báo cáo tiểu luận đồng vị bền và đồng vị phóng xạ

LOGO
ĐỒNG VỊ BỀN VÀ ĐỒNG VỊ
PHÓNG XẠ
GVHD: Th.S Phạm Nguyễn Thành Vinh
SVTH: Trần Văn Xuân
Hồ Hoàng Việt
Huỳnh Thị Tuyết Hoàng
Nguyễn Phúc


NỘI DUNG
NỘI DUNG
Click to add Title
1
Cấu trúc hạt nhân
1
Click to add Title
2
Năng lượng hạt nhân
2
Click to add Title
1
Tính bền vững của hạt nhân
3
Click to add Title
2
Phân rã hạt nhân
4
Click to add Title
1
Phản ứng hạt nhân

5

ĐỒNG VỊ BỀN VÀ ĐỒNG VỊ PHÓNG
XẠ
Nguyên tắc của phân tích kích hoạt
phóng xạ bắt nguồn từ:
Các nguyên tắc của cấu trúc nguyên tử và hạt nhân

Các đồng vị phóng xạ bền.

Sự chuyển đổi nguyên tử

Các đặc tính bức xạ của các đồng vị phóng xạ,
và sự tương tác giữa các tia phóng xạ này với vật chất

1.1.1 - Cấu Trúc Hạt Nhân
•
Hạt nhân là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố
hóa học.
•
Mô hình cổ điển:
•
Một hạt nhân cố định được bao quanh bởi các nguyên tử
mang điện tích dương, với số lượng thích hợp của các điện
tử mang điện tích âm ở vỏ.
•
Các chu kỳ của lớp điện tử về hạt nhân là nền tảng cho các
tính chất hóa học của các phần tử và các khái niệm về điện
tử hóa trị, liên kết ion, và liên kết cộng hóa trị

1.1.2 - Các Mô Hình Hạt Nhân
•
Rutherford (1911)
•
Hạt nhân gồm các proton đan xen với các
electron
•
Chadwick (1932)
•
Khám phá ra nơtron
•
Bằng cách xem các proton và nơtron là
khối xây dựng tương đương (nucleon) và
khối lượng của hạt nhân tỉ lệ với số
nucleon hiện tại (A), chúng ta có thể hiện
được bán kính của nuclei bởi công thức
kinh nghiệm:
R = R
o
A
1/3

1.1.3 - Bảo Tồn Các Nguyên Tử:
•
Một trong những định luật thành công
nhất là định luật bảo tồn số lượng các
nucleon trong:
»
Các hạt nhân nguyên tử
»

Các quá trình phân rã phóng xạ
»
Các phản ứng hạt nhân.
•
Định luật bảo toàn này cho phép
chúng ta xây dựng một bảng các chất
đồng vị từ mô hình "thực tế" hạt nhân,
tương tự như bảng tuần hoàn các
nguyên tố.


1.1.4 – Hóa Tính
•
Hiện tượng phân rã phóng xạ:
•
Các tính chất hóa học của một nguyên
tử có liên quan đến số lượng của các
điện tử hóa trị tham gia vào tổ hợp hóa
học của nó
•
Công thức hóa học của một nguyên tử
có liên quan đến số lượng các điện tử
có trong nguyên tử trung tính

•
Điện tích hạt nhân (Q) :
Q = Ze
•
Số khối (A) :
A = Z + N

Hình 1.1: Đồng vị của một vài nguyên tố, minh họa cho thành
phần hạt nhân của các nuclit phóng xạ ổn định. Các hạt nhân
được vẽ với bán kính tỉ lệ với R
o
A
1 / 3
.

