bài giảng địa vật lý phương pháp thăm dò phóng xạ

THĂM DÒ PHÓNG XẠ
Nội dung
5.1 Giới thiệu
5.2 Cơ sở vật lý của phương pháp phóng xạ
5.2.1 Cấu trúc vật chất
5.2.2 Hiện tượng phóng xạ
5.2.3 Qui luật phân rã – dãy phóng xạ
5.2.4 Sự cân bằng phóng xạ
5.2.5 Tương tác bức xạ phóng xạ với vật chất
5.2.6 Đơn vị đo phóng xạ
5.3 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ
5.3.1 Sự phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá,
trong nước và không khí
5.3.2 Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ
Nội dung (tiếp)
5.4 Máy thăm dò phóng xạ
5.5 Các phương pháp đo phóng xạ
5.5.1 Phương pháp đo mẫu phóng xạ
5.5.2 Các phương pháp gamma tổng
5.4.3 Phương pháp phổ gamma
5.5.4 Phương pháp đo khí phóng xạ
5.5.5 Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ
5.5.6 Phương pháp detector vết alpha
5.6 Ứng dụng của phương pháp phóng xạ
5.1 Giới thiệu
• PP thăm dò phóng xạ (PX) là PP ĐVL nghiên cứu
trường PX tự nhiên của đất đá hoặc nghiên cứu quá
trình tương tác giữa bức xạ PX nhân tạo với hạt
nhân nguyên tử của các nguyên tố tạo đá nhằm giải
quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau.
• PP PX được tiến hành trên mặt đất, trong GK, trên

biển và cả trên không (trên máy bay).
5.2 Cơ sở vật lý của phương pháp
5.2.1 Cấu trúc của vật chất
X - Nguyên tố
Z- Số thứ tự nguyên tử
A- Khối lượng nguyên tử
số proton=số điện tử =Z; số notron= A-Z
• Những nguyên tố có hạt nhân không bền vững, tự bị
phân rã và biến đổi trạng thái năng lượng ban đầu về
trạng thái năng lượng thấp hơn (bền vững hơn) được
gọi là các nguyên tố phóng xạ.
• Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có hạt nhân không ổn
định (Z>83) tạo thành 3 dãy phóng xạ Uran, Thori, và
Actini
• Các nguyên tố có cùng số Z và khác nhau số A gọi là
các chất đồng vị phóng xạ
5.2.2 Hiện tượng phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ là
quá trình hạt nhân
nguyên tử của một số
nguyên tử tự phân rã
biến đổi thành hạt nhân
nguyên tử của nguyên tố
khác, chuyển trạng thái
năng lượng ban đầu về
trạng thái năng lượng
thấp hơn, bền vững hơn
kèm theo sự phát ra năng
lượng dưới dạng các hạt
,  và bức xạ .

CLAUDE J. ALLE`GRE, 2008
• Phân rã 
Z
X
A

(Z-2)
Y
(A-4)
+
2
He
4
94
Pu
240

92
U
236
+
2
He
4
Bức xạ :
- là dòng hạt nhân nguyên tử Heli mang điện dương.
- năng lượng của hạt  khi tách khỏi hạt nhân rất lớn (8 – 10 MeV).
- tốc độ chuyển động của hạt  nằm trong khoảng 1,42.10
9
cm/s đến

2,5.10
9
cm/s.
- khả năng ion hoá rất mạnh vì vậy tốc độ giảm rất nhanh và khả
năng đâm xuyên yếu.
www.mwit.ac.th/. /applet_04/atom2/Kern2e.htm
• Sự phân rã Beta ()
• Chùm các hạt điện tử và pozitron gọi là
bức xạ (tia) .
• Năng lượng của hạt nhân  thay đổi
trong một phạm vi rộng. Tốc độ chuyển
động của nó xấp xỉ tốc độ của ánh
sáng.
• Đặc điểm của bức xạ : tia  có khả
năng ion hoá chất khí nhưng kém hơn
so với bức xạ , riêng khả năng đâm
xuyên thì lớn hơn.
N
0
P
+
e
-
e
+
Pozitron ()
/>2/Kern2e.htm
• Bức xạ gama ()
– Bức xạ gama là bức xạ điện từ, tần số cao, nó vừa có tính chất
sóng, vừa có tính chất hạt, không mang điện và không có khối

lượng khi đứng yên.
– Năng lượng của bức xạ gama thay đổi phụ thuộc hạt nhân của các
nguyên tố khác nhau (0,05  3Mev).
– Đặc điểm của bức xạ gama: Bức xạ gama có khả năng ion hoá rất
kém nhưng khả năng đâm xuyên rất lớn.
/>5.3.3 Quy luật phân rã phóng xạ- Dãy phóng xạ
a. Quy luật phân rã phóng xạ
Z
X
A

