tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM

................................................................................................

TÌM HIỂU HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ TRONG TỰ NHIÊN
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ-CÔNG NGHỆ

Gv hướng dẫn:

ThS. Hoàng

Xuân Dinh

Sinh viên: Phạm Thanh Dũng
Lớp: Sư Phạm Vật Lý-Công Nghệ K34
Mã Số SV : 1080314

Cần Thơ

5 /2012


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

Lời cảm ơn
- Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết về phóng xạ. Đến nay tôi
đã hoàn thành bài báo cáo của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn:

Thầy Hoàng Xuân Dinh đã bỏ ra rất nhiều công sức hướng dẫn tôi thực hiện
luận văn.
- Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn vật lý đã tận tình giúp đỡ hướng,
tập thể lớp SP Vật Lý_Công Nghệ K34 đã có những đóng góp và giúp đỡ tôi.
Sinh viên thực hiện

Phạm Thanh Dũng

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

i

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

MỤC LỤC
Trang
Phần MỞ ĐẦU………………………………………………………….1
1. Lý do chọn đề tài .………………………………………………………………1
2. Mục đích của đề tài …………………………………………………………….1
3. Phƣơng pháp và phƣơng tiện nghiên cứu …………………………………….1
4. Các bƣớc thực hiện đề tài ……………………………………………………1-2

Phần NỘI DUNG ..……………………………………………………..3
1.1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ …………………………………………….3-4
1.2. Quy luật phân rã phóng xạ ………………………………………………….4

1.2.1. Hệ thức cơ bản ……………………………………………………………4
1.2.2. Chu kỳ phân rã .…………………………………………………………..5
1.2.3. Chu kỳ bán rã .………………………………………………………….5-6
1.2.4. Độ phóng xạ ………………………………………………………………6
1.2.5. Mật độ phóng xạ ……………………………………………………….6-7
1.2.6. Cường độ bức xạ …………………………………………………………7
1.3. Các định luật bảo toàn trong hiện tƣợng phóng xạ ...………………………7
1.3.1. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần ……………………………7-8
1.3.2. Định luật bảo toàn động lượng ………………………………………….8
1.3.3. Định luật bảo toàn điện tích ……………………………………………..8
1.3.4. Định luật bảo toàn số khối ……………………………………………….8
1.3.5. Định luật bảo toàn spin ………………………………………………..8-9
TÓM TẮT CHƢƠNG 1 ..…………………………………………………………9
CHƢƠNG 2: CÁC DẠNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ …………………………..10
2.1. Khái niệm tia phóng xạ …………………………………………………….10
2.2. Các dạng tia phóng xạ ………………………………………………………10

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

2.2.1. Phân rã alpha (  ) ...………………………………………….10-11
2.2.2. Phân rã bêta (  ).………………………………………………..11
2.2.2.1. Các dạng phân rã bêta (  ) ……………………………...11-12
2.2.2.2. Quy tắc dịch chuyển phân rã bêta (  ) …………………..12-14

2.2.3. Phân rã gamma (  ) ………………………………………….14-16
TÓM TẮT CHƢƠNG 2 …………………………………………………………16
CHƢƠNG 3: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ……………………….17
3.1. Các họ phóng xạ tự nhiên ………………………………………………….17
3.1.1. Định nghĩa phóng xạ tự nhiên …………………………………………17
3.2. Họ phóng xạ …………………………………………………………………17
3.2.1. Họ Thơrium …………………………………………………...……17-19
3.2.2. Họ Neptunium ..………………………………………………………....19
3.2.3. Họ Uranium …………………………………………………………20-21
3.2.4. Họ Actinium …………………………………………………………21-24
3.3. Các đồng vị phóng xạ trong tầng sinh quyển ……………………………..24
3.3.1. Phóng xạ trong đất đá ………………………………………………….24
3.3.1.1. Đá kết tinh …...……………………………………………………24
3.3.1.2. Đá trầm tích ……………………………………………………….25
3.3.1.3. Đá phiến sét (diệp thạch) giàu hữu cơ và than đá ..……………..25
3.3.1.4. Sa thạch (đá cát kết tinh) …………………………………………25
3.3.1.5. Đá carbonate ..……………………………………………………..26
3.3.1.6. Các loại đất khác …………………………………………………26
3.3.2. Tia vũ trụ ………………………………………………………………..26
3.3.2.1. Nguồn gốc và thành phần của tia vũ trụ…..…………………26-32
3.4. Phóng xạ tự nhiên trong môi trƣờng đối với con ngƣời ………………….32
3.4.1. Các nhân phóng xạ tự nhiên có trong vật liệu xây dựng và nhà ở ..32-33
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

