tiểu luận đồng vị phóng xạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
TIỂU LUẬN PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO BỨC XẠ
ĐỀ TÀI:
ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
GVHD : TS. TRẦN QUỐC DŨNG
Học viên : ĐẶNG SA LY
Chuyên ngành : Vật lý nguyên tử K22

Thành phố Hồ Chí Minh – 2013
1. BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Cũng giống như Bảng Hệ Thống Tuần Hoàn, Bảng Các Đồng Vị Phóng Xạ là hình
thức thuận tiện để trình bày một số lượng lớn thông tin khoa học theo lối có tổ chức.
Hình 3. Một phần nhỏ của một bảng đồng vị phóng xạ điển hình
1.1 BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Một bảng đồng vị phóng xạ liệt kê các thông tin về các đồng vị bền và đồng vị không
bền. Hình 3 là một phần nhỏ của một bảng đồng vị phóng xạ điển hình. Bảng này vẽ
một ô cho mỗi đồng vị phóng xạ riêng biệt, với số proton (Z) theo trục đứng và số
neutron (N = A – Z) theo trục ngang.
Hình vuông màu xám biểu thị đồng vị bền. Các hình vuông màu trắng biểu thị các
phóng xạ nhân tạo, nghĩa là chúng được sản xuất theo kỹ thuật nhân tạo và không tự
nhiên xuất hiện. Bằng cách tra cứu một bảng hoàn chỉnh, ta có thể tìm thấy các loại
đồng vị khác, chẳng hạng như các loại đồng vị xuất hiện trong tự nhiên (nhưng không
có đồng vị nào được tìm thấy trong vùng của bảng ở hình 3)
Các ô nằm về bên trái của mỗi hàng ngang trong bảng là thông tin chung của mỗi
nguyên tố. Mỗi ô chứa ký hiệu hóa học của nguyên tố kèm theo nguyên tử khối trung
bình của chất phóng xạ xuất hiện trong tự nhiên và tiết diện hấp thụ neutron nhiệt trung
bình. Các đồng vị (các nguyên tố có cùng số Z nhưng khác số A) của mỗi nguyên tố
được liệt kê phía bên phải.
1.2 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ BỀN

Đối với các đồng vị bền, đi kèm với ký hiệu và số nguyên tử khối là phần trăm của mỗi
đồng vị xuất hiện trong tự nhiên cũng như tiết diện hấp thụ neutron nhiệt và khối lượng
theo đơn vị amu. Hình 4 là một khối điển hình của một đồng vị bền từ bảng các đồng
vị phóng xạ.
1.3 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ KHÔNG BỀN
Đối với các đồng vị không bền, ngoài các thông tin trên thì còn có thông tin về thời
gian bán rã, loại phân rã (ví dụ như phân rã β
-
, α, ), năng lượng phân rã tổng cộng
theo đơn vị MeV và khối lượng theo đơn vị amu. Hình 5 là một khối điển hình của một
đồng vị không bền từ bảng các đồng vị phóng xạ.
1.4 TỈ SỐ NEUTRON – PROTON
Hình 6 cho thấy sự phân bố của các đồng vị bền được biểu diễn trên cùng các trục như
bảng các đồng vị phóng xạ. Khi số khối tăng thì tỉ số số neutron trên số proton cũng
tăng theo. Ví dụ Helium-4(2 proton và 2 neutron) và Oxygen-16(8 proton và 8 neutron)
thì tỉ số này là 1; Indium-115(49 proton và 66 neutron) thì tỉ số này tăng lên 1,35; và
đối với Uranium-238(92 proton và 146 neutron) thì tỉ số này là 1,59.
Nếu một hạt nhân nặng bị tách thành hai phần, thì mỗi phần sẽ tạo thành một hạt nhân
con, có tỉ số số neutron trên số proton xấp sĩ như tỉ số của hạt nhân mẹ. Các hạt nhân
có tỉ số số neutron trên proton cao nằm ở dưới về phía phải của đường biểu diễn các
hạt nhân bền được biểu diễn trên Hình 6. Tính không bền của hạt nhân là do số neutron
quá lớn, sự không bền này nói chung sẽ được điều chỉnh bằng sự liên tiếp phát các bức
xạ beta- β, và trong mỗi phát xạ β thì một neutron chuyển thành một proton và chuyển
hạt nhân đến tỉ số số neutron trên số proton bền hơn.
1.5 ĐỘ PHONG PHÚ TRONG TỰ NHIÊN CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Độ nhiều tương đối của một đồng vị trong tự nhiên so với các đồng vị khác của cùng
một nguyên tố thường là không đổi. Bảng đồng vị phóng xạ biểu diễn độ nhiều tương
đối xuất hiện trong tự nhiên của các đồng vị của cùng một nguyên tố theo đơn vị phần
trăm nguyên tử. Phần trăm nguyên tử là tỉ lệ phần trăm của các nguyên tử của một loại
đồng vị của một nguyên tố. Phần trăm nguyên tử viết gọn là a/o. Ví dụ độ nhiều đồng