Bảng 1.2 Thành phần hạt nhân của đồng vị đơn ổn định của các
nguyên tố (f = 1.00)
Nguyên
tố hóa
học
Số lượng
nguyên
tử (Z)
Số lượng
nơtron
(N)
Tỉ lệ (N/Z) Số khối
(A)
Ký kiệu
Nuclit
Bery 4 5 1.250 9
9
Be
Flour 9 10 1.111 19
19
F
Natri 11 12 1.091 23

23
Na
Nhôm 13 14 1.077 27
27
Al
Phốt pho 15 16 1.067 31
31
P
Scan-đi 21 24 1.143 45
45
Sc
Mangan 25 30 1.200 55
55
Mn
Coban 27 32 1.185 59
59
Co

Đồng vị đơn của nguyên tố ổn định thể hiện
vấn đề đơn giản hơn trong phân tích kích
hoạt cho các yếu tố đó

1.2 – Năng Lượng Hạt Nhân
1.2.1 – Khối lượng nguyên tử:
1.2.2 – Tương đương giữa khối lượng và
năng lượng:
Năng lượng chứa trong 1 amu được cho bởi :
ergE
321024
1049.1)103(1066.1

−−
×=××=
g 24-1.660x10
10023.6
1
amu 1
23
==
x
22
McEMcE ∆=∆=>=


1.2.2. Tương đương giữa khối lượng và năng lượng
1.2.2. Tương đương giữa khối lượng và năng lượng


Năm 1905, Einstein trong việc phát triển lý thuyết tương đối của mình đã
đi đến kết luận rằng tính chất của khối lượng M và năng lượng E là
tương đương với nhau. Sự tương đương đó được thể hiện bởi phương
trình:
E = Mc
2
(6)
Năng lượng sinh ra trong công thức trên đó là năng lượng được dự trữ
trong khối lượng M. Từ công thức trên ta thấy sự biến đổi về khối lượng
thì tương đương với sự biến đổi về năng lượng:
(7)
2
McE

∆=∆
Năng lượng chứa trong 1 amu được cho bởi:
(8)
Trong vật lý hạt nhân, các đơn vị năng lượng được biểu diễn bằng
electron Volt (eV), eV là năng lượng thu được do một electron tạo ra điện
năng 1V. Sự thay đổi năng lượng của các quá trình hạt nhân thường
được tính theo đơn vị Kilo electron Volt.
ergE
321024
1049.1)103(1066.1
−−
×=××=


Số
Số
nguyên
nguyên
tử (Z)
tử (Z)
Nguyên tố hóa học
Nguyên tố hóa học
Số khối
Số khối
( A)
( A)
Đồng vị phóng xạ
Đồng vị phóng xạ
Khối lượng hạt nhân
Khối lượng hạt nhân

(amu)
(amu)
0
0
Neutron
Neutron
1
1
1
1
n
n
1.008665
1.008665
1
1
Hydrogen
Hydrogen
1
1
1
1
H
H
1.007825
1.007825
1
1
Hydrogen
Hydrogen

2
2
2
2
H
H
2.014102
2.014102
1
1
Hydrogen
Hydrogen
3
3
3
3
H
H
3.016049
3.016049
2
2
Helium
Helium
3
3
3
3
He
He

3.016030
3.016030
2
2
Helium
Helium
4
4
4
4
He
He
4.002604
4.002604
3
3
Lithium
Lithium
6
6
6
6
Li
Li
6.015126
6.015126
6
6
Carbon
Carbon

11
11
11
11
C
C
11.011433
11.011433
6
6
Carbon
Carbon
12
12
12
12
C
C
12.000000
12.000000
6
6
Carbon
Carbon
13
13
13
13
C
C

13.003354
13.003354
6
6
Carbon
Carbon
14
14
14
14
C
C
14.003242
14.003242
7
7
Nitrogen
Nitrogen
14
14
14
14
N
N
14.003074
14.003074
8
8
Oxygen
Oxygen

16
16
16
16
O
O
15.994915
15.994915
11
11
Sodium
Sodium
23
23
23
23
Na
Na
22.899773
22.899773
11
11
Sodium
Sodium
24
24
24
24
Na
Na

23.990967
23.990967
12
12
Magnesium
Magnesium
24
24
24
24
Mg
Mg
23.985045
23.985045
12
12
Magnesium
Magnesium
27
27
27
27
Mg
Mg
26.984345
26.984345
13
13
Aluminum
Aluminum