3.4.2. Các nhân phóng xạ có trong nước biển ……………………………….33
3.4.3. Phóng xạ trong thực phẩm .…………………………………………33-34
3.4.4. Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người ..……………………………34
TÓM TẮT CHƢƠNG 3 …………………………………………………….34-35
CHƢƠNG 4: CÁC ĐẠI LƢỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO LIỀU LƢỢNG PHÓNG
XẠ
4.1.Hoạt độ phóng xạ ……………………………………………………………36
4.2. Liều lƣợng bức xạ ………………………………………………………….36
4.2.1. Liều hấp thụ …………………………………………………………36-37
4.2.2. Liều tương đương ...…………………………………………………37-38
4.2.3. Liều hiệu dụng……………………………………………………….38-39
4.2.4. Liều chiếu ……………………………………………………………….39
4.2.5. Xác suất hiệu ứng ngẫu nhiên của bức xạ …………………………….39
4.2.6. Liều giới hạn cho phép .……………………………………………..39-40
TÓM TẮT CHƢƠNG 4 …………………………………………………………40
CHƢƠNG 5: PHƢƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN XÁC ĐỊNH
NIÊN ĐẠI ………………………………………………………………………41
5.1. Nguyên lý phƣơng pháp ……………………………………………………41
5.2. Phƣơng pháp Cacbon phóng xạ C14 ………………………………………..41
5.2.1. Nguồn gốc của C14 ..………………………………………………….41-42
5.2.2. Xác định tuổi của mẫu vật bằng phương pháp Cacbon phóng xạ. ..42-44
5.3. Phƣơng pháp Uran- chì ….…………………………………………………44
5.3.1. Nguyên lý phương pháp Uran- chì ..……………………………………44
5.3.2. Cách xác định tuổi theo phương pháp Uran- chì .…………………44-46
5.4. Phƣơng pháp Kali-Argon .………………………………………………….46
5.4.1. Nguyên lý Phương pháp Kali-Argon ..………………………………….46
5.4.2. Phương pháp Kali-Argon .…………………………………………..46-47
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

5.4.2.1. Cách xác định tuổi theo phƣơng pháp Kali-Argon …………47-48
TÓM TẮT CHƢƠNG 5 .…………………………………………………….48-49
CHƢƠNG 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP QUAN SÁT VÀ CÁC DỤNG CỤ ĐO
LƢỜNG PHÓNG XẠ .…………………………………………………………..50
6.1.Nguyên tắc chung ..…………………………………………………………..50
6.2. Buồng ion hóa ..…………………………………………………………..50-51
6.3. Ống đếm tỉ lệ .....…………………………………………………………51-52
6.4. Ống đếm Geiger …………………………………………………………52-54
6.5. Buồng Wilson ……………………………………………………………….54
TÓM TẮT CHƢƠNG 6 ……………………………………………………..54-55

Phần KẾT LUẬN ……………………………………………………..56
Tài liệu tham khảo ...……………………………………………………………..57

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

Phần MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
 Vật lý hạt nhân là một trong các học phần bắt buộc thuộc khung chương
trình đào tạo cử nhân vật lý, phóng xạ và hiện tượng phóng xạ tự nhiên là một
phần của lý thuyết vật lý hạt nhân, là hiện tượng hạt nhân tự phát ra các tia
phóng xạ có mang năng lượng. Chúng ta đã biết chất phóng xạ là một bộ phận
không thể tách rời của Trái Đất chúng ta, nó đã tồn tại cùng Trái Đất. Các chất
phóng xạ tồn tại trong tự nhiên, có trên mặt đất, có trong không khí và thực
phẩm. Chất phóng xạ tồn tại ở dạng khí trong không khí khi chúng ta hít thở. Cả
trong cơ thể của chúng ta bao gồm cơ, xương và các mô đều chứa các nguyên tố
phóng xạ có trong tự nhiên.
 Con người vẫn thường phải chịu sự chiếu xạ của các bức xạ tự nhiên từ
Trái Đất, cũng như từ bên ngoài Trái Đất. Bức xạ mà chúng ta nhận được từ bên
ngoài Trái Đất được gọi là các tia vũ trụ hay bức xạ vũ trụ. Kể từ khi được phát
hiện, việc ứng dụng hiện tượng phóng xạ đã phát triển hết sức nhanh chóng ở
hầu hết các nước trên thế giới và mang lại nhiều hiệu quả to lớn.
 Phóng xạ trong một số trường hợp là vô hại, nhưng trong một số trường
hợp rất nguy hiểm có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Phóng xạ
mạnh có thể làm bỏng hoặc làm cháy da vài tuần sau khi tiếp xúc, phóng xạ rất
mạnh có thể gây ra các vết loét và làm rụng tóc. Dĩ nhiên là ung thư có thể phát
triển nhiều năm sau khi chiếu xạ ở các mô đã được chữa lành. Ở những năm 20,
các nhà khoa học cũng đã bắt đầu lý giải mối liên quan giữa nồng độ khí Radon
ở các mỏ với tỷ lệ ung thư cao hơn trong nhóm công nhân mỏ. Vì vậy việc tìm
hiểu về hiện tượng phóng xạ nói chung và phóng xạ tự nhiên nói riêng là rất cần
thiết. Tuy nhiên do còn hạn chế về thời gian và kiến thức nên đề tài vẫn còn
nhiều thiếu sót.