vị của đồng vị oxygen-18 là 0,20%, giả sử trong một cốc nước chứa 8,23 x 1024
nguyên tử oxygen thì sẽ có 1,65 x 1024 nguyên tử đồng vị oxygen-18 trong cốc nước
đó.
Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố được định nghĩa là khối lượng nguyên tử
trung bình của các đồng vị của nguyên tố đó. Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố
có thể được tính bằng cách lấy tổng các tích độ nhiều đồng vị của mỗi đồng vị với khối
lượng nguyên tử của đồng vị đó.
Ví dụ:
Tính khối lượng nguyên tử của nguyên tố lithium nếu biết lithium có hai đồng
vị là lithium-6 có độ nhiều nguyên tử là 7,5% và khối lượng nguyên tử là
6,015122 amu và lithium-7 có độ nhiều nguyên tử là 92,5% và khối lượng
nguyên tử là 7,016003 amu.
Giải:
Khối lượng nguyên tử Lithium = (0,075)(6,015122 amu) + (0,925)(7,016003
amu) = 6,9409 amu
Một đại lượng đo khác của độ nhiều đồng vị là phần trăm khối lượng (w/o). Phần trăm
khối lượng là phần trăm khối lượng của một đồng vị riêng biệt. Ví dụ một mẫu vật liệu
chứa 100 kg uranium trong đó thành phần uranium-235 có phần trăm khối lượng là 28
w/o có nghĩa là có 28 kg đồng vị uranium-235.
2. QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM
2.1 URANIUM GIÀU
Uranium được khai thác từ đất có chứa các đồng vị uranium-238, uranium-235 và
uranium-234. Trong đó uranium-238 trong tự nhiên chiếm nhiều nhất (99,2745%),
phần còn lại thì chủ yếu là uranium-235 (0,7200%) và một số lượng nhỏ uranium-234.
Mặc dù tất cả các đồng vị của uranium có chung các tính chất hóa học, nhưng mỗi
đồng vị lại có những tính chất thuộc về hạt nhân khác nhau đáng kể. Đồng vị uranium-
235 thường là nguyên liệu chính dùng trong nhà máy điện hạt nhân để tạo ra điện hạt
nhân; chế tạo vũ khí hạt nhân. Quá trình làm giàu uranium tạo ra uranium giàu.
Uranium giàu là uranium trong đó đồng vị uranium-235 có nồng độ cao hơn giá trị
nồng độ có trong tự nhiên. Quá trình làm giàu cũng sẽ dẫn đến sản phẩm phụ uranium

nghèo. Uranium nghèo là uranium trong đó đồng vị uranium-235 có nồng độ thấp hơn
giá trị nồng độ có trong tự nhiên. Mặc dù uranium nghèo được xem như là sản phẩm
phụ của quá trình làm giàu, nhưng nó thực sự có giá trị trong lĩnh vực hạt nhân và công
nghiệp thương mại và quốc phòng.
2.2 QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM
Vì tính chất thương mại và quốc phòng của mỗi quốc gia đòi hỏi làm giàu uranium.
U
235
được làm giàu bằng phương pháp tách đồng vị.
2.2.1 KHUẾCH TÁN KHÍ
Quy trình làm giàu uranium bằng phương pháp khuếch tán khí, bên trong thiết bị, khí
uranium-6-flour(UF
6
) được đưa chậm vào các đường ống dẫn, tại đây UF
6

được bơm
qua các bộ lọc đặc biệt gọi là các “barrier” (còn gọi là các màng tổ ong – Porous
Membrane). Các lỗ trống của barrier rất nhỏ để các phân tử khí UF
6
đi qua được. Quá
trình làm giàu xảy ra khi mà các phân tử khí UF
6
nhẹ hơn(chứa các nguyên tử U
234
và
U
235
) tiến tới khuếch tán qua các barrier nhanh hơn các phân tử khí UF
6

nặng chứa U
238

Dĩ nhiên là sẽ cần hàng trăm barrier xếp
theo từng lớp cho đến khi khí UF
6
chứa đủ
Quá trình khuếch tán khí sử dụng phương pháp
khuếch tán phân tử để tách một loại khí ra khỏi
hỗn hợp hai loại khí. Sự tách đồng vị được thực
hiện bằng cách khuếch tán Uranium (trong khí
UF
6
) qua “màng tổ ong” nhờ vào tính khác
nhau của vận tốc phân tử của hai đồng vị.
U
235
cần sử dụng trong lò phản ứng. Ở phần cuối của quá trình UF
6
giàu sẽ được lấy ra
khỏi ống dẫn và được ngưng tụ thành dạng lỏng rót vào thùng chứa.
2.2.2 LI TÂM KHÍ
Quá trình làm giàu uranium bằng phương pháp li tâm sử dụng một số lượng lớn các xi-
lanh quay, được xếp thành một dãy nối tiếp. Trong quá trình này, khí UF
6
được đưa
vào một xi-lanh và được quay ở tốc độ cao. Sự quay này tạo một lực li tâm mạnh để
cho các phân tử khí nặng(chứa U
238
) chuyển động ra phía ngoài của xi-lanh và các phân

tử khí nhẹ(chứa U
235
) tập trung vào gần tâm hơn. Dòng uranium giàu được lấy ra và
tiếp tục đưa vào tầng cao hơn kế tiếp, trong khi đó dòng uranium nghèo được tái sử
dụng và được đưa xuống tầng thấp hơn kế tiếp. Quá trình
xảy ra sẽ cho lượng uranium giàu đáng kể.