Khảo sát độ phóng xạ trong xi măng dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành phố HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
---------------------------------




NGUYỄN NGỌC PHI





KHẢO SÁT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG XI MĂNG
DÙNG LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG KHU VỰC
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH




Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05



LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. TRẦN VĂN LUYẾN












Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010
LỜI CẢM ƠN
“Công cha như núi Thái Sơn, nghĩa mẹ như nước trong nguồn chảy ra”. Con vô cùng biết ơn
Cha Mẹ đã nuôi dưỡng và dạy dỗ con nên người.
Cảm ơn Vợ hiền đã chia sẻ và gánh vác phần khó nhọc để anh yên tâm học tập.
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giảng dạy và giúp đỡ tận tâm
của quý thầy cô bộ môn Vật lí trường Đại học sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh và Phòng An toàn
bức xạ - môi trường thuộc Trung tâm hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh.
Cho phép tôi được bày tỏ lời biết ơn chân thành đến:
 TS. Thái Khắc Định, người thầy đã hướng dẫn tôi chọn đề tài này, tận tâm giảng dạy và góp ý
chân thành bổ ích cho tôi.
 TS. Đỗ Xuân Hội, TS. Nguyễn Văn Hoa, TS. Huỳnh Quang Linh, PGS-TSKH. Lê Văn
Hoàng, TS. Nguyễn Văn Hùng, TS. Nguyễn Quang Miên, TS. Bùi Văn Loát, TS. Nguyễn Đông
Sơn, TS. Võ Thanh Cương và tất cả quý thầy cô đã tận tâm giảng dạy, truyền thụ kiến thức cho tôi

trong suốt thời gian học tập tại trường.
Cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
 TS. Trần Văn Luyến người thầy đã truyền cho tôi niềm đam mê nghiên cứu khoa học, những
kiến thức chuyên môn sâu, những chỉ bảo tận tình trong thực nghiệm và trong đánh giá kết quả.
 Thầy cô phản biện và Hội đồng khoa học đã dành nhiều thời gian đọc và góp ý cho luận văn
của tôi.
 Ks. Đào Văn Hoàng luôn khuyến khích, động viên và hết lòng giúp đỡ tôi.
Xin chân thành cảm ơn đến:
 Ban Giám đốc Trung tâm kỹ thuật hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, các anh chị Phòng an
toàn bức xạ - môi trường của Trung tâm đã tạo điều kiện thuận lợi về tinh thần và cơ sở vật chất cho
tôi trong quá trình thực nghiệm tại Trung tâm.
 Ban Giám hiệu và các thầy cô giáo trường THPT Tôn Đức Thắng luôn động viên, cổ vũ và
tạo điều kiện về thời gian cho tôi trong suốt quá trình học tập.
 Các bạn Lớp cao học vật lí K18 luôn giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện
luận văn.
BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐƠN VỊ ĐO
Ước số và bội số đơn vị đo
Thang đo Tên gọi Kí hiệu
10
-18
= atto (a)
10
-15
= femto (f)
10
-12
= pico (p)
10
-9
= nano (n)

10
-6
= micro ()
10
-3
= milli (m)
10
+3
= kilo (k)
10
+6
= mega (M)
10
+9
= giga (G)
10
+12
= tera (T)
10
+15
= peta (P)
10
+18
= exa (E)
Năng lượng bức xạ
1 Gray (Gy) = 1 J/kg
1 rad = 10mGy = 1E-7 J hấp thụ trong 1 gram vật chất.
1 Sievert (Sv) = 100 rem; 1 mSv = 0.1 rem.
1 Curie(Ci) = 3.7.10
10

Becquerel (Bq)
1 EBq = 10
18
Bq
1 gray = 100 rad
1 rem = 0.01 sievert
1 rad = 1000 millirad = 0.01 gray
1 Roengten (R) = 0.876 rad (in air)
Chữ viết tắt
Ge Germani – Nguyên tố germani.
GPS Global Position System – Hệ thống định vị toàn cầu.
FWHM Full width Half Maximum – Bề rộng ở nửa giá trị cực đại.
HPGe High Pure Germani: germani siêu tinh khiết.
IAEA International Atomic Energy Agency – Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế.
ICRP International Commission for Radiological Protection - Ủy ban an toàn phóng xạ quốc
tế.
OED Oranization for Europe Cooperration and Development – Tổ chức hợp tác và phát
triển Châu Âu.
PGs Phó giáo sư.
SNAP System for Nuclear Auxiliary Power – Hệ thống năng lượng hạt nhân phụ trợ trong vệ
tinh hoặc tàu vũ trụ.
T
1/2
Chu kì bán hủy – Nửa thời gian sống của một đồng vị phóng xạ.
Ttvt Tương tác vũ trụ.
UNSCEAR United Nations scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation – Hội đồng
tư vấn khoa học của Liên Hiệp Quốc về ảnh hưởng của bức xạ nguyên tử.
UTM Universal Transverse Mercator – Hệ thống biến đổi tọa độ toàn cầu.
WGS World Geometrical System – Hệ thống đo đạc toàn cầu.
NCRP National Council on Radiation Protection and Measurements – Hội đồng quốc gia về

bảo vệ và đo lường bức xạ
TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh.
TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam.
LHDTBHN Liều hiệu dụng trung bình hằng năm.
VLXD Vật liệu xây dựng.


MỞ ĐẦU

Trong thời gian gần đây, mọi người đều rất quan tâm đến hoạt độ phóng xạ tự nhiên có
trong các nhóm vật liệu xây dựng. Trong đó xi măng là thành phần chủ yếu và chiếm phần lớn trong
vật liệu dùng để xây dựng. Vậy xi măng được tạo thành từ đâu?
Xi măng phần lớn được chế tạo từ đất, đá lấy từ bề mặt của Trái đất, mà Trái đất được hình
hành từ nhiều nguyên tố khác nhau, trong đó có các nguyên tố phóng xạ, các nguyên tố này phân bố
rộng khắp các quyển của Trái đất như: thạch quyển, địa quyển, thủy quyển, khí quyển và sinh
quyển. Nguyên tố phóng xạ tự nhiên có rất sớm, có thể cùng tuổi với vũ trụ. Các chất phóng xạ tự
nhiên này gồm các hạt nhân trong các chuỗi uranium (U), thorium (Th) và các hạt nhân kali–40. Vì
thế mà xi măng cũng chứa một lượng phóng xạ tự nhiên nhất định.
Với nhu cầu cuộc sống của con người ngày càng cao thì vấn đề xây dựng nhà cửa được quan
tâm đúng mức. Khi con người sống trong ngôi nhà thì nó trở thành một “chiếc hộp” chắn phần lớn
các tia bức xạ từ bên ngoài chiếu vào. Nhưng do bản thân vật liệu xây dựng cũng chứa phóng xạ nên
ngôi nhà chúng ta lại chính là một nguồn phóng xạ mà lâu nay chúng ta chưa quan tâm tới. Hơn nữa
thời gian của chúng ta sống trong nhà (ăn, ở, ngủ, làm việc, sinh hoạt) chiếm tới 80% thời lượng 24
giờ của ngày nên ảnh hưởng của phóng xạ do VLXD gây ra cũng cần phải quan tâm hơn. Do đó liều
chiếu ngoài và chiếu trong đối với con người chủ yếu do vật liệu xây dựng gây nên. Vấn đề cần đặt
ra là trong vật liệu dùng để xây dựng mức phóng xạ nào là nguy hiểm, ảnh hưởng đến sức khỏe của
con người? Điều này Thế giới đã nghiên cứu nhiều, nhưng đối với Việt Nam thì vấn đề này còn khá
mới và cho đến năm 2006, vấn đề này mới thực sự được quan tâm và đi sâu vào nghiên cứu. Tiếp
theo đó năm 2007, Bộ xây dựng đã có quyết định về việc ban hành tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
TCXDVN 397:2007 “Hoạt độ phóng xạ tự nhiên của vật liệu xây dựng. Mức an toàn trong sử dụng