Z1
Y
B
+
(Z-Z1)
W
(A-B)
• Quy luật phân rã phóng xạ không phụ thuộc vào các điều kiện
khách quan bên ngoài.
• Trong quá trình phân rã phóng xạ, số lượng nguyên tử của
nguyên tố giảm dần theo quy luật nhất định.
• Số nguyên tử bị phân rã dN trong khoảng thời gian t
đến t+dt tỉ lệ với số nguyên tử N tại thời điểm t và
khoảng thời gian phân rã dt.
• Dạng vi phân của định luật phân rã phóng xạ
• Dạng tích phân
NdtdN





tN
N
dt
N
dN
0
0

t
eNN



0
 Số lượng nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ suy giảm theo
qui luật hàm mũ
 Qui luật phân rã phóng xạ phụ thuộc vào hằng số phân rã ().
Đặc trưng cho xác suất phân rã của một nguyên tử của một
nguyên tố trong một đơn vị thời gian.
 Thời gian sống trung bình của một nguyên tử là đại lượng tỉ lệ
nghịch với hằng số phân rã
 Chu kỳ bán rã


1

T

T
eN
N
N



0
0
2

2ln
T
b. Các dãy phóng xạ
Urani
92
U
Protácti
91
Pa
Thôri
90
Th
Áctini
89
Ac
Radi
88
Ra
Franxi

87
Fr
Rađông
86
Rn
Axtati
85
At
Pôlôni
84
Po
Bismut
83
Bi
Chì
82
Pb
Tali
81
Tl
238
U
4.5 tỷna
234
Th
24.1 ng
234
Pa
1.14 ph
6.7 h

234
U
2.510
5
na
230
Th
7.510
4
na
226
Ra
1602 na
222
Rn
3.8 ng
218
Po
3.0 ph
214
Pb
26.8 ph

214
Bi
19.7 ph

214
Po
1.6.10

-4
s
210
Pb
22.3 na
210
Bi
5 ng
210
Po
138.4 ng
206
Pb
Bền
Nhóm UraniNhóm Thôri
232
Th
1.410
10
na
228
Ra
6.7 na
228
Ac
6.13 h

Phân rã 
Phân rã 
228

Th
1.9 na
224
Ra
3.64 ng
220
Rn
54.5 s
216
Po
0.15 s
212
Pb
10.6 h

208
Tl
3.1ph

212
Bi
60.6 ph
212
Po
3.10
-7
s
208
Pb
Bền

Nhóm Actinouran
235
U
7.110
8
na
231
Th
25.5 h
231
Pa
3.2510
4
na
227
Ac
2.18 na
227
Th
18.2 ng
223
Ra
11.4 ng
219
Rn
3.96 s
215
Po
1.8 10
-7

s
211
Pb
36.1 ph
211
Bi
2.14 ph
207
Tl
4.74 ph
211
Po
0.52 s
207
Pb
Bền
Sự phân rã phóng xạ trong cả 3 dãy có những tính chất
chung như sau:
 Các nguyên tố đứng đầu mỗi dãy là các nguyên tố nặng, có
chu kỳ bán rã rất lớn khoảng từ 10
8
10
10
năm.
 Ở khoảng giữa của mỗi dãy đều có các chất phóng xạ thể
khí như Radon (Rn) Thoron (Tn), Atinon (An) .
 Cuối mỗi dãy là các chất bền vững không phóng xạ, đó là
những đồng vị của chì (Pb).
 Trong mỗi dãy phóng xạ đều có sự biến đổi phát tia  hoặc
tia  liên tiếp làm khối lượng A của các nguyên tử và các

đồng vị trong cùng một dãy thay đổi theo qui luật A=4n+c,
trong đó n là số nguyên tử, c=2 (Uran), c=3 (Actini), và c=0
(Thori)
CLAUDE J. ALLE`GRE, 2008
5.2.4 Sự cân bằng phóng xạ
• 
1
>
2
…>
i
…>
n
tốc độ phân rã của nguyên tố mẹ ban đầu nhanh hơn
so với các nguyên tố con tiếp theo  đến một lúc nào đó chỉ còn
nguyên tố con
• 
1
<
2
…<
i
…<
n
thì tốc độ phân rã của các nguyên tố mẹ chậm hơn
nguyên tố con nên chúng cùng tồn tại.
• 
1
<<
2

…<<
i
…<<
n
thì trong quá trình biến đổi sẽ xảy ra trường hợp
số nguyên tử bị phân rã đúng bằng số nguyên tử được tạo thành,
người ta gọi đó là sự cân bằng phóng xạ.
 