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

1

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

 Tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên, sự phân bố phóng xạ, một
số ứng dụng phóng xạ, đơn vị và dụng cụ đo liều lượng phóng xạ.

3. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu dựa trên cơ sở phân tích tài liệu, những thông tin có liên
quan trên sách, báo, đài, internet… Từ đó rút ra những nhận xét, đánh giá. Trao
đổi với giáo viên hướng dẫn.

4. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Trong quá trình nghiên cứu đề tài được thực hiện theo các bước sau:
 Bước 1: Nhận đề tài và xác định những nội dung cần đạt được của đề
tài.
 Bước 2: Sưu tầm tài liệu và nghiên cứu tài liệu dựa trên cơ sở những
nội dung đã xác định và lập đề cương sơ bộ.
 Bước 3: Viết báo cáo, sửa chữa theo hướng dẫn của giáo viên.
 Bước 4: Báo cáo đề tài.

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

2

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

Phần NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: HIỆN TƢỢNG PHÓNG XẠ
1.1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ
- Năm 1896, Henri Becquerel đã quan sát thấy
muối của Uranium và những hợp chất của nó phát ra
những tia gồm ba thành phần là tia alpha tức là hạt
Hêli (2He4), tia  tức là hạt electron, tia  tức là bức
xạ điện từ bước sóng rất ngắn. Chúng đều có những
tính chất như có thể kích thích một số phản ứng hóa
học, ion hóa chất khí, xuyên qua vật chất thông
thường...

Hình 1.1: Atoine Henri Becquerel (1852-1908)
Giải thưởng Nobel 1903

- Về sau công trình nghiên cứu của hai vợ chồng là Marie Curie và Pierre
Curie đã chứng tỏ rằng chùm tia đó
phát ra từ hạt nhân chứ không phải
lớp vỏ của nguyên tử và đó là tính
chất chung của các nguyên tố chứ
không riêng Uranium. Họ đã gọi các
nguyên tố có tính chất đó là nguyên
tố phóng xạ và các tia phát ra có tên

là tia phóng xạ.
- Ngày nay, người ta định nghĩa hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân
nguyên tử tự phát ra tia phóng xạ và biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử của
nguyên tố khác, từ trạng thái có năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn.
- Nguyên tố hóa học mà hạt nhân của nó mang tính phóng xạ được gọi là đồng
vị phóng xạ, người ta chia ra 2 loại đồng vị phóng xạ: Đồng vị phóng xạ tự nhiên
và đồng vị phóng xạ nhân tạo. Ở đây ta chỉ khảo sát và tìm hiểu về phóng xạ tự
GVHD: Hoàng Xuân Dinh
3
SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

nhiên, điều đặc biệt là tính phóng xạ không phụ thuộc vào các tính chất hóa- lý
như: áp suất, nhiệt độ… Nên không thể thay đổi bằng bất kì cách gì.

1.2. Quy luật phân rã phóng xạ
 Quy luật phân rã phóng xạ là quá trình mang quy luật thống kê. Tuy nhiên,
ta thường sử dụng một số rất lớn các nguyên tử của một nguyên tố phóng xạ, nên
ta có thể dự đoán được sự phân rã của chúng với độ chính xác cao. Nghiên cứu
hiện tượng phóng xạ, ta thấy nó có một số đại lượng đặc trưng và tuân theo một số
định luật như sau:

1.2.1. Hệ thức cơ bản
 Trong một nguồn phóng xạ, số hạt nhân có tính phóng xạ giảm dần theo
thời gian. Giả sử tại thời điểm t, số hạt nhân có tính phóng xạ là N(t). Sau khoảng
thời gian dt, số hạt nhân giảm đi là:

dN (t )  N (t )dt

(1.1)

 Trong đó,  là hằng số phân rã, đó chính là xác suất để một hạt nhân phân
rã trong một đơn vị thời gian,  có giá trị khác nhau đối với những chất phóng xạ
khác nhau. Nhưng là hằng số đối với một chất phóng xạ cho trước, có nghĩa là xác
suất để một hạt nhân phân rã không phụ thuộc vào tuổi của nó.
- Từ (1.1) ta có:
dN (t )
 dt
N (t )

(1.2)

- Giải phương trình vi phân (1.2) với điều kiện ban đầu t=0, số hạt nhân có
tính phóng xạ là N 0 :
- Ta có :
 t

N (t )  N 0 e

(1.3)

 Đây là hệ thức cơ bản của hiện tượng phóng xạ. Ta thấy quy luật phân rã
theo thời gian là quy luật giảm theo hàm số mũ.