và phương pháp thử”. Phóng xạ trong vật liệu xây dựng chủ yếu là kali, uranium, thorium và các hạt
nhân con được tạo thành từ chuỗi phân rã phóng xạ của chúng, trong đó quan trọng nhất là radium
(Ra-226). Sự có mặt của Ra-226 trong vật liệu xây dựng gây nên một liều chiếu cho những người
sống trong nhà bởi việc hít thở khí radon phân rã từ radium và thoát ra từ vật liệu xây dựng vào
không khí trong nhà. Sự tác động này gây nên những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con
người, đặc biệt là làm gia tăng tỷ lệ ung thư phổi.
Với lý do trên mà tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn của mình là “Khảo sát độ phóng
xạ trong xi măng dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành phố Hồ Chí Minh” nhằm:
+ Xác định hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong một vài nhóm xi măng thương mại tại khu vực
thành phố Hồ Chí Minh phục vụ cho việc giám sát về mặt kỹ thuật theo TCXDVN 397: 2007.
+ Đưa ra các kiến nghị cần thiết cho các nhà sản xuất xi măng và người tiêu dùng.
Phương pháp thực hiện luận văn là xác định độ phóng xạ tự nhiên của xi măng bằng phổ kế
gamma và sau đó đánh giá nguyên nhân gây ra độ phóng xạ trong xi măng.
Đề tài: “Khảo sát độ phóng xạ trong xi măng dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành
phố Hồ Chí Minh” được thực hiện với 42 mẫu xi măng khác nhau. Sau đó đánh giá các chỉ số
Index phóng xạ, liều hấp thụ trung bình hàng năm, hoạt độ Ra tương đương…
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Do phóng xạ tự nhiên ảnh hưởng đến sức khỏe của con người xuất phát chủ yếu từ vật liệu
xây dựng trong đó xi măng là vật liệu hiện nay con người tiếp xúc trực tiếp nhiều cho nên đối tượng
nghiên cứu của luận văn này là xi măng được thu thập tại các cửa hàng vật liệu xây dựng ở thành
phố Hồ Chí Minh.
Phương pháp nghiên cứu là dùng hệ phổ kế gamma phông thấp tại trung tâm hạt nhân thành
phố Hồ Chí Minh trên cơ sở lý thuyết về tương tác của tia gamma với vật chất.
Bố cục của luận văn
Luận văn đuợc trình bày theo 3 chương:
Chương 1 là phần trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu: nguồn gốc phóng xạ, những ảnh
hưởng của radon đến sức khỏe con người, radon trong vật liệu xây dựng và tổng quan tình hình
nghiên cứu trong và ngoài nước.
Chương 2 là phần thực nghiệm: nêu đối tượng, các phương pháp nghiên cứu và lí do chọn
phương pháp dùng hệ phổ kế gamma phông thấp. Bên cạnh đó, còn trình bày về cấu tạo, những đặc

trưng của hệ phổ kế gamma phông thấp của Trung tâm hạt nhân TP HCM và các đồng vị phóng xạ
quan tâm. Đặc biệt, chương này còn trình bày về quá trình thu thập mẩu, xử lí, đo mẩu và tính toán
hoạt độ các nhân phóng xạ quan tâm trong mẫu.
Chương 3 là phần kết quả nghiên cứu và biện luận: trình bày các kết quả định tính và định
lượng hoạt độ phóng xạ của 42 mẫu xi măng thông qua việc xử lý phổ gamma. Biện luận và so
sánh kết quả này với một số kết quả của các nghiên cứu khác.
Phần kết luận đưa ra những nhận xét tổng quát rút ra từ kết quả của quá trình nghiên cứu
cùng đề xuất của tác giả về một số nguyên tắc bảo vệ an toàn phóng xạ có liên quan đến phóng xạ tự
nhiên trong xi măng.

Chương 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU



1.1. Vài nét về hiện tượng phóng xạ
Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thuở khai thiên lập địa, nhưng đã bị bỏ quên
cho đến năm 1896 khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối của Uranium. Sau đó,
năm 1899 Pierre và Marrie Curie tìm ra hai chất phóng xạ mới là Polonium và Radium. Năm 1934,
Frederic Jiolot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phospho và nitrogen. Phát
minh này đã mở ra một kỷ nguyên của phóng xạ nhân tạo.
Theo định nghĩa, phóng xạ là biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử, đưa đến sự thay đổi
trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân. Khi chỉ có sự thay đổi trạng thái xảy ra,
hạt nhân sẽ phát ra tia gamma mà không biến đổi thành hạt nhân khác, khi bậc số nguyên tử thay đổi
sẽ biến hạt nhân này thành hạt nhân của nguyên tử khác, khi chỉ có số khối thay đổi hạt nhân sẽ biến
thành đồng vị khác của nó.
Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận sản phẩm phân
rã phóng xạ của hạt nhân gồm:
- Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị các
lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm các hạt nhân của nguyên tử Helium

(
He
2
4
).
- Tia beta: cũng bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu hơn tia alpha.
Về bản chất, tia beta là các electron (


) và các positron (


).
- Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu vào
vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng lượng cao.
- Neutron: có sức xuyên mạnh hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tường bê
tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn paraphin.
- Phân hạch hạt nhân tự phát, các phản ứng hạt nhân được thực hiện trong lò phản ứng hạt
nhân và trong máy gia tốc còn sinh ra proton.

1.2. Nguồn gốc phóng xạ
Mọi người và mọi vật đều cấu tạo từ nguyên tử. Một người lớn trung bình là tập hợp của
khoảng 4.10
27
nguyên tử oxy, hydro, cacbon, nitơ, phốt pho và các nguyên tố khác. Khối lượng
nguyên tử tập trung ở phần hạt nhân nguyên tử mà kích thước của nó chỉ bằng một phần tỷ của
nguyên tử. Xung quanh hạt nhân hầu như là khoảng trống, ngoại trừ những phần tử rất nhỏ mang
điện tích âm quay xung quanh hạt nhân được gọi là electron. Các electron quyết định tính chất hố
học của một chất nhất định. Nó khơng liên quan gì với hoạt độ phóng xạ. Hoạt độ phóng xạ chỉ phụ
thuộc vào cấu trúc hạt nhân. Một ngun tố được xác định bởi số lượng proton trong hạt nhân.