27
27
27
27
Al
Al
26.981535
26.981535
15
15
Phosphorous
Phosphorous
32
32
32
32
P
P
31.973908
31.973908
16
16
Sulfur
Sulfur
32
32
32
32
S
S

31.972074
31.972074
17
17
Chlorine
Chlorine
35
35
35
35
Cl
Cl
34.968854
34.968854
Bảng 1.3 Khối lượng hạt nhân cho các đồng vị phóng xạ


1.2.3. Năng lượng liên kết
1.2.3. Năng lượng liên kết


1. Lực hạt nhân
phải đủ mạnh để
vượt qua các lực
đẩy Coulomb của
nhiều proton tích
điện dương trong
hạt nhân.
Sự thay đổi thành
phần hạt nhân (Z

+ N) kết quả là
làm thay đổi năng
lượng bởi vì các
lực liên kết hạt
nhân thay đổi.
Khi quan sát các
đồng vị phóng xạ
bền trong tự
nhiên thì các lực
hạt nhân đáp ứng
hai yêu cầu:
2. Lực hạt nhân phải
có khoảng cách ngắn
trong kích thước hạt
nhân nếu không sẽ
không tồn tại.


Trong thực tế, phản ứng hạt nhân là sự "hợp nhất" của hai Deuteron để
tạo thành một hạt nhân lớn hơn với số lượng có ích có kiểm soát để phát
điện là những mục tiêu của điện nhiệt hạch.
Do đó, lực giữa một neutron tự do và proton tự do không quá lớn
như các lực giữ neutron và proton liên kết với nhau trong một hạt
nhân Đơteri. Tương tự, các lực giữa hai hạt nhân Đơteri tự do
này nhỏ hơn các lực liên kết giữ các hạt nhân Heli với nhau.
Năng lượng phát ra trong sự kết hợp của một số lượng các hạt proton và nơtron
tự do trong việc hình thành một hạt nhân nguyên tử được gọi là năng lượng liên
kết (BE). Phương trình Einstein tỉ lệ với khối lượng và năng lượng giải phóng của
năng lượng liên kết tỉ lệ với độ hụt khối của sự "hợp nhất" các đồng vị phóng xạ.
Vì vậy khối lượng của 4He nhỏ hơn tổng khối lượng của hai proton và hai

neutron. Sự hình thành đồng vị phóng xạ có thể được viết là.
(16)
1 1 4
1 0 2
2 2H n He BE
+ → +


Độ hụt khối: ∆M = 2M (1H) + 2M (1n) - M (4He) (17)
∆M = 2 (1.0078252) + 2 (1.0086654) - 4.0026036 = 0.0303776 amu (18)

Năng lượng liên kết:
∆ E = BE = 0.0303776 amu ×931.4 MeV/amu= 28.22 MeV (19)
Một chỉ số liên quan đến sự bền của các đồng vị phóng xạ là do năng lượng
liên kết trung bình mỗi nucleon trong hạt nhân;
4
He, là một trong những đồng
vị phóng xạ bền, có một năng lượng liên kiết trung bình của mỗi nucleon là:
(20)
Ngược lại, deuterium,
2
H, một trong những đồng vị phóng xạ bền nhỏ nhất,
có năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon là:
(21)
28.22
7.05 /
4
BE
MeV nucleon
A

= =
2.2
1.1 /
2
BE
MeV nucleon
A
= =


Mối quan hệ của năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon với số khối được
thể hiện trong hình 1.2. Trên giá trị cực đại tại A ∼ 60 (giới hạn các đồng vị) giá trị
trung bình giảm dần từ 8.7 - 7.8 MeV/nucleon.
Một chỉ số liên quan đến sự bền tương đối là năng lượng liên kết tăng cần
thiết để thêm một neutron đối với một đồng vị phóng xạ bền. Như vậy, nếu một
neutron đã được thêm vào, sự thay đổi trong khối lượng sẽ là:
∆M = [11M (
1
H) + 12M (
1
n) - M (
23
Na)] - [11M (
1
H) + 13M (
1
n) - M (
24
Na)].
= M (

