Cơ sở vật lý a. Cấu trúc của vật chất

Cấu trúc của vật chất gồm các phân tử và nguyên tử.

Nguyên tử gồm các hạt nhân và các điện tử chuyển động quanh hạt nhân theo các quĩ đạo khác nhau (mẫu hành tinh), nguyên tử có cấu trúc như sau:

- Số điện tử của một nguyên tử bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđeleep.

- Hạt nhân bao gồm các hạt proton mang điện dương và hạt nơtron không mang điện gọi chung là nuclon – được liên kết với nhau bằng năng lượng liên kết.

Như vậy một nguyên tố X bất kỳ có số thứ tự là Z, khối lượng là A thì ký hiệu là

A

ZX có số proton là Z, số nơtron là A-Z, số điện tử cũng là Z.

Các nguyên tố có thứ tự Z > 83 như Uran (92U283), Thori (90Th232) là các nguyên tố nặng có hạt nhân không ổn định.

Các nguyên tố có số proton Z như nhau nhưng số nơtron khác nhau (tức A khác nhau) gọi là các đồng vị phóng xạ.

b. Hiện tượng phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng phát xạ tự phát thành các hạt hoặc bức xạ điện từ (tia gamma, tia X) khi các hạt nhân nguyên tử xảy ra phản ứng kết hợp hoặc tự tách vỡ (phân hạch) hoặc trên lớp điện tử quĩ đạo có sự bắt giữ điện tử, chuyển mức năng lượng.

Nguyên tố phóng xạ là nguyên tố có khả năng phát xạ phóng xạ. Đó là các nguyên tố có hạt nhân không bền vững tự phân rã hoặc biến đổi trạng thái năng lượng để phát ra bức xạ ion hóa.

Trong thăm dò phóng xạ chỉ xét 2 hiện tượng phân rã phóng xạ chính là phân rã anpha (α) và phân rã beta (), và bức xạ gamma:

* Phân rã anpha (): Hạt nhân nguyên tử phát ra hạt  gồm 2 proton và 2 nơtron nên số thứ tự giảm đi 2 và khối lượng giảm đi 4, bản thân nó thành nguyên tố khác Z 2 YA 4 còn hạt

 chính là hạt nhân nguyên tử Heli 2He . 4

A A 4 4

ZX  Z 2 Y  2He Ví dụ: 88Ra226 86Rn2222He4

Hình 5.1: Cấu trúc nguyên tử

+ Tính chất của hạt :

- Năng lượng hạt  của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên là E  8 10MeV; - Tốc độ chuyển động của hạt  là v 1, 42 2, 05 .10 cm / s  9 .

+ Đặc điểm hạt :

- Có khả năng ion hóa chất khí rất mạnh, tốc độ giảm nhanh;

- Khả năng đâm xuyên yếu, trong không khí chỉ đi được 3÷10 cm, không xuyên được qua tờ giấy mỏng.

* Phân rã beta (): Phân rã  xảy ra khi hạt nhân có sự biến đổi từ notron thành proton hoặc ngược lại, lúc đó phát ra điện tử (e) gọi là phân rã  hoặc positron (e) gọi là phân rã .

+ Tính chất của phân rã :

- Khi phân rã  điện tích của hạt nhân tăng hoặc giảm 1 đơn vị và có khối lượng nguyên tử không thay đổi:

A A

ZX  Z 1Y  

- Tốc độ của hạt  là v c (tốc độ ánh sáng), chùm hạt  gọi là tia ; - Năng lượng E của bức xạ  có đặc trưng phổ liên tục.

+ Đặc điểm tia :

- Có khả năng ion hóa kém hơn hạt ;

- Khả năng đâm xuyên lớn hơn hạt , trong không khí tia  đi được khoảng 1.2 m, còn trong đất đá chỉ qua được 1 cm.

* Bức xạ gamma ( ): Bức xạ  thường phát sinh kèm theo biến đổi  (hoặc phân rã ) cũng có thể do e chuyển động từ mức năng lượng không ổn định về mức năng lượng thấp hơn, ổn định hơn thì phát ra bức xạ .

+ Tính chất của bức xạ  :

- Bức xạ  là bức xạ điện từ tần số cao vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt, không mang điện, không có khối lượng khi đứng yên;

- Năng lượng bức xạ  của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên: E 0,05 3MeV phụ thuộc hạt nhân của nguyên tố phóng xạ.

c. Qui luật phân rã phóng xạ - Dãy phóng xạ

* Qui luật phân rã phóng xạ

Số lượng nguyên tử của nguyên tố phóng xạ giảm dần theo qui luật nhất định. Số nguyên tử bị phân rã là dN trong thời gian dt tỉ lệ với số nguyên tử N.

t o

dN Ndt

N N e 1 dN

N dt



 

    

Qui luật phân rã theo hàm e mũ với hằng số  là xác suất phân rã của một hạt nhân nguyên tử trong một đơn vị thời gian,  càng lớn tốc độ phân rã càng nhanh.