Hydro có 1 proton, heli có 2, liti có 3, berili có 4, bo có 5 và cacbon có 6 proton. Số lượng proton
nhiều hơn, thì hạt nhân nặng hơn. Thori có 90 proton, protatini có 91 và urani có 92 proton, các
ngun tố có số proton lớn hơn 92 được xem là những ngun tố siêu urani. Số lượng các neutron
quyết định hạt nhân có mang tính phóng xạ hay khơng. Để các hạt nhân ổn định, số lượng neutron
trong hầu hết mọi trường hợp đều phải lớn hơn số lượng protron một ít. Ở các hạt nhân ổn định
protron và neutron liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh của hạt nhân mà khơng phần tử nào thốt
ra ngồi. Trong trường hợp như vậy, hạt nhân sẽ tồn tại bền vững. Tuy nhiên mọi việc sẽ khác đi
nếu số lượng neutron vượt khỏi mức cân bằng. Trong trường hợp này, thì hạt nhân sẽ có năng lượng
dư và đơn giản là sẽ khơng liên kết được với nhau. Sớm hay muộn nó cũng phải xả phần năng lượng
dư thừa đó. Hạt nhân khác nhau thì việc giải thốt năng lượng dư cũng khác nhau, dưới dạng các
sóng điện từ và các loại hạt khác: , , n, p. Năng lượng đó được gọi là bức xạ.
Z
100
80
20
40
60
0 20 40 60 80 100 120 140 160 N

-
Z=N
S =0
p
S =0
n
Các hạt nhân phóng xạ
+
Các hạt nhân

Các hạt nhân bền

phóng xạ

Hình 1.1. Mặt phẳng (Z,N) chứa tất cả các hạt nhân bền đối với phân rã nucleon, giới hạn bởi
các đường cong S
p
= 0 và S
n
= 0 (S
p
và S
n
là các năng lượng tách proton và neutron ra khỏi hạt
nhân). Dải hẹp gạch ca rơ gồm các hạt nhân bền đối với phân rã

. Vùng gạch chéo phía trên gồm
các hạt nhân phân rã


còn vùng gạch chéo phía dưới gồm các hạt nhân phân rã



Q trình mà ngun tử khơng bền giải thốt năng lượng dư của nó gọi là sự phân rã phóng xạ.
Tính phóng xạ phụ thuộc vào hai nhân tố: thứ nhất là tính khơng bền vững của hạt nhân do tỉ số N/Z
q cao hoặc q thấp so với đường cong trên hình 1.1 và thứ hai là quan hệ khối lượng giữa hạt
nhân mẹ (hạt nhân trước phân rã), hạt nhân con (hạt nhân sau phân rã) và hạt được phát ra. Tính
phóng xạ khơng phụ thuộc vào các tính chất hố học và vật lý của hạt nhân đồng vị và vì vậy khơng
thể thay đổi bằng bất cứ cách gì. Hạt nhân nhẹ, với ít proton và neutron trở lên ổn định sau một lần
phân rã. Khi một nhân nặng như radi hay urani phân rã, những hạt nhân mới được tạo ra có thể vẫn
không ổn định, mà giai đoạn ổn định cuối cùng chỉ đạt được sau một số lần phân rã.

Ví dụ: urani-238 có 92 proton và 146 neutron luôn mất đi 2 proton và 2 neutron khi phân rã.
Số lượng proton còn lại sau một lần urani phân rã là 90, nhưng hạt nhân có số lượng proton 90 lại là
thori, vì vậy urani-238 sau một lần phân rã sẽ làm sinh ra thori-234 cũng không ổn định và sẽ trở
thành protactini sau một lần phân rã nữa. Hạt nhân ổn định cuối cùng là chì chỉ được sinh ra sau lần
phân rã thứ 14. Quá trình phân rã này xảy ra đối với nhiều hạt nhân phóng xạ có ở trong môi trường.
Hoạt độ phóng xạ chỉ khả năng phát ra bức xạ của một chất. Hoạt độ không có nghĩa là cường
độ của bức xạ được phát ra hay những rủi ro có thể xảy ra đối với sức khoẻ con người. Nó được quy
định bằng đơn vị hoạt độ Becquerel (Bq), phỏng theo tên một nhà vật lý người Pháp, Henri
Becquerel. Hoạt độ phóng xạ (a) của một tập hợp các hạt nhân phóng xạ được tính bởi số các phân
rã trong nó trong một đơn vị thời gian theo công thức sau a = -
dt
dN
, trong đó N là số hạt nhân chưa
bị phân rã N = N
0
. Như vậy, a =
0
NN


e
-
t

,

là hằng số phân rã có giá trị xác định đối với mỗi
đồng vị phóng xạ.
Nếu số lượng phân rã là 1/1 giây, thì hoạt độ của chất đó được tính là 1 Bq. Hoạt độ không
liên quan gì đến kích thước hay khối lượng của một chất. Nếu số lượng phân rã xảy ra ở một lượng

nhỏ của một chất là 1000/1 giây, hoạt độ của chất đó lớn hơn 100 lần so với một số lượng lớn chất
chỉ có 10 phân rã xảy ra trong 1 giây.
Tốc độ phân rã được mô tả bằng chu kỳ bán rã, đó là thời gian mà 1/2 số hạt nhân không bền
của một chất nào đó phân rã. Chu kỳ bán rã là đơn nhất và không thay đổi cho từng hạt nhân phóng
xạ và có thể là từ một phần giây đến hàng tỷ năm. Chu kỳ bán rã của sulfua S-38 là 2 giờ 52 phút,
của radi Ra-223 là 11,43 ngày, và cacbon C-14 là 5.730 năm. Trong các chu kỳ bán rã liên tiếp, hoạt
độ chất phóng xạ giảm bởi phân rã từ 1/2, 1/4, 1/8, 1/16… so với hoạt độ ban đầu. Điều đó cho phép
tính hoạt độ còn lại của bất cứ chất nào tại một thời điểm bất kỳ trong tương lai.
Bức xạ có khắp nơi trong môi trường: trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây
dựng, kể cả con người - một sản phẩm của môi trường. Hầu hết các chất phóng xạ có đời sống dài
đều sinh ra trước khi có trái đất, vì vậy một lượng phóng xạ luôn tồn tại là điều bình thường không
thể tránh khỏi. Trong thế kỷ vừa qua, phông phóng xạ đã tăng lên không ngừng do các hoạt động
như thử vũ khí hạt nhân và phát điện hạt nhân. Mức độ phóng xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: địa
điểm, thành phần của đất, vật liệu xây dựng, mùa, vĩ độ, và mức độ nào đấy nữa là điều kiện thời
tiết: mưa, tuyết, áp suất cao, thấp, hướng gió… tất cả đều ảnh hưởng đến phông bức xạ. Bức xạ
được xem là tự nhiên hay nhân tạo là do nguồn gốc sinh ra của nó. Từ đó nguồn phóng xạ được chia
làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo. Nguồn phóng xạ tự nhiên là các
chất đồng vị phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước hay trong bầu khí quyển. Nguồn phóng xạ
nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc.

1.2.1. Các nguồn phóng xạ tự nhiên:
Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm sau: nhóm thứ nhất là nhóm các đồng vị phóng xạ
nguyên thủy có từ khi tạo thành trái đất và vũ trụ. Nhóm thứ hai là nhóm đồng vị phóng xạ có
nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên gồm cỡ 70 đồng vị,
trong đó quan trọng nhất là các đồng vị
235
92
U
,
238

92
U
,
232
90
Th
cùng các đồng vị con cháu trong các
dãy phân rã của chúng
* Nhóm đồng vị phóng xạ nguyên thủy
Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình
thành. Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, gồm có uranium, thorium và con cháu
của chúng, cùng với một số nguyên tố phóng xạ khác tạo thành bốn họ phóng xạ cơ bản: họ thorium
Th
232
(4n); họ uranium U
238
(4n+2); họ actinium U
235
(4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo neptunium
Pu
241
(4n+1).
Các đặc điểm của 3 họ phóng xạ tự nhiên:

- Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã rất lớn và thường được
dùng để định tuổi vị địa chất.
- Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của
nguyên tố radon: trong họ uranium là
86
Rn

222
(radon), trong họ thorium là
86
Rn
220
(thoron), trong họ
actinium là
86
Rn
219
(actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí
phóng xạ.
- Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: Pb
206
trong họ uranium, Pb
207

trong họ actinium và Pb
208
trong họ thorium. Trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium, thành viên
cuối cùng là Bi
209
.