1.2.2. Chu kỳ phân rã
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

4

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

 Chu kỳ phân rã ( hay thời gian sống trung bình) của hạt nhân phóng xạ
được tính như sau:





 tN (t )dt
0




t

te



0


 N (t )dt

t

e

0

dt

dt

0

- Thay t =x ta có:


1
2


1

0


x

e





x

 xe

dx

dx

0

1

(1.4)



 Công thức 1.4 cho ta thấy thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ
bằng nghịch đảo của hằng số phân rã:
- Thay   t vào (1.3)
- Ta có:
N ( )  N 0 .e t 

N0
e

(1.5)

 Vậy  còn có nghĩa là khoảng thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm đi e
lần. Nó được gọi là chu kỳ phân rã.

1.2.3. Chu kỳ bán rã
 Chu kỳ bán rã T ( thời gian bán rã) của một nguồn phóng xạ là khoảng
thời gian cần thiết để số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó giảm xuống còn
một nửa so với ban đầu.
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

5

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

lnN(t)=lnN0 - t

 ln

N0
 t
N (t )

- Sau khoảng thời gian T thì:
1

2

N(T)= N 0

hay

N0
2
N (T )

- Do đó:
T=

ln 2



=

0,693

(1.6)



1.2.4. Độ phóng xạ
 Độ phóng xạ H ( hay hoạt độ phóng xạ) của một nguồn là số hạt nhân có
tính phóng xạ của nguồn đó phân rã trong một đơn vị thời gian.
- Từ (1.1) ta có:
H

dN (t )
 N (t )  N 0 e t  H 0 e t
dt

(1.7)

 Như vậy, độ phóng xạ của một nguồn phải được xét ở từng thời điểm. Nó
phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn và số lượng hạt
nhân có tính phóng xạ tồn tại trong nguồn tại thời điểm đang xét.
 Đơn vị đo độ phóng xạ là phân rã trên giây hay Becquerel (Bq)
 Ngoài ra, ta cũng thường dùng đơn vị khác là Curie(Ci)
1Ci=3,7. 1010 Bq

1.2.5. Mật độ phóng xạ
 Mật độ phóng xạ tại một điểm trong không gian là số tia phóng xạ truyền
qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền của tia tại điểm đó
trong một đơn vị thời gian.
 Một nguồn phóng xạ phát ra n tia phóng xạ trong mỗi đơn vị thời gian, vì
các tia phóng xạ phát ra theo mọi hướng đều đặn như nhau nên mật độ phóng xạ J
tại một điểm cách nguồn một khoảng R là:
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

6

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

J

n
n

S 4R 2

(1.8)

 Mật độ bức xạ tỉ lệ nghịch bình phương khoảng cách tới nguồn.

1.2.6. Cường độ bức xạ
 Cường độ phóng xạ I tại một điểm trong không gian là số năng lượng do
tia phóng xạ truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền của
tia tại điểm đó trong một đơn vị thời gian:
I  J .E

(1.9)

 Trong đó, E là năng lượng của mỗi tia phóng xạ.
 Nếu các tia phóng xạ không đồng nhất thì:
J

I   Ei

(1.10)

i 1

 Với Ei là năng lượng phản xạ thứ i (i=1,2,3…).

1.3. Các định luật bảo toàn trong hiện tƣợng phóng xạ
 Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng biến đổi hạt nhân, các thành phần của hệ
chỉ tương tác với nhau mà không tương tác với các thành phần bên ngoài tạo thành
một hệ kín. Do đó, hiện tượng phóng xạ bị chi phối bởi các định luật sau:

1.3.1. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần
 Năng lượng toàn phần trước khi phóng xạ bằng năng lượng toàn phần sau
khi phóng xạ:
- Ta có quá trình phóng xạ:
A BC
E A  E B  EC

 Với E A , E B , EC là các năng lượng toàn phần.
- Ta có hệ thức Einstein:
E  M .C 2

- Hay:
M A .C 2  (M B  M C ).C 2  Q

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

7

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

 Với Q là năng lượng toả ra trong một phân rã phóng xạ.
 Q  (M A  M B  M C ).C 2

1.3.2. Định luật bảo toàn động lượng
 Động lượng trước phóng xạ và sau khi phóng xạ là bằng nhau:
- Ta có :



PA  PB  PC
  

 Với PA , PB , PC là các động lượng trước và sau phản ứng.