1
N
1
=
2
N
2
=…=
i
N
i
=…=
n
N
n
1 2 i n
Nguyên
tố mẹ
Nguyên
tố con
Nguyên
tố bền

5.2.5 Tương tác bức xạ phóng xạ với vật chất
• Tương tác của 
Khi hạt  đi qua vật chất nó tương tác với các điện tử của
nguyên tử
 va chạm của hạt  và điện tử làm tách điện tử ra khỏi quỹ đạo
trở thành điện tử tự do thì gọi là sự ion hoá.
 nếu điện tử không bị tách ra thành điện tử tự do mà chỉ bị kích
thích đến một mức năng lượng cao hơn đó là hiện tượng kích
thích.
 hạt  cũng có thể gây ra phản ứng hạt nhân và sinh ra notron.
• Tương tác của 
Khi hạt  đi qua vật chất có thể gây ra hiện tượng ion
hoá, kích thích tán xạ và bức xạ hãm.
 Sự tán xạ làm lệch hướng chuyển động của hạt ,
khiến cho hành trình chuyển động của hạt  lớn hơn
so quãng đường xuyên qua.
 Bức xạ hãm làm hạt  bị cản trở, tốc độ giảm đột
ngột, một phần động năng được bức xạ dưới dạng
bức xạ điện từ.
• Tương tác

Khi đi qua vật chất, bức xạ  tương tác với nguyên tử,
điện tử và hạt nhân của môi trường.


h
e
+
e
-


h
h

e
-

a
=w
1
h

e
-
1/2mv
2
=w-E
lk
h
Hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng Kompton
Hiệu ứng quang điện
Bức xạ
gamma
Nguyên
tử
Trường
hạt nhân
Hạt
nhân

Electron
liên kết
Electron
tự do
 Hiệu ứng quang điện
Khi tia  có năng lượng thấp đi vào môi trường vật chất thì chúng
tương tác với các điện tử và truyền toàn bộ năng lượng cho các điện
tử . Các điện tử bị tách ra khỏi nguyên tử tạo thành quang điện tử,
còn bức xạ  thì bị hấp thụ hoàn toàn.
 Hiệu ứng compton
Khi năng lượng của bức xạ  tăng lên, sau khi va chạm bức xạ 
truyền một phần năng lượng cho điện tử, điện tử bị bắn ra khỏi
nguyên tử với một góc đổ nhất định gọi là điện tử compton còn bức
xạ  bị giảm năng lượng và chuyển động theo góc tán xạ khác.
 Hiệu ứng tạo cặp
Khi bức xạ  có năng lượng cao (E

>1,02 MeV) chúng tương tác với
hạt nhân nguyên tử của vật chất, bị mất hoàn toàn năng lượng, từ hạt
nhân bắn ra một cặp gồm một điện tử (e
_
) và một pozitron (e
+
).
• Tương tác của Notron
Notron là các hạt không mang điện, có khối lượng bằng 1
và có khả năng đâm xuyên lớn. Khi hạt Notron tương tác
với vật chất, tuỳ vào mức năng lượng của chúng mà có
thể phân chia ra các loại nơtron sau:
 Notron nhanh có E > 0,5 MeV

 Notron trung gian có 1KeV< E < 0,5 MeV
 Notron chậm có E < 1KeV
 Notron nhiệt có E < 1KeV
Khi Notron tương tác với môi trường vật chất
thường xảy ra các hiện tượng tán xạ đàn hồi, tán
xạ không đàn hồi và phản ứng bắt giữ (hấp thụ).
 Khi tán xạ đàn hồi, notron truyền một phần năng
lượng của mình cho hạt nhân nguyên tử tạo thành
hạt nhân giật lùi.
 Khi tán xạ không đàn hồi, notron bị mất năng
lượng rất nhiều, chúng kích thích hạt nhân nguyên
tử, sau đó có thể phát xạ notron hoặc lượng tử.
5.2.6 Đơn vị đo phóng xạ
• Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ
Đo số lượng phân rã trong một đơn vị thời gian
 Curie (viết tắt là Ci), đó là hoạt độ phóng xạ xẩy ra 3,7 10
10
phân rã
trong một giây.
Ngoài ra còn dùng các đơn vị nhỏ hơn như: mili Curie (mCi) 1mCi=10
-
3
Ci; micro Curie (Ci) 1Ci=10
-6
Ci
 Becquerel (Bq) là hoạt tính phóng xạ xảy ra 1 phân rã trong 1 giây. Như
vậy, 1Ci=3,7.10
10
Bq.
• Đơn vị đo nồng độ

Để đo nồng độ phóng xạ là hoạt độ phóng xạ của một lít chất đó:
Ci/l hoặc Bq/l
Ngoài ra còn dùng đơn vị Eman (E), 1 Eman=3,7 phân rã/giây.lít.