Hình 1.2. Họ Thorium (4n)


Hình 1.3. Họ Actinium (4n+3)

Hình 1.4. Họ Uranium (4n+2)
Ngoài các đồng vị phóng xạ trong 4 họ phóng xạ cơ bản trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số
đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được dẫn ra trong
bảng 1.1.
Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K
40
, rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng K
trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương ~ 380 mg/lit), trong thực vật, động vật và cơ thể người
(hàm lượng K trung bình trong cơ thể người khoảng 1,7g/kg).
Bảng 1.1. Đặc trưng của
40
K và các nhân chính của 3 họ phóng xạ.
Nhân Chu kỳ bán hủy Hàm lượng/ Hoạt độ tự nhiên
235
U
238
U
232
Th
226
Ra
222
Rn
40
K
7,04 x 10
8
năm
4,47 x 10
9

năm
1,41 x 10
10
năm
1,6 x 10
3
năm
3,82 ngày
1,28 x 10
10
năm
0,72% uran tự nhiên.
99,2745% uran tự nhiên, 0,5-0,7 ppm uran trong đá.
1,6-20 ppm trong đá vôi, trung bình 10,7 ppm.
16 Bq/kg trong đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nóng chảy.
0,6 – 28 Bq/m
3
trong không khí.
Đất: 37-1000 Bq/kg.

Đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là C
14
với chu kỳ bán rã 5600 năm. C
14
là kết quả của
biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân N
14
. Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm
lượng tổng cộng của C
14

trong khí quyển khoảng 1,5.10
11
MBq, trong thực vật khoảng 4,8.10
11
MBq,
trong đại dương khoảng 9.10
12
MBq. Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng
C
14
. Cho đến năm 1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng
1,1.10
11
MBq. Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí CO
2
, đi vào cơ thể động vật
qua quá trình hô hấp và vào thực vật qua quá trình quang hợp nên được sử dụng để đánh giá tuổi các
mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ thông qua các số liệu hoạt độ riêng C
14
của chúng.
* Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ:
Các đồng vị phóng xạ được tạo thành từ tia vũ trụ:

Bức xạ vũ trụ lan khắp không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Bức
xạ có nhiều dạng, từ những hạt nặng có vận tốc rất lớn đến các photon năng lượng cao và các hạt
muyon (

). Tầng trên của khí quyển trái đất tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các
nhân phóng xạ. Phần lớn các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự
nhiên có trên trái đất. Bảng 1.2 trình bày các nhân phóng xạ chính có nguồn gốc từ vũ trụ.

Bảng 1.2. Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ
Nhân T
1/2
Nguồn Hoạt độ
14
C
3
H
7
Be
5730 năm
12,3 năm
53,28 ngày
Ttvt
14
N(n,p)
14
C
Ttvt N và O
6
Li(n,

)
3
H
Ttvt với N và O
220 Bq/kg trong vật liệu hữu cơ
1,2 x 10
-3
Bq/kg

0,01 Bq/kg

Ttvt: Tương tác vũ trụ
Các nhân phóng xạ vũ trụ khác là Be
10
, Al
26
, Cl
36
, Kr
80
, C
14
, Si
32
, Ar
39
, Na
22
, S
35
, Ar
37
, P
32
, P
33
,
Mg
38

, Na
24
, S
38
, F
18
, Cl
38
, Cl
34m
.
Bức xạ vũ trụ:

Cùng với các nhân phóng xạ tạo nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản thân các
tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người. Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại
là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp.
Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kỳ cao (lên đến 10
8
eV), đa
phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài
hệ mặt trời của chúng ta và chúng cũng đã được tìm thấy trong không gian vũ trụ. Một số ít bắt
nguồn từ mặt trời do quá trình cháy sáng của mặt trời.
Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt trái đất còn phần lớn chúng tương tác với
khí quyển. Khi tương tác với khí quyển, chúng sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ cấp hoặc ánh sáng mà
ta có thể nhìn thấy trên mặt đất. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp
hơn, bao gồm việc hình thành các photon ánh sáng, các electron, các neutron và các hạt muyon rơi
xuống mặt đất.
Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ,
làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt của trái đất. Như vậy, liều bức xạ con người
nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao mà người ấy đang ở: từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có

thể nhận một liều cỡ 0,27 mSv và sẽ tăng lên gấp đôi nếu độ cao tăng 2000 m.
Suất liều điển hình của bức xạ vũ trụ như sau: 0,04 µGy/h trên bề mặt trái đất, 0,2µGy/h ở độ
cao 5000m và 3 µGy/h ở độ cao 20000 m.
Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ cao
khoảng 20000 m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự ảnh hưởng của địa từ trường của trái
đất và từ trường của mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp.

1.2.2. Các nguồn phóng xạ nhân tạo
Những hoạt động của con người cũng tạo ra các chất phóng xạ được tìm thấy trong môi trường
và cơ thể trong hơn 100 năm trở lại đây và qua đó bổ sung vào nguồn phóng xạ tự nhiên những sản
phẩm của con người. Chúng chỉ là một lượng rất nhỏ so với lượng phóng xạ có sẵn trong tự nhiên.
Vì chu kỳ bán rã của chúng ngắn nên hoạt độ của chúng đã giảm đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí
hạt nhân trên trái đất. Một số chất đã được thải vào khí quyển do các vụ thử vũ khí hạt nhân và phần
nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân. Những giới hạn phát thải được phép đối với nhà máy
điện hạt nhân bảo đảm chúng không gây tác hại gì. Hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân hạch
hạt nhân nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với môi trường. Có khoảng 2000
đồng vị phóng xạ nhân tạo trong đó
Vũ khí hạt nhân
Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi trường.
Dấu hiệu của bom hạt nhân là các sản phẩm phân hạch của
235
U và
239
Pu. Dấu hiệu của phản ứng
nhiệt hạch là triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi nơtron nhanh tương tác với
238
U ở lớp
vỏ bọc ngoài. Các đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết quả của việc bắt notron với các
vật liệu làm bom và không khí xung quanh. Một trong những sản phẩm quan trọng nhất là
14

C được
tạo ra do phản ứng
14
N (n,p)
14
C làm cho hàm lượng
14
C trong khí quyển tăng gấp đôi vào giữa
những năm 1960.
Từ khí quyển, các đồng vị phóng xạ sẽ lắng đọng trên địa cầu dưới dạng rơi lắng tại chỗ
(12%), nằm trên tầng đối lưu (10%) và tầng bình lưu (78%). Rơi lắng ở tầng bình lưu là rơi lắng
toàn cầu và sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt độ thấp. Trong khi hầu hết các đồng vị phóng xạ
nằm trên bề mặt trái đất thì
3
H và
14
C đi vào các chu trình khí quyển, thủy quyển và sinh quyển toàn
cầu. Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3.10
7
Sv/người
với 70% là
14
C; các đồng vị khác
137
Cs,
90
Sr,
95
Zr và
106

Ru chiếm phần còn lại.
Điện hạt nhân
Chương trình hạt nhân dân sự bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall tây bắc nước Anh năm 1956.
Số các lò phản ứng hạt nhân tăng nhanh, cho đến cuối năm 2002, theo thống kê của IAEA, điện hạt
nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng. Các đồng vị
phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền
uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu. Việc thải các chất phóng xạ từ các nhà máy điện có
thể lên đến cỡ TBq/năm hoặc nhỏ hơn. Suất liều đối với các nhóm dân tiêu chuẩn có bậc cỡ

Sv
/
năm.
Tai nạn hạt nhân
Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn Chernobyl,
Ucraina 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng là hỗn hợp các hợp chất
hóa học và các đồng vị phóng xạ.
Ngoài ra, một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu chứa chất thải phóng
xạ, các chất thải rắn hay đồng vị phóng xạ nhân tạo đánh dấu.