1.3.3. Định luật bảo toàn điện tích
 Tổng đại số điện tích trước và sau phóng xạ là bằng nhau:
- Ta có:
ZA=ZB+ZC
- Với ZA,ZB,ZC là các nguyên tử số.

1.3.4. Định luật bảo toàn số khối
 Số khối A trước và sau phóng xạ là bằng nhau:
‫ ־‬Ta có:
AA=AB+AC
- Với AA,AB,AC là các số khối của hạt nhân trước và sau phản ứng.
 Định luật bảo toàn số khối và định luật bảo toàn điện tích dùng để xác
định qui tắc dịch chuyển của hạt nhân.

1.3.5. Định luật bảo toàn spin
 Trong phân rã phóng xạ, spin của hệ được bảo toàn, nghĩa là trước phân rã
phóng xạ spin của hệ là số nguyên (hoặc bán nguyên) thì spin của hệ sau phản ứng
cũng là số nguyên (hoặc bán nguyên).
TÓM TẮT CHƢƠNG 1

CHƢƠNG 1: HIỆN TƢỢNG PHÓNG XẠ
1.1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

8

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

- Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự phát ra tia phóng xạ
và biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác.

1.2. Quy luật phân rã phóng xạ
1.2.1. Hệ thức cơ bản
1.2.2. Chu kỳ phân rã
1.2.3. Chu kỳ bán rã
1.2.4. Độ phóng xạ
1.2.5. Mật độ phóng xạ

1.2.6. Cường độ bức xạ
1.3. Các định luật bảo toàn trong hiện tƣợng phóng xạ
1.3.1. Định luật bảo toàn năng lượng toàn phần
M A .C 2  (M B  M C ).C 2  Q

1.3.2. Định luật bảo toàn động lượng



PA  PB  PC

- Động lượng trước phóng xạ và sau khi phóng xạ là bằng nhau

1.3.3. Định luật bảo toàn điện tích
ZA=ZB+ZC

1.3.4. Định luật bảo toàn số khối
AA=AB+AC

1.3.5. Định luật bảo toàn spin

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

9

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

CHƢƠNG 2: CÁC DẠNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
2.1. Khái niệm tia phóng xạ
 Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân
nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra các bức
xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ).
Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị
phóng xạ, còn các nguyên tử không có tính phóng xạ
gọi là các đồng vị bền.

2.2. Các dạng tia phóng xạ
 Trong quá trình phân rã phóng xạ thường sinh ra các dạng tia phóng xạ sau:
Phân rã alpha (  ), phân rã bêta (  ), phân rã gamma.

2.2.1. Phân rã alpha (  )
 Bức xạ alpha được phát ra bởi các nguyên tử của các nguyên tố nặng như
Uran, Radi, Radon và Plutoni. Bức xạ alpha là các hạt mang điện dương, có điện
tích +2e. Hạt alpha chính là hạt nhân của nguyên tử Hêli ( 2He4), bức xạ alpha đi
qua từ trường bị lệch hướng. Trong không gian, bức xạ alpha không truyền đi
được xa và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài của da. Tuy
nhiên, nếu một chất phát tia alpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát năng
lượng ra các tế bào xung quanh. 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.
a) Quá trình phân rã alpha có công thức chung
Z

X A Z 2Y A4  

- Trong đó  chính là hạt nhân nguyên tử Hêli (2He4)
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

10

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

- Từ công thức ta thấy rằng hạt nhân con

Y A4 có điện tích Z  2 , A  4

Z 2

nghĩa là hạt nhân con nằm ở trước hạt nhân mẹ hai ô trong bảng hệ thống tuần
hoàn và có số khối giảm 4 đơn vị so với số khối của hạt nhân mẹ.
b) Qui tắc dịch chuyển trong phóng xạ alpha
- Qui tắc dịch chuyển trong phóng xạ alpha để tìm hạt nhân con là: Tìm vị
trí hạt nhân mẹ X trong bảng hệ thống tuần hoàn. Dịch chuyển lên phía trước hai
ô ta có hạt nhân con Y . Số khối hạt nhân con bằng số khối hạt nhân mẹ trừ đi 4
( A  4) .

c) Các tính chất của phân rã 
- Quá trình phân rã alpha phải thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng toàn
phần:
E X  EY  E

- Hay M X .C 2  M Y .C 2  M  .C 2  Eđ (giả thuyết hạt nhân X, Y đứng yên).
 Trong đó M X , M Y , M  là khối lượng nguyên tử của các hạt X, Y,  và E đ
là động năng của hạt alpha.
- Ta có:
Eđ  M X  M Y  M  .C 2 >0

Eđ >0 vì hạt alpha bức xạ bao giờ cũng có vận tốc khác không.