24
Na) - [M (
23
Na) + M (
1
n)].
= 23.990967 - 23.998.438 = - 0.007471amu
Và đối với việc bổ sung các
neutron:
23 24
11 11
Na n Na BE
+ → + ∆
Sự thay đổi năng lượng liên kết được:
∆BE = - 0.007471 amu 931. 4 MeV / amu= - 7 MeV

×
(24)
(23)
(22)


Số khối
(A)
Năng
lượng
liên kết
trung
bình mỗi
nuleon

(MeV/A)
Đồng vị phóng xạ và đồng vị phóng xạ bền
Hình 1.2 Năng lượng liên kết trung bình mỗi nucleon như là một hàm số của số khối
của các đồng vị phóng xạ bền đối với các đồng vị phóng xạ phổ biến lớn hơn 50%.
Dấu trừ có nghĩa rằng
24
Na có năng lượng liên kết là 7 MeV đối với
23
Na và
một neutron tự do. Bổ sung nguồn năng lượng neutron liên kết từ khoảng -2 đến
-12 MeV.


1.3.
1.3.


Tính bền vững của hạt nhân
Tính bền vững của hạt nhân


Trái đất luôn tồn tại các nguyên tố trên đó. Hầu hết các nguyên tử hiện
có trong vật chất là bền theo thời gian, còn lại là phóng xạ.
Trái đất bị bắn phá liên tục bởi các tia phóng xạ từ không gian bên ngoài,
đã làm chuyển đổi một số các nguyên tử bền thành những nguyên tử
phóng xạ. Một số các nguyên tử phóng xạ sinh ra có thời gian rất ngắn,
dao động xuống thấp hơn 10
-20
giây, một số tạo thành có thời gian rất dài,
lên đến hơn 10

18
năm. Đồng vị phóng xạ như vậy được coi là bền; với
83
Bi
209
, từ lâu được coi là nặng nhất của các đồng vị phóng xạ bền, so với
một vài đồng vị phóng xạ khác.
Tiêu chí để xác định sự bền hạt nhân là dựa vào độ phân rã của hạt
nhân. Với các kỹ thuật đo lường có độ nhạy tối đa như hiện nay thì các
đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã quá 10
18
năm có thể được coi là
bền.


Phải lớn hơn số không. Tuy nhiên, khi ∆M > 0 quá trình phân rã là mạnh
mẽ nhất, đó là cách duy nhất để xác định các phân rã tự phát, nó sẽ
không phân rã hoặc khi. Cho ∆M <0 phân rã tự phát không thể xảy ra.
Trong đó các đồng vị phóng xạ A phân hủy để tạo thành
đồng vị phóng xạ B với việc giải phóng các tia bức xạ b. Vì
thế sự phân hủy xảy ra một cách tự nhiên trong sự thay đổi
độ hụt khối:
∆M = M
A
- (M
B
+ M
b
) (26).
Sự giải phóng khối lượng giống như năng lượng bức

xạ trong quá trìnhphân rã. Một quá trình phân rã phóng
xạ có thể được viết dưới dạng:
A → B + b (25).


Đồng vị phóng xạ
với các tỷ lệ N / Z
khác nhau có thể
nhìn thấy bởi các
đường cong liền
nét trong hình 1.3
là bình thường
không bền hoặc
phóng xạ.
Nó có xu hướng
chuyển đổi tự
phát với nhiều
hạt nhân bền
bằng cách thay
đổi neutron thành
proton hoặc
ngược lại.
Do đó, một đồng vị
phóng xạ có số khối A
với sự dư thừa của
các neutron có thể trở
nên bền hơn bằng
cách chuyển đổi
neutron thành proton,
và ngược lại, một

đồng vị phóng xạ
không bền có thể trở
nên bền hơn bằng
cách chuyển đổi nhiều
proton thành nhiều
neutron.