1.3. Ảnh hưởng của các loại bức xạ đến con người
Bức xạ sinh ra dưới nhiều hình thức. Đối với sức khỏe con người, thì các dạng quan trọng nhất
là các dạng có thể xuyên qua vật chất và làm cho nó bị điện tích hóa hay ion hóa. Nếu bức xạ ion
hóa thấm vào các mô sống, các iôn được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình
thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hóa, bức xạ alpha, beta, các tia
gamma, tia X và neutron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ.

1.3.1. Bức xạ alpha
Hạt alpha là hạt nhân
2

He
4
. Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỉ số N/Z quá thấp.
Bức xạ alpha được phát ra bởi các nguyên tử của các nguyên tố nặng như Uran, Radi, Radon và
Plutoni.





Hạt alpha phát ra với năng lượng cố định. Hình 1.5 trình bày quá trình phân rã
4
2
222
86
226
88
HeRnRa 

, gồm hai nhánh phát alpha nhánh thứ nhất với hạt alpha năng lượng
4,591 MeV và nhánh thứ hai với hạt alpha năng lượng 4,777 MeV. Hạt nhân Rn
222
sau phân rã theo
nhánh thứ nhất nằm ở trạng thái kích thích và tiếp tục phân rã gamma để chuyển về trạng thái cơ
bản. Hạt nhân Rn
222
sau phân rã theo nhánh thứ hai nằm ở trạng thái cơ bản.

Hinh 1.5. Sơ đồ phân rã
88
Ra
226


 

86
Rn
222
+
2
He
4

Hạt alpha bị hấp thụ rất mạnh khi đi qua vật chất, do đó quãng đường đi của nó rất ngắn. Lớp
da chết ở mặt da đủ dày để hấp thụ tất cả bức xạ alpha từ một nguồn phóng xạ. Kết quả là, bức xạ
alpha từ nguồn bên ngoài chiếu vào cơ thể không gây nên nguy hiểm. Tuy nhiên khi hạt nhân phóng
xạ alpha lọt vào trong cơ thể qua đường tiêu hoá hoặc hô hấp, không bị cản lại bởi lớp da chết, năng
lượng bức xạ alpha sẽ truyền cho các tế bào cơ thể. Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu
trong đối với các mô nhạy cảm, mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da. Vì
vậy các đồng vị phóng xạ alpha rất độc khi chúng có mặt bên trong cơ thể.

 4,591 MeV
5.7%
 4,777 MeV
94,3%
 0,186 MeV
(35% -)
Ra
226

Rn
222


Hình 1.6. Các con đường bức xạ và chất phóng xạ đi vào cơ thể.


Hình 1.7. Mức độ đâm xuyên của bức xạ.

1.3.2. Bức xạ beta
Hạt beta gồm hai hạt: các electron (


) và các positron (


). Phân rã beta xảy ra khi hạt nhân
phóng xạ thừa neutron, tức là tỉ số N/Z quá cao, hơn đường cong bền của hạt nhân (hình 1.1)
Bức xạ beta bao gồm các hạt nhỏ hơn rất nhiều so với các hạt alpha và nó có thể đâm xuyên
lớn hơn hạt alpha, phụ thuộc vào năng lượng của nó, do đó nó nguy hiểm khi chiếu xạ ngoài. Nó có
thể làm tổn thương lớp da bảo vệ. Trong vụ tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986,

các tia beta mạnh đã làm cháy da những người cứu hoả. Nếu các bức xạ beta phát ra trong cơ thể, nó
có thể chiếu xạ trong các mô trong đó. Bất cứ đồng vị phóng xạ nào phát beta mà lọt vào bên trong
cơ thể với một lượng vượt quá giới hạn cho phép đều nguy hiểm cả.

1.3.3. Bức xạ gamma
Cả hai phân rã alpha và beta thường kèm theo phân rã gamma vì sau khi phân rã alpha và beta
hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con thường nằm ở trạng thái kích thích. Khi hạt nhân con
chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nó có thể phát ra một số tia gamma
Bức xạ gamma là năng lượng sóng điện từ song có tần số hay năng lượng rất lớn. Khi tia
gamma bắt đầu đi vào vật chất, cường độ của nó cũng bắt đầu giảm. Trong quá trình xuyên vào vật
chất, tia gamma va chạm với các nguyên tử. Các va chạm đó với tế bào của cơ thể sẽ làm tổn hại
cho da và các mô ở bên trong. Các vật liệu đặc như chì, bê tông là tấm chắn lý tưởng đối với tia
gamma.
Tia gamma là bức xạ điện từ đơn năng giống như tia X, song có năng lượng lớn hơn và có khả
năng đâm xuyên lớn hơn. Do đó tia gamma gây nguy hiểm bức xạ chủ yếu trong trường hợp chiếu
xạ ngoài.

1.3.4. Bức xạ tia X
Bức xạ tia X tương tự như bức xạ gamma, nhưng bức xạ gamma được phát ra bởi hạt nhân
nguyên tử, còn tia X do con người tạo ra trong một ống tia X mà bản thân nó không có tính phóng
xạ. Vì ống tia X hoạt động bằng điện, nên việc phát tia X có thể bật, tắt bằng công tắc.

1.3.5. Bức xạ nơtron
Bức xạ neutron được tạo ra trong quá trình phát điện hạt nhân, bản thân nó không phải là bức
xạ ion hoá, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kích hoạt các hạt nhân hoặc gây ra
tia gamma hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hoá. Neutron có sức xuyên mạnh
hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn
paraphin. May mắn thay, bức xạ neutron không tồn tại ở đâu, trừ lò phản ứng hạt nhân và nhiên liệu
hạt nhân.

1.3.6. Quá trình biến hoán nội
Quá trình biến hoán nội xảy ra đối với hạt nhân phóng xạ phát gamma. Tia gamma từ hạt
nhân phát ra tương tác với electron liên kết mạnh ở lớp K hay lớp L của nguyên tử, truyền toàn bộ
năng lượng cho electron này để nó bay ra khỏi nguyên tử. Có thể nói, quá trình biến hoán nội là hiệu
ứng quang điện nội, do tia gamma của hạt nhân nguyên tử gây hiệu ứng quang điện đối với electron
của chính nguyên tử đó.
Về quan hệ năng lượng, quá trình biến hoán nội thỏa mãn điều kiện sau đây: E

= E
e
+
E
B

Trong đó E

và E
e
tương ứng là năng lượng của tia gamma và electron còn E
B
là năng lượng liên
kết của electron. Electron phát ra có năng lượng đơn năng nên trên phổ năng lượng liên tục của
electron trong phân rã beta có các vạch năng lượng của các electron biến hoán nội lớp K và lớp L.
Thí dụ phổ năng lượng của electron từ phân rã beta và biến hoán nội của hạt nhân Cs
137
. Hạt nhân
phóng xạ này phân rã beta biến đổi thành hạt nhân Ba
137
ở trạng thái kích thích. Hạt nhân Ba
137

chuyển về trạng thái cơ bản bằng phân rã gamma, trong đó có 11% tia gamma tham gia vào quá
trình biến hoán nội. Hệ số biến hoán nội được xác định bằng tỉ số giữa số electron biến hoán


N
N
e

nội N
e
so với số photon N

phát ra:
Đối với hạt nhân Cs
137
thì

= 0,11. Sau quá trình biến hoán nội xuất hiện một lỗ trống trên
lớp K hay lớp L do electron bị bắn ra và một electron ở lớp vỏ cao hơn chuyển về chiếm vị trí lỗ
hổng này, phát ra tia X đặc trưng. Đến lượt mình, tia X đặc trưng này lại bị hấp thụ, gây ra hiệu ứng
quang điện nội mới, làm bắn ra electron liên kết khác ra ngoài nguyên tử. Electron phát ra lần này
được gọi là electron Auger (Auger electron).