- Công thức xác định để một nguyên tố X phân rã alpha là:
M X  MY  M

2.2.2. Phân rã bêta (  )
 Bức xạ bêta khi đi qua từ trường cũng bị lệch hướng, nhưng theo hướng
ngược với hướng của hạt alpha. Bức xạ này mang điện âm.

2.2.2.1. Các dạng phân rã 
 Có ba dạng phân rã bêta
- Phân rã  
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

11

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

- Phân rã  
- Sự bắt K
 Phân rã   và phân rã   là hạt nhân phóng ra chùm electron hay
chùm hạt pôzitrôn và biến thành hạt nhân khác. Sự bắt K là hiện tượng hạt nhân
hấp thụ một electron ở lớp K của nguyên tử và trở thành hạt nhân khác.

2.2.2.2. Quy tắc dịch chuyển phân rã 
a) Công thức phân rã  
- Quá trình phân rã   lúc đầu được hiểu theo công thức biến đổi sau:
Z

X A  Z 1Y A  e 

- Nghĩa là hạt nhân mẹ Z X A phát ra một electron và trở thành hạt nhân
con

YA .

Z 1

 Năm 1914, Chadwick nhận thấy rằng phổ năng lượng của hạt   là
một đường cong liên tục. Điều đó có nghĩa là không có sự bảo toàn năng lượng.
Lúc đầu Bohr cho rằng trong lĩnh vực hạt nhân không tồn tại định luật bảo toàn
năng lượng. Năm 1933 Pauli cho rằng định luật bảo toàn năng lượng vẫn đúng cho
lĩnh vực hạt nhân và trong phân rã   phải tồn tại một hạt vi mô nữa gọi là hạt
nơtrinô, kí hiệu là  . Hạt này có khối lượng nghỉ bằng 0, không mang điện và có
spin bằng

1
.

2

 Trong quá trình phân rã   lúc đầu Pauli cho rằng đó là hạt nơtrinô 
nhưng thực chất đó là phản hạt nơtrinô ~ .
- Do đó công thức phân rã   là :
Z

X A  Z 1Y A  e   ~

- Qui tắc dịch chuyển trong   :

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

12

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

Trong phân rã   hạt nhân mẹ mất một điện tích âm bằng e hay nói cách
khác điện tích hạt nhân con tăng thêm một đơn vị điện tích dương, tức là bằng
Z  1 . Còn số khối hạt nhân con không khác số khối hạt nhân mẹ.

Vậy qui tắc dịch chuyển trong phóng xạ   để tìm hạt nhân con là: Tìm vị
trí của hạt nhân mẹ X trong bảng hệ thống tuần hoàn, dịch chuyển một ô về phía
sau ta có hạt nhân con Y . Số khối hạt nhân con bằng số khối hạt nhân mẹ.
b) Quá trình phân rã  

- Công thức phân rã   :
Z

X A  Z 1Y A  e   

- Quy tắc dịch chuyển trong phân rã  
 Trong phân rã   hạt nhân mẹ được thêm một điện tích dương để trở
thành hạt nhân con có điện tích giảm đi một đơn vị, tức là bằng Z  1 . Số khối hạt
nhân con bằng số khối hạt nhân mẹ. Tương tự như trong phóng xạ   ta có qui tắc
dịch chuyển để tìm hạt nhân con là: Tìm vị trí của hạt nhân mẹ trong bảng hệ
thống tuần hoàn dịch chuyển một ô về phía trước ta có hạt nhân con. Số khối hạt
nhân con bằng số khối hạt nhân mẹ.
c) Sự bắt K
- Quá trình bắt K:
Z

X A  e   Z 1Y A  

- Vì hạt nhân hấp thụ một electron nên qui tắc dịch chuyển giống như phân
rã   . Cả hai trường hợp phân rã   và bắt K ta đều có hai hạt nhân đồng phân (A
không đổi).
d) Điều kiện phân rã bêta:
- Từ công thức phân rã   ,   , bắt K ta có các hệ thức năng lượng tương
ứng:
M X .C 2  M Y .C 2  me .C 2  TY  Te  T~

M X .C 2  M Y .C 2  me .C 2  TY  Te  T

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

13

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên
M X .C 2  M Y .C 2  me .C 2  TY  T

 Trong đó:
M X là khối lượng hạt nhân mẹ
M Y là khối lượng hạt nhân con
TY , Te , T là động năng của hạt nhân con Y , e  , ~ .