+ Các tham số đặc trưng cho quá trình phân rã phóng xạ:

- Thời gian sống trung bình của nguyên tử  là đại lượng tỉ lệ nghịch với hằng số phân rã:  1 /.

- Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian số nguyên tố giảm đi còn một nửa. Cho t = T;

T

T o o

N 1 / 2.N N e

ln 2 0,693

T 

 

Các chất khác nhau có chu kỳ bán rã khác nhau.

Ví dụ: 84Po212 có T = 2,09.10-7 giây 90Th232 có T = 1,4.1010 năm

* Các dãy phóng xạ

Dãy phóng xạ là các nguyên tố phóng xạ liên tiếp tạo thành dãy phóng xạ.

Trong tự nhiên có 3 dãy phóng xạ, các dãy bắt đầu bởi các nguyên tố 90Th232, 92U235 (dãy Actini) và 92U238.

Ví dụ: 92U238 phân rã  thành 90Th232, phân rã  thành Pa234…qua nhiểu lần thành

226

88Ra , phân rã  thành 86Rn222cuối dãy là đồng vị bền của Pb.

Tính chất chung của dãy phóng xạ:

- Các nguyên tố đầu mỗi dãy là các nguyên tố nặng có chu kỳ bán rã rất lớn

8 10

T10 10 năm, quá trình phân rã các nguyên tố sau đều có khối lượng nhỏ dần.

- Ở giữa mỗi dãy đều có đồng vị phóng xạ ở dạng khí như Rn (Radon), An (Actinon) và Tn (Thoron). Các khí này có tên chung là khí eman.

- Cuối mỗi dãy là những chất bền vững không phóng xạ, đều là các đồng vị bền của Pb.

d. Sự cân bằng phóng xạ

Trong dãy phóng xạ xảy ra hai trường hợp:

- Khi    1 2 ... n tức tốc độ phân rã của nguyên tố mẹ nhanh hơn nguyên tố con, như vậy nguyên tố mẹ sẽ hết chỉ còn lại các nguyên tố con.

- Khi    1 2 ... n nguyên tố mẹ phân rã chậm hơn nguyên tố con nên sẽ cùng tồn tại mẹ và con với trường hợp    1 2 ... n sau thời gian đủ lớn ta có biểu thức:

1N1 2N2 ... nNn

      Khi đó có sự cân bằng dãy phóng xạ.

e. Tương tác bức xạ phóng xạ với vật chất

* Tương tác của hạt 

Hạt  đi qua vật chất va chạm với điện tử của vật chất gây ra hiện tượng:

- Khi năng lượng E đủ lớn làm tách e của nguyên tố môi trường khí ra khỏi quĩ đạo trở thành điện tử tự do gọi là ion hóa.

- Khi năng lượng E không cao, không đủ làm e bật ra, chỉ làm tăng mức năng lượng của elên mức cao hơn gọi là bị kích thích.

- Gây phản ứng hạt nhân:

9 4 12 1

4Be  2He  6C  0n

* Tương tác của tia 

Tia  qua môi trường vật chất gây ra các hiện tượng:

- Sự ion hóa làm bật e của nguyên tố môi trường khí thành e tự do.

- Kích thích tán xạ là e chuyển mức năng lượng cao hơn, còn tia  bị chuyển động lệch hướng.

- Bức xạ hãm: Tia  có năng lượng cao bị hãm trong trường tĩnh điện của hạt nhân sẽ phát ra bức xạ điện từ còn gọi là bức xạ hãm.

* Tương tác của bức xạ 

Khi đi qua môi trường vật chất tùy mức năng lượng của bức xạ , sẽ xảy ra 3 quá trình chủ yếu như sau:

- Hiệu ứng quang điện:

Với tia  có năng lượng thấp E 0, 2MeV đi vào môi trường vật chất sẽ tương tác với e, truyền toàn bộ năng lượng cho e làm e bật ra, còn tia  mất đi (hấp thụ hoàn toàn) gọi là hiệu ứng quang điện.

2 lk

E E mv

   2 Với Elklà năng lượng liên kết.

Vật chất có số thứ tự lớn thì hiệu ứng quang điện mạnh.

- Hiệu ứng Compton:

Khi năng lượng bức xạ  tăng lên E 0.2MeV, khi va chạm với điện tử truyền một phần năng lượng cho e làm điện tử bẳn ra khỏi nguyên tử, còn bức xạ  giảm năng lượng bị tán xạ chuyển động lệch hướng theo góc tán xạ khác.

2 '

E E mv

    2

Đối với môi trường vật chất nhẹ thì xác xuất xảy ra hiệu ứng tỉ lệ với mật độ đất đá của môi trường.

- Hiệu ứng tạo cặp:

Khi bức xạ  có năng lượng cao E 1, 02MeV tương tác với hạt nhân nguyên tử vật chất bị mất hoàn toàn năng lượng và làm hạt nhân bắn ra một cặp gồm một điện tử e và một proton e gọi là hiệu ứng tạo cặp.

v2

E 2m

  2

Hình 5.2: Tương tác của bức xạ 

c. Hiệu ứng tạo cặp b.Hiệu ứng compton

a. Hiệu ứng hấp thụ quang điện