1.4. Radon – mối nguy hiểm vô hình từ không gian quanh ta
Một phần của phông phóng xạ là bức xạ vũ trụ đến từ không gian. Chúng hầu hết bị cản lại bởi
khí quyển bao quanh trái đất, chỉ một phần nhỏ tới được trái đất. Trên đỉnh núi cao hoặc bên ngoài
máy bay, độ phóng xạ lớn hơn nhiều so với ở mặt biển. Các phi hành đoàn làm việc chủ yếu ở độ
cao có bức xạ vũ trụ lớn hơn mức bình thường ở mặt đất khoảng 20 lần. Các chất phóng xạ có đời
sống dài có trong thiên nhiên thường ở dạng các chất bẩn trong nhiên liệu hóa thạch. Trong lòng

đất, các chất như vậy không làm ai bị chiếu xạ, nhưng khi bị đốt cháy, chúng được thải vào khí
quyển rồi sau đó khuyếch tán vào đất, làm tăng dần phông phóng xạ.
Nguyên nhân chung nhất của sự tăng phông phóng xạ là radon, một chất khí sinh ra khi Radi
kim loại phân rã. Các chất phóng xạ khác được tạo thành trong quá trình phân rã tồn tại tại chỗ
trong lòng đất, nhưng radon thì bay lên khỏi mặt đất. Nếu nó lan toả rộng và hoà tan đi thì không
gây ra nguy hại gì, nhưng nếu một ngôi nhà xây dựng tại nơi có radon bay lên tới mặt đất, thì radon
có thể tập trung trong nhà đó, nhất là khi các hệ thống thông khí không thích hợp. Radon tập trung
trong nhà có thể lớn hơn hàng trăm lần, có khi hàng ngàn lần so với bên ngoài. Loại trừ khí radon,
bức xạ tự nhiên không có hại đối với sức khoẻ. Nó là một phần của tự nhiên và các chất phóng xạ có
trong cơ thể con người cũng là một phần của tạo hoá.
Radon là một đồng vị phóng xạ thuộc các chuỗi phóng xạ tự nhiên. Radon-222 của chuỗi
uranium-238, radon-220 của chuỗi thorium-232 và radon-119 của chuỗi uranium-235, thường được
gọi là các radon và các thoron. Radon và thoron là các khí trơ, chúng không tham gia bất kỳ hợp
chất hóa học nào. So với radon-220 và radon-119, độ nguy hiểm phóng xạ của radon-222 rất cao do
chu kỳ bán hủy bởi phân rã phóng xạ là 3,5 ngày trong khi chu trình bán hủy của thoron là 55 giây
và của radon-119 là 4 giây. Radon là tác nhân gây nguy cơ ung thư hàng đầu trong các chất gây ung
thư phổi. Trong không khí, radon và thoron ở dạng nguyên tử tự do, sau khi thoát ra từ vật liệu xây
dựng, đất, đá và những khoáng vật khác, chúng phân rã thành chuỗi các đồng vị phóng xạ con cháu
mà nguy hiểm nhất là polonium-218. Polonium-218 phân rã alpha với chu kỳ bán hủy 3,05 phút, đủ
cho một vài chu trình thở trong hệ thống hô hấp của con người. Polonium-218 bay trà trộn cùng với
các hạt bụi có kích cỡ nanomet và micromet tạo thành các sol khí phóng xạ. Các sol khí phóng xạ
này có kích thước khoảng vài chục micromet nên có thể được hít vào qua đường thở và tai hại hơn,
chúng có thể bị lưu giữ tại phế nang. Tại phế nang, polonium-218 phân rã alpha phát ra các hạt nhân
heli-hạt alpha có điện tích 2e
-
, khối lượng nguyên tử là 4. Các hạt alpha có năng lượng rất cao sẽ
bắn phá nhân tế bào phế nang gây ra các sai hỏng nhiễm sắc thể, tác động tiêu cực đến cơ chế phân
chia tế bào. Một phần năng lượng phân rã hạt nhân truyền cho hạt nhân phân rã, làm các hạt nhân
này bị giật lùi. Năng lượng giật lùi của các hạt nhân radon có thể đủ để phá vỡ các phân tử protein
trong tế bào phế nang. Kết quả là xác suất gây ung thư do radon khá cao. Như vậy việc xác định

hàm lượng sol khí phóng xạ gây ra bởi radon - tức xác định radon rất quan trọng với mục đích giám
sát cảnh báo nguy cơ ung thư phổi trong đời sống cộng đồng, trong các khu hầm mỏ, trong nhà ở và
đặc biệt trong phòng ngủ và phòng làm việc. Theo luật môi trường Mỹ, mức cho phép khí radon
trong nhà ở là < 4 pCi/l/năm tương đương 0,148 Bq/l/năm hay 148 Bq/m
3
/năm. Theo tiêu chuẩn an
toàn bức xạ của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) nồng độ khí radon trong nhà ở của
dân chúng không được vượt quá dải từ 200 đến 600 Bq/m
3
/năm nghĩa là từ 0,6 đến 1,7 Bq/m
3
/ngày.
Theo luật phóng xạ 944/92 của Trung tâm phóng xạ và an toàn hạt nhân Phần Lan [29] giới hạn liều
radon đối với tòa nhà đang ở là 400 Bq/m
3
/năm và tòa nhà mới thiết kế là 200 Bq/m
3
/năm.

1.5. Radon trong vật liệu xây dựng
Tất cả các loại vật liệu xây dựng đều chứa một lượng lớn các nhân phóng xạ tự nhiên, chủ yếu
là urani, thori và các đồng vị phóng xạ của kali. Sự chiếu xạ từ vật liệu xây dựng có thể chia làm 2
loại: chiếu ngoài và chiếu trong. Nguyên nhân của sự chiếu ngoài là do các tia gamma trực tiếp. Sự
chiếu trong là kết quả của việc hít thở khí radon (
222
Rn), thoron (
220
Rn) và những sản phẩm phân rã
có thời gian sống ngắn của chúng.
222