- Thêm vào hai vế của hai công thức đầu Z .me .C 2 và công thức thứ ba (Z1). me .C 2 ta có thể thay thế khối lượng hạt nhân trong các công thức trên bằng khối
lượng nguyên tử M nt . Các công thức trên trở thành:
M ntX .C 2  M ntY .C 2  TY  Te  T
M ntX .C 2  M ntY .C 2  2me .C 2  TY  Te  T
M ntX .C 2  M ntY .C 2  TY  T

- Do đó động năng T ở vế phải của ba phương trình trên là số dương nên ta
suy ra điều kiện để có phân rã  là:
 Phân rã   : M ntX M ntY
 Phân rã   : M ntX M ntY  2me
 Bắt K: M ntX M ntY
 Cần chú ý rằng phân rã   ,   khác phân rã alpha ở chổ nó là hiện tượng
nội nuclôn tự phân rã theo các công thức sau:
n  p  e   ~
p  n  e  

p  e  n  

2.2.3. Phân rã gamma (  )
 Bức xạ gamma là dạng năng lượng sóng điện từ, bức xạ gamma không bị
lệch hướng khi đi qua từ trường vì nó mang năng lượng lớn. Nó đi được khoảng
cách lớn trong không khí và có độ xuyên mạnh. Tia gamma được tạo ra do sự tự
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

14

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

phân rã của chất phóng xạ. 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, bêtông là tấm chắn lý tưởng đối với tia
gamma.
 Quá trình phân rã gamma của hạt nhân là quá trình một hạt nhân lúc đầu ở
trạng thái kích thích sau đó chuyển về trạng thái cơ bản hoặc trạng thái thấp hơn
và bức xạ ra một phôtôn gọi là tia gamma. Tia gamma là bức xạ điện từ có bức
sóng rất ngắn (nhỏ hơn tia alpha).
 Tần số ( ) của bức xạ được xác định bởi công thức :


ECao  EThâp

h

- Quá trình phân rã gamma thường đi kèm theo sau quá trình phân rã alpha,
bêta. Vì hạt nhân con được tạo ra bởi phân rã alpha, bêta có thể ở trạng thái kích
thích. Nhưng cũng có thể tạo ra hạt nhân bị kích thích bằng cách dùng các hạt
trung hòa hoặc phôtôn bắn phá các hạt. Cần phân biệt bức xạ gamma phát ra do
phân rã của hạt nhân với phôtôn phát ra do sự chuyển dời các mức electron trong
nguyên tử. Trường hợp bức xạ gamma của hạt nhân, năng lượng từ hàng chục Kev
đến nhiều Mev, còn trường hợp chuyển dời các mức electron trong nguyên tử năng
lượng chỉ vài ev.
- Công thức phân rã gamma
( Z X A )* Z X A  

Dấu * chỉ trạng thái kích thích
 Chú ý: Trong phân rã gamma không có sự biến đổi hạt nhân.
- Quá trình biến đổi nội: Hạt nhân ở trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ
bản bằng cách phát ra tia gamma. Nhưng có thể “giải quyết” trạng thái kích thích
ấy bằng cách truyền trực tiếp năng lượng kích thích ấy cho các electron ở vỏ

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

15

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

nguyên tử và làm bật một electron nào đó ra ngoài. Hiện tượng này được gọi là
quá trình biến đổi nội và electron được phát ra gọi là electron biến đổi nội.
- Trạng thái kích thích của hạt nhân có thể phân ra theo hai cách :
+ Phát ra tia gamma.
+ Truyền năng lượng kích thích ra vỏ nguyên tử làm phát ra electron biến
đổi nội và phát ra tia X.
TÓM TẮT CHƢƠNG 2

CHƢƠNG 2: CÁC DẠNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
2.1. Khái niệm tia phóng xạ
2.2. Các dạng tia phóng xạ
2.2.1. Phân rã alpha (  )
Z

