cỏc trạng thỏi kớch thớch của cỏc lớp vỏ ngoài nguyờn tử
vào khoảng 8
10− s. Theo hệ thức bất định, bề rộng Γ của vạch phỏt xạ (hay hấp thụ) được tớnh như sau: 34 7 8 8 12 6, 63.10 .10 ec 5.10 eV 2 .10 s.1,6,10 ec eV − − − − Γ = = = τ π h
Sau khi phỏt xạ hoặc hấp thụ photon cú năng lượng trong vựng nhỡn thấy, năng lượng giật lựi của nguyờn tử cú số khối A=100 cú giỏ trị khoảng 10−10eV.
Năng lượng giật lựi này nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng tự nhiờn của vạch phỏt xạ hay hấp thụ. Điều đú cú nghĩa là hai vạch này coi như trựng nhau. Người ta gọi đú là hiện tượng "khụng giật lựi". Như vậy, đối với nguyờn tử, luụn luụn cú hấp thụ cộng hưởng.
Đối với trường hợp của hạt nhõn thỡ khỏc: Năng lượng giật lựi lớn hơn rất nhiều so với bề
rộng vạch. Lý do là vỡ năng lượng của cỏc photon trong cỏc quỏ trỡnh chuyển dời trạng thỏi của hạt nhõn cú năng lượng từ vài keV đến vài MeV chứ khụng phải chỉ cỡ eV như trong cỏc chuyển dời trạng thỏi của nguyờn tử.
Thớ dụ: Hạt nhõn 119
Sn khi hấp thụ photon năng lượng 24 keV thỡ nhận được một năng lượng giật lựi lớn gấp hàng triệu lần so với trường hợp nguyờn tử, tức là vào cỡ 3
10− , 4
10− eV. Trạng thỏi kớch thớch cú thời gian sống 8
2,6.10 s−
τ = nờn cú bề rộng vạch phổΓ cỡ 10-8 eV. Năng lượng giật lựi rất lớn so với bề rộng tự nhiờn của vạch phổ.
Như vậy hai vạch hấp thụ và phỏt xạở cỏch xa nhau.
Hỡnh 3.2
Vạch phỏt xạ và vạch hấp thụđối với hạt nhõn.
3.2 Hiệu ứng Mệssbauer
Năm 1959 Rudolf Mệssbauer đó quan sỏt hiện tượng hấp thụ cộng hưởng đối với cỏc lượng tử gamma 129 keV trong phõn ró của 191Ir.
Như trờn đó thấy, đối với hạt nhõn tự do, do năng lượng giật lựi Er rất lớn so với bề rộng tự nhiờn của vạch phổ gamma nờn khụng xảy ra được hiện tượng hấp thụ, phỏt xạ cộng hưởng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tuy nhiờn, nếu nguyờn tử, và do đú hạt nhõn, tồn tại trong lưới tinh thể vật rắn thỡ sẽ
khụng phải hạt nhõn mà là toàn bộ lưới tinh thể sẽ nhận năng lượng giật lựi. Khi đú trong biểu thức tớnh Er, đại lượng M khụng phải là khối lượng của hạt nhõn giật lựi mà là khối lượng của lưới tinh thể. Ngay cả trong trường hợp xột một hạt nhỏ của vật rắn thỡ hạt nhỏ này cũng chứa một số vụ cựng lớn hạt nhõn giật lựi. Như vậy năng lượng giật lựi Er trở thành rất nhỏ, cú thể
bỏ qua so với bề rộng tự nhiờn của vạch phổ, nghĩa là hiện tượng cộng hưởng (khụng giật lựi) luụn luụn xảy ra.
Hiệu ứng Mửssbauer xảy ra mạnh hay yếu tuỳ thuộc vào giỏ trị lớn hay nhỏ của xỏc suất
để năng lượng giật lựi được nhận bởi toàn lưới tinh thể. Xỏc suất này cú thể tớnh được dựa vào mẫu cấu trỳc tinh thể.
Theo mẫu của Einstein, một tinh thể lý tưởng cú N nguyờn tửđược xem như một hệ gồm 3N dao động tử điều hoà tuyến tớnh độc lập nhau cú cựng tần số dao động ω. Số lượng cỏc dao động tử quyết định trạng thỏi của tinh thể. Trong quỏ trỡnh phỏt xạ hay hấp thụ cỏc lượng tử hω, gọi là cỏc phụnon, thỡ sự thay đổi năng lượng của tinh thể kộo theo sự thay đổi tương
Khi nghiờn cứu sự phỏt xạ hay hấp thụ cỏc lượng tử photon gamma bởi nguyờn tử liờn kết trong lưới tinh thể cần phõn biệt 3 trường hợp sau đõy:
a) Năng lượng giật lựi lớn hơn năng lượng liờn kết của nguyờn tử trong tinh thể. Năng lượng liờn kết này nằm trong khoảng từ 1 đến 30 eV. Sự giật lựi trong trường hợp này sẽ làm cho nguyờn tử lệch khỏi vị trớ cõn bằng của nú trong lưới tinh thể và quỏ trỡnh phỏt xạ photon gamma khụng khỏc gỡ quỏ trỡnh phỏt xạ của nguyờn tử tự do.
b) Năng lượng giật lựi lớn hơn năng lượng của phụnon (cỡ -2
10 eV) nhưng chưa đủ để
kộo được nguyờn tử khỏi vị trớ cõn bằng của nú trong lưới tinh thể. Khi đú nguyờn tử vẫn ở vị