Rn là một phần của chuỗi phân rã của uranium - nhân phóng
xạ có trong các loại vật liệu xây dựng. Vì là một khí trơ nên radon có thể dễ dàng di chuyển trong
khoảng không gian rất nhỏ hẹp giữa những phân tử của đất, đá…đi đến bề mặt và thâm nhập vào
không khí, gây đến 50% liều hấp thụ hàng năm của chúng ta.
Mặc dù hầu như tất cả các loại đất, đá đều chứa một lượng uranium nhất định nhưng lượng
trung bình cao hơn cả được tìm thấy trong các mẫu đất, đá chứa granite, phosphate và những loại đá
phiến sét [8]. Vì thế hàm lượng radon phụ thuộc rất mạnh vào vật liệu: những vật liệu xây dựng có
nguồn gốc granite sẽ cho hàm lượng radon cao nhất, riêng lớp tráng men của gạch với thành phần
chủ yếu là zirconi góp phần cũng gây nên phóng xạ đáng kể; các vật liệu gốm sét, gạch xỉ than,
cũng là vật liệu chứa nhiều radon. Các loại khoáng sản có nguồn gốc trầm tích như ilmenhite, rutile,
zircon, monazite rất giàu phóng xạ và là các nguồn phát radon.
Đối với các phần nhà ở tiếp xúc trực tiếp với mặt đất, một lượng lớn khí radon trong nhà có
nguồn gốc từ lớp đất nằm bên dưới ngôi nhà bên cạnh lượng radon phát ra từ vật liệu xây dựng. Đối
với những căn hộ ở tầng cao thì lượng khí radon trong nhà có nguồn gốc chủ yếu từ vật liệu xây
dựng.
Vật liệu xây dựng cũng là nguồn quan trọng nhất của khí thoron (
220
Rn) trong nhà. Tuy nhiên,
thoron thường tập trung ở mức độ thấp hơn. Khí thoron trong nhà có thể là một nguồn quan trọng
của sự chiếu trong trong một vài điều kiện hiếm hoi khi mà có một lượng lớn thorium tập trung
trong vật liệu xây dựng.

1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.6.1. Ngoài nước
Việc nghiên cứu về phóng xạ trong vật liệu xây dựng bắt đầu từ những năm 60 của thế kỉ 20
tại một vài quốc gia châu Âu và Bắc Mỹ khi thống kê tỷ lệ ung thư phổi của các nhóm cư dân sống
trong các căn hộ được xây dựng từ vật liệu xỉ than cao một cách bất thường. Nguyên nhân chính của
vấn đề này là hàm lượng các nhân phóng xạ tự nhiên tồn tại ở dạng khí trơ như radon và thoron
trong xỉ than rất cao. Đến nay, vấn đề phóng xạ trong vật liệu xây dựng đã nhận được sự quan tâm

của không những cộng đồng khoa học mà còn của các cơ quan quản lý tại rất nhiều quốc gia trên thế
giới. Bằng chứng là các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học tại các quốc gia: Ai cập, Ả Rập
Xê Út, Canada, Trung Quốc và nhiều nước khác.

Hình 1.8. Liều chiếu trung bình hàng năm do nguồn phóng xạ tự nhiên ở một số nước.
Giới khoa học đã phát hiện ra Radon chiếm phần lớn vào suất liều trung bình hàng năm.
Phần trăm liều hiệu dụng trung bình hàng năm
Tia vũ trụ, 8%
Y học hạt nhân, 4%
Chụp tia X, 10%
Điện hạt nhân, 0.10%
Cơ thể, 9%
Radon, 59%
Đất đá, 7%
Lương thực thực phẩm, 3%

Hình 1.9. Các nguồn đóng góp vào suất liều trung bình hàng năm.
Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều nước đã và đang nghiên cứu về phóng xạ trong vật liệu
xây dựng:
Kết quả đo đạc vận tốc xạ khí radon trong vật liệu xây dựng ở Ai Cập từ bài báo khoa học đời
sống và phóng xạ [28] bằng phương pháp CR-39, đầu dò vết bằng plastic được đặt trong hộp hàn
kín đối với gạch, xi măng là 197 mBq m
-2
h
-1
và vữa trát tường bằng xỉ xi măng 907 mBq m
-2
h
-1
.

Bài báo khuyến cáo không nên sử dụng vữa trát tường và việc thay thế gạch đất sét cho gạch xi
măng để đảm bảo sức khỏe cho cộng đồng.
A.F. Hafez, A.S. Hussein và N.M. Rasheed (Ai Cập) [11] đo tốc độ xạ khí radon và thoron,
hoạt độ riêng của
226
Ra,
224
Ra, các thuộc tính vật lý: hệ số phát xạ, hệ số khuếch tán khí radon của
một số mẫu vật liệu xây dựng bằng các đầu dò vết hạt nhân bằng polime LR-115, CR-39. Và xác
định hàm lượng Ra thu được bởi phương pháp tự chụp bằng tia phóng xạ alpha.
M.I.Al-Jarallah, F.Abu-Jarad và Fazal-ur-Rehman (Ả rập Xê Út) [27], đo tốc độ xả khí radon
bằng phương pháp chủ động và thụ động, trong những mẫu granit, marble, gạch men. Trong phương
pháp chủ động, dùng một máy tính nối với một máy phân tích nguồn phóng xạ chứa trong bình kín.
Còn trong phương pháp thụ động dùng một detecter vết hạt nhân PM-355 với kỹ thuật hàn kín
container nhốt mẫu trong 180 ngày. So sánh tốc độ xạ khí đo bằng hai phương pháp trên thấy có
một mối liên quan tuyến tính với hệ số là 0,7. Vận tốc xạ khí radon trong mẫu granit là 0,7 Bqm
-2
h
-1

cao hơn gấp đôi so với marble và gạch men.
Lubomir Zikovsky (Canada) [25] đã đo tốc độ xạ khí radon trong 11 loại vật liệu xây dựng (55
mẫu khác nhau) phổ biến, thu được kết quả như sau: tốc độ xạ khí từ < 0,1 nBqg
-1
s
-1
tới 19 nBq g
-1
s
-

1
(hay từ < 0,1 nBq cm
-2
s
-1
tới 22 nBq cm
-2
s
-1
).
Xinwei Lu và Xiaolan Zhang (Trung Quốc) [38] đã xác định hoạt độ phóng xạ của
226
Ra,
40
K,
232
Th của 7 loại vật liệu xây dựng phổ biến và những sản phẩm của nhà máy nhiệt điện từ Baoji,
phía tây Trung Quốc bằng hệ phổ kế gamma với detector NaI(Tl). Giá trị hoạt độ riêng thay đổi từ
23,0 tới 112,2; 20,2 tới 147,5; từ 113,2 tới 890,8 Bq/kg đối với
226
Ra,
232
Th,
40
K.
Phóng xạ tự nhiên mà nguyên nhân do sự có mặt của
226
Ra,
232
Th,

40
K trong vật liệu xây dựng
ở Jordan được J.Al-Jundi, W.Salah,M.S.Bawa’aneh và F. Afaneh [22] đo bằng hệ phổ kế gamma
với detector gemani siêu tinh khiết. Hoạt độ trung bình của của
226
Ra,
232
Th,
40
K trong các mẫu vật
liệu khác nhau thay đổi từ 27,7 ±7,5 tới 70,4±2,8; 5,9±0,67 tới 32,9±3,9 và 30,8 ±0,87 tới 58,5±1,5.
Hoạt độ Ra tương đương nhỏ hơn giới hạn tiêu chuẩn 370 Bq/kg. Chỉ số Index <1. Liều hiệu dụng
trung bình hàng năm là 198 sv/năm. Kết quả cho thấy các mẫu vật liệu xây dựng này khá an toàn.
Lu Xinwei (Trung Quốc) [24] phân tích phóng xạ trong đá marble bằng hệ phổ kế gamma với
detector NaI(TI) thu được hoạt độ của
226
Ra,
232
Th,
40
K tương ứng là 8,4 tới 157,4; từ 5,6 tới 165,5
và 44,1 tới 1352,7 Bq/kg. Hàm lượng nhân phóng xạ còn thay đổi theo màu sắc và vị trí của marble:
hoạt độ của
226
Ra,
232
Th,
40
K trong đá marble màu trắng, xám, đen, xanh và vàng nhỏ hơn trong đá
marble nâu và đỏ. Hoạt độ Ra tương đương, liều chiếu trong và liều chiếu ngoài trung bình hằng