1.3.1. Tỉ số N / Z
1.3.1. Tỉ số N / Z
Các đồng vị phóng xạ bền trong tự nhiên được tạo thành là một tổ hợp của các
neutron và proton; kết quả của sự kết hợp này tạo nên các đồng vị phóng xạ.
Các cấu trúc của hạt nhân bền vẫn là chủ đề nghiên cứu quan trọng trong nghiên
cứu vật lý hạt nhân. Khoảng 300 đồng vị phóng xạ bền, được biết đến. Bằng
cách kiểm tra các thành phần của các đồng vị phóng xạ chúng ta lưu ý rằng
tỷ lệ (N/Z) của các nơtron và proton có mối quan hệ chung với số khối. Một đồ
thị của các số nơtron so với số proton cho các đồng vị phóng xạ bền với sự
phổ biến lớn hơn 10% được thể hiện trong hình 1.3. Các tỷ lệ (N/Z) là sự thống
nhất của nhiều các đồng vị phóng xạ nhẹ như và tăng với số nguyên tử có giá
trị khoảng 1.5 cho đồng vị phóng xạ bền nặng nhất. Đường vẽ này được rút ra
thông qua các đồng vị phóng xạ bền đại diện cho một đường cong đẹp, xấp xỉ
của phương trình:
(27)
0
2
3
2 0.015
A
Z
A

=
+
40
20
Ca


Số
nơtron
(N)
Số proton (Z)
Đồng vị phóng xạ và đồng vị phóng xạ
bền
Hình 1.3: Tỷ số N / Z biểu diễn cho các đồng vị phóng xạ bền với các đồng vị
phóng xạ phổ biến lớn hơn 10%. Đường cong liền nét được rút ra từ hệ số Z
0
= A/
(2+0.015/A
2/3
), có thể so sánh với đường nét đứt, với Z = A / 2.
Như vậy sự chuyển đổi với số khối (nucleon) được bảo toàn trong hạt nhân
được thể hiện bằng việc phát ra của nhiều electron năng lượng cao và được gọi là
phân rã beta.


1.3.2. Tính bền của các nguyên tố nặng nhất
Hình 1.3 Cũng cho thấy là số nguyên tử của các nguyên
tố tăng quá mức tăng của các hạt nhân tương đối so với
các proton là cần thiết để duy trì tính bền vững bởi sự
kết hợp các nucleon trong hạt nhân. Các nơtron bổ

sung có thể được coi là cần thiết để bù đắp sự tăng
nhanh của lực đẩy coulomb của các proton tích điện
dương gần giống như là tăng số lượng nguyên tử. Tuy
nhiên, mặc dù năng lượng liên kết mỗi nucleon thêm
vào này giảm từ từ cho các hạt nhân lớn hơn, tính chất
tác dụng gần của các lực hạt nhân là kết quả của sự
không bền vững của lực đẩy culông hơn là tăng số
lượng nguyên tử.


Như vậy tất cả các đồng vị phóng xạ với Z > 83 là
không bền so với kích thước của nó bởi vì lực đẩy coulomb
của các proton. Hạt nhân Heli rất bền, là chất phóng xạ
phân rã của các hạt nhân nặng. Các yếu tố có thể diễn ra
bởi sự phát xạ của một hạt alpha, hạt nhân
4
He, để lại một
hạt nhân với hai proton ít hơn và khối lượng hạt nhân nhẹ
hơn khoảng 4 lần. Các hạt nhân còn lại vẫn có thể được
phát ra nhiều hạt alpha và có thể xảy ra lặp đi lặp lại cho
đến khi số nguyên tử sẽ trở thành 83 hoặc ít hơn. Mặc dù
các đồng vị phóng xạ với Z > 83 là không bền đối với phân
rã alpha, trong số các đồng vị phóng xạ của hạt nhân cũng
có thể không bền hơn so với các loại phân rã phóng xạ
khác, như là phân rã beta hoặc phân hạch tự phát (quá
trình chia tách thành hai mảnh lớn).