X A Z 2Y A4  

2.2.2. Phân rã bêta (  )
2.2.2.1. Các dạng phân rã bêta (  )
Có ba dạng phân rã bêta
- Phân rã  
- Phân rã  
- Sự bắt K

2.2.2.2. Quy tắc dịch chuyển phân rã bêta (  )
2.2.3. Phân rã gamma (  )

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

16

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

CHƢƠNG 3: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN
3.1. Các họ phóng xạ tự nhiên
3.1.1. Định nghĩa phóng xạ tự nhiên
 Người ta thấy trong thiên nhiên có những hạt nhân không bền phân rã
thành hạt nhân khác, hạt nhân này cũng không bền và phân rã tiếp. Quá trình như
vậy cứ tiếp diễn và xuất hiện các hạt nhân trung gian trước khi kết thúc bằng một
hạt nhân bền. Tập hợp tất cả những hạt nhân trong một chuỗi liên tiếp xuất phát từ
một hạt nhân không bền đầu tiên cho đến hạt nhân bền cuối cùng như thế gọi là họ
phóng xạ.
 Trong tự nhiên người ta tìm thấy ba họ phóng xạ. Ba họ đó lấy tên hạt
nhân đứng đầu là họ Thơrium (90Th232), Uranium (92U238), Actinium (92U235).
 Tất cả hạt nhân đứng đầu họ đều là những hạt nhân nặng A>200, do đó
những hạt nhân này không bền đối với phân rã alpha (  ). Khi phân rã  thì số
khối giảm đi 4 đơn vị, còn số điện tích giảm đi 2 đơn vị, do đó số phần trăm các
hạt neutron tăng. Ta đã biết, các hạt nhân bền đối với phân rã  khi A bé cần chứa
số neutron với số phần trăm không lớn. Từ đó ta thấy rằng hạt nhân nặng sau một
vài phân rã  trở thành không bền đối với phân ra   . Do đó trong họ phóng xạ,
các quá trình phân rã  và   xen kẽ nhau.

3.2. Họ phóng xạ
 Như ở trên chúng ta biết rằng trong quá trình phân rã của hạt nhân, thì từ
một hạt nhân không bền phân rã thành một hạt nhân khác, hạt nhân này cũng
không bền và tiếp tục phân rã. Quá trình như vậy cứ tiếp tục xẩy ra và được kết

thúc bằng một đồng vị bền.
 Tổng hợp tất cả các hạt nhân trên, trong một chuỗi phân rã liên tiếp xuất phát
từ một hạt nhân không bền đầu tiên cho tới hạt nhân cuối cùng được gọi là họ
phóng xạ.

3.2.1. Họ Thơrium
GVHD: Hoàng Xuân Dinh

17

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

 Hạt nhân đầu tiên của họ Thơrium là

90Th

232

, có A=232. Các hạt nhân

khác trong họ này cũng có giá trị A=4n vì phân rã duy nhất làm thay đổi số khối A
là phân rã alpha. 90Th232 có chu kỳ bán rã T=1,4.1010 năm. Đồng vị này biến đổi
phóng xạ và trải qua các đồng vị khác nhau như

220

, 84Po216…
86Rn

Và kết thúc

bằng đồng vị bền 82Pb208.
Bảng 3.1: Họ Thơrium (4n)
Hạt nhân

Thời gian bán

Năng lượng(MeV)

rã
Alpha

90 Th

232

1,4.1010 năm

88 Ra

232

6,7 năm

89 Ac

228

Bêta

Gamma

3,98
0,01
Sơ đồ phân rã

6,13 h

phức tạp Nhóm

1,59(0,03)

bêta cường độ

0,966(0,2)

cao nhất là 1,11

0,908(0,25)

MeV
90 Th

228

88 Ra

224

86 Rn

84 Po

1,91 năm

5,421

3,64 ngày

5,681

54 s

6,278

0,158 s

6,774

(0,016)

220

0,241
(0,038)

216

82 Pb

212

10,6 h

83 Bi

212

60,5 phút

212

3.10-7 s

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

0,542
(0,0002)
0,35; 0,59

6,086
(33,7%)

84 Po

0,084

2,25 (66,3%)

0,239 (0,40)
0,04 nhánh
0,034)

8,776
18

SVTH: Phạm Thanh Dũng


Luận văn tốt nghiệp
81 Tl

82 Pb

tìm hiểu hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên

208

3,1 phút
208

1,80; 1,29; 1,52

2,615
(0,997)

Bền

3.2.2. Họ Neptunium
 Họ này có 92Np237 đứng đầu họ, 92Np237 có chu kỳ bán rã T=2,14.106 năm,
chu kỳ bán rã này quá ngắn so với tuổi của Trái Đất. Đây là lí do họ này không tồn
tại trong tự nhiên nữa.
Bảng 3.2: Họ Neptunium (4n + 1)
Hạt nhân

Thời gian bán

Năng lượng(MeV)

rã

Alpha
4,77

92 Np

237

2,14.106 năm

91 Pa

233

27,4 ngày

Bêta

Gamma

0,26; 0,15;

0,31 (rất mạnh)

0,57
92 U

233

1,6.105 năm

4,823

90 Th

229

7,34.103 năm

5,02

88 Ra

225

14,8 ngày

89 Ac

225

10,0 ngày

5,80

87 Fr

221

4,8 phút

6,30

85 At

217

0,018 s

7,02

83 Bi

213

47 phút

5,86 (2%)

84 Po

213

4.10-6 s

8,336

81 Tl

209

22 phút

2,3

82 Pb

209

3,32 h

0,635

83 Bi

209

Bền

GVHD: Hoàng Xuân Dinh

0,32

0,216 (1)

19

1,39 (98%)
0,12 (yếu)

SVTH: Phạm Thanh Dũng