năm cũng được tính toán và so sánh với giá trị quốc tế.
Đá Malaysia [39], vật liệu xây dựng ở Cameroon [31], Ra tương đương đều có giá trị nhỏ hơn
370 Bq/kg tiêu chuẩn an toàn bức xạ của OECD, tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế.
Phương pháp đo tốc độ xạ khí radon chủ động và thụ động ở Ả Rập Xê Út [27], phương pháp
chủ động, được đo bằng nguồn phân tích phóng xạ và nối vào máy tính để lấy tín hiệu, phương pháp
thụ động dùng một detector vết PM-355 chứa trong một hộp kín trong 180 ngày để đạt mức độ cân
bằng thế kỷ. Hai phương pháp này tỉ lệ tuyến tính với nhau một hệ số là 0,7. Kết quả là tốc độ xạ
khí radon trong granit là 0,7 Bqm
-2
h
-1
và lớn hơn gấp đôi so với gạch men và đá marble.

1.6.2. Trong nước
Vào những năm 1970, GS Trần Thanh Minh đã nghiên cứu phóng xạ trong môi trường nói
chung và trong vật liệu xây dựng đối với gạch xỉ than nói riêng. Vào những năm 1980-1990, trong
chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước 50-01 có vài nghiên cứu nhỏ lẻ nhưng chưa có công
trình nào được công bố.
Tuy Việt Nam chưa thực hiện nghiên cứu một cách có hệ thống để xác định hàm lượng của
các nhân phóng xạ trong vật liệu xây dựng và đánh giá những ảnh hưởng của chúng đến sức khỏe
của con người nhưng đã có một số công trình nghiên cứu xác định hàm lượng phóng xạ lấy đối
tượng là các loại đất, đá [20, 5, 7].
Đến năm 2006, nghiên cứu đầu tiên về phóng xạ trong vật liệu xây dựng là khóa luận tốt
nghiệp của Phùng Thị Cẩm Tú [7]. Khóa luận đã xác định hoạt độ phóng xạ trong một số vật liệu
xây dựng thông dụng. Tuy những phát hiện ban đầu có tính cảnh báo nhưng đó mới chỉ là những số
liệu sơ bộ cho nhiều loại vật liệu xây dựng khác nhau
Sau khi bài báo “ Gạch men có phóng xạ “ của TS Trần Văn Luyến xuất hiện trên Vietnam net
ngày 04/06/2006 mối quan tâm của xã hội và dân chúng Việt Nam đã tăng cao. Vào ngày
06/07/2007, bộ khoa học và công nghệ cùng bộ xây dựng bắt tay vào nghiên cứu dự thảo tiêu chuẩn
Việt Nam: TCXDVN 397:2007. Việc nghiên cứu chủ yếu là dựa vào tiêu chuẩn TCXDVN

397:2007: “Hoạt độ phóng xạ tự nhiên của vật liệu xây dựng – Mức an toàn trong sử dụng và
phương pháp thử” được bộ Xây dựng ban hành theo quyết định số 24/2007/ QĐ-BXD. Tiêu chuẩn
này quy định mức hoạt độ phóng xạ tự nhiên của vật liệu xây dựng vô cơ-phi kim từ nguồn gốc tự
nhiên (đá, sỏi, cát, đất,…) hoặc nhân tạo (gạch, ngói, tấm lợp, tấm ốp, lát, trang trí, xi măng, vữa,…)
khi đưa vào công trình xây dựng để bảo đảm sức khỏe cho người dân, an toàn cho người sử dụng
công trình được trình bày ở phụ lục.
Vấn đề hiện nay cần quan tâm là việc giám sát độ an toán bức xạ trong vật liêu xây dựng theo
tiêu chuẩn TCXDVN397/2007 cần những hỗ trợ kỹ thuật nào và được tiến hành ra sao. Cần phải có
một bộ số liệu nền về hoạt độ phóng xạ của các loại nguyên vật liệu tự nhiên khác nhau. So sánh với
các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ chúng ta mới có các khuyến cáo các nhà sản xuất và người tiêu
dùng.


Chương 2
THỰC NGHIỆM


2.1. Đối tượng nghiên cứu

2.1.1. Lịch sử hình thành xi măng
Từ xa xưa, con người đã biết dùng những vật liệu đơn sơ như đất sét, đất bùn nhào rác, dăm
gỗ, cỏ khô băm …để làm gạch, đắp tường, dựng vách cho chỗ trú ngụ của mình. Có thể tóm lược
các bước hình thành xi măng như sau:
- Người Ai Cập đã dùng vôi tôi làm vật liệu chính.
- Người Hy Lạp trôn thêm vào vôi đất núi lửa ở đảo Santorin hỗn hợp này đã được các nhà xây
dựng thời đó ưu ái nhiều năm.
- Người La Mã thêm vào loại tro – đất núi lửa Vésuve miền Puzzolles. Về sau này, phún –
xuất – thạch núi lửa được dùng làm một loại phụ gia hoạt tính chịu cách nhiệt và cách âm, và trở
thành danh từ chung “Pozzolana” (Anh), “Pouzzolane” (Pháp)
- Vào năm 1750, kỹ sư Smeaton người Anh, nhận nhiệm vụ xây dựng ngọn hải đăng

Eddystone vùng Cornuailles. Ông đã thử nghiệm dùng lần lượt các loại vật liệu như thạch cao, đá
vôi, đá phún xuất… Và ông khám phá ra rằng loại tốt nhất đó là hỗn hợp nung giữa đá vôi và đất
sét.
- Hơn 60 năm sau, 1812, một người Pháp tên Louis Vicat hoàn chỉnh điều khám phá của
Smeaton, bằng cách xác định vai trò và tỷ lệ đất sét trong hỗn hợp vôi nung nói trên. Và thành quả
của ông là bước quyết định ra công thức chế tạo xi măng sau này.
- Ít năm sau, 1824, một người Anh tên Joseph Aspdin lấy bằng sáng chế xi măng (bởi từ latinh
Caementum : chất kết dính),trên cơ sở nung một hỗn hợp 3 phần đá vôi + 1 phần đất sét.
- Chưa hết, 20 năm sau, Isaac Charles Johnson đẩy thêm một bước nữa bằng cách nâng cao
nhiệt độ nung tới mức làm nóng chảy một phần nguyên liệu trước khi kết khối thành “clinker”.
- Vào năm 1967 Mông đuyê, một người làm vườn ở Pháp đã lấy dây thép nhỏ quấn quanh
chậu hoa cho khỏi vỡ. Sau đó một thời gian ông này lại lấy dây thép kết thành hình chậu hoa và đổ
xi măng vào, kết quả tuyệt vời hơn. Từ đó ông giành được quyền sáng chế. Đây chính là cội nguồn
của các loại bê tông tấm, xà, ống trong xây dựng và gọi là bê tông ống thép. Từ đây, như chúng ta
biết, đã bùng nổ hằng loạt các nhà máy lớn nhỏ với nhiều kiểu lò nung tính năng khác nhau: xi
măng đã làm một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xây dựng.
Trước công nguyên thì người Ai cập cổ dùng mật mía hay nước mía đặc trộn với 1 số chất phụ
gia chống lại sự thèm muốn của các loài côn trùng để xây nhà và các kim tự tháp. Người Trung Hoa