Phương pháp xác định nồng độ p 226 PRa trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

MAI THỊ VÂN ANH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh- Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

MAI THỊ VÂN ANH

NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ
MÃ NGÀNH: 102

Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ CÔNG HẢO

Thành phố Hồ Chí Minh- Năm 2011


LỜI CẢM ƠN
Trong cuộc sống, có mấy ai thành công mà không cần tới sự giúp đỡ của người khác.
Sự giúp đỡ không nhất thiết phải là điều gì lớn lao mà đôi khi chỉ là một lời động viên chân
thành cũng tiếp thêm sức mạnh cho người được nhận.
Cùng với sự hoàn thành của khóa luận, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến:
- Tất cả quí thầy cô giáo, những người đã tận tình truyền đạt những kiến thức và kinh

nghiệm quí báu cho chúng em trong suốt thời gian qua.
- ThS Lê Công Hảo, giảng viên trường Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí
Minh, là người thầy trực tiếp hướng dẫn em ngay từ những bước đầu bỡ ngỡ với đề tài,
thầy luôn là người chỉ dẫn nhiệt tình cho em trong quá trình em thực hiện đề tài.
- Các anh chị cùng thực hiện thí nghiệm trong phòng Vật lý hạt nhân trường Đại học
Khoa học tự nhiên, các anh chị là người cho em rất nhiều kinh nghiệm, tạo điều kiện
để em có thể hoàn thành tốt khóa luận của mình.
- Các bạn Lý k33 trường Đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh, các bạn đã luôn
động viên tinh thần và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm khóa luận.
Con cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ và gia đình con. Cảm ơn mọi người đã
luôn bên con, ủng hộ và giúp đỡ con trong suốt thời gian thực hiện khóa luận.
Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người, kính chúc mọi người thật nhiều sức khỏe và
đạt nhiều thành công trong cuộc sống.
Sinh viên thực hiện
Mai Thị Vân Anh


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 3
T
4

T
4

MỤC LỤC .................................................................................................................... 4
T
4

T

4

LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 6
T
4

T
4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 8
T
4

T
4

CHƯƠNG I: HỆ ĐO ALPHA ANALYST ................................................................ 9
T
4

T
4

1.1. Tiện ích hệ đo Alpha analyst [2] ............................................................................... 9
T
4

T
4

1.2. Buồng chân không [1] ................................................................................................ 9
T
4

T
4

1.3. Detector [1] ............................................................................................................... 10
1.3.1. Detector PIPS ..................................................................................................... 10
1.3.2. Đầu dò Alpha PIPS ............................................................................................. 12
T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

1.4. Bộ tiền khuếch đại [1] .............................................................................................. 13
T

4

T
4

1.5. Bộ khuếch đại [1]...................................................................................................... 15
T
4

T
4

1.6. Bộ biến đổi tương tự thành số ADC và bộ phân tích biên độ đa kênh MCA [1] 15
T
4

T
4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ RADIUM ............................................................ 16
T
4

T
4

2.1. Kim loại Radium ...................................................................................................... 16
T
4

T
4

2.2. Muối Radium ............................................................................................................ 16
2.2.1. Muối Radium tan ................................................................................................ 17
2.2.2. Muối Radium không tan- Kết tủa và đồng kết tủa đặc trưng ............................. 18
T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

2.3. Đồng vị của Radium................................................................................................. 20
T
4

T
4

2.4. Phân bố của
T
4

Ra trong môi trường nước ............................................................ 25

226
P

P

T
4

2.5. Cơ chế giật lùi ........................................................................................................... 26
T
4

T
4

2.6. Cơ chế hòa tan .......................................................................................................... 27
T
4

T
4

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 226Ra TRONG NƯỚC .......... 30

T
4

P

P

T
4

3.1. Các phương pháp phân tích 226Ra trong mẫu nước ............................................. 30
3.1.1. Phương pháp đồng kết tủa Radium với Barium Sunfate (BaSO 4 ) [9], [18] ...... 30
3.1.2. Phương pháp phát xạ Radon [18] ....................................................................... 30
3.1.3. Phương pháp sử dụng máy đếm Cerenkov [17] ................................................. 31
3.1.4. Phương pháp đếm nhấp nháy lỏng LSC [17] ..................................................... 31
3.1.5. Phương pháp đo phổ của mẫu nước chưa xử lí [17] ...................................... 31
3.1.6. Phương pháp trao đổi ion [11] ............................................................................ 31
3.1.7. Phương pháp hấp thụ Radidum trên đĩa MnO 2 [6],[12]..................................... 31
T
4

P

P

T
4

T
4

R

T
4

R

T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

T

4

T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

R

R

T
4

3.2. Phương pháp trao đổi ion để xác định Ra trong mẫu nước............................. 32
3.2.1. Cơ sở lí thuyết:[11] ............................................................................................. 32
3.2.2. Thực nghiệm ....................................................................................................... 36
226

T

4

P

T
4

T
4

T
4

T
4

P

T
4


3.3. Phương pháp xác định Radium trong nước bằng cách hấp thụ Radium trên đĩa
MnO 2 . ............................................................................................................................... 44
3.3.1. Cơ sở lí thuyết..................................................................................................... 44
3.3.2. Thực nghiệm ....................................................................................................... 46
T
4

R

R

T
4

T
4

T
4

T
4

T
4

KẾT LUẬN ................................................................................................................ 54
T
4

T
4

KIẾN NGHỊ ............................................................................................................... 55
T
4

T

4

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 56
T
4

T
4


LỜI MỞ ĐẦU
Lịch sử hình thành Trái đất gắn liền với các đồng vị phóng xạ. Được khám phá vào
năm 1898 bởi hai nhà khoa học Marie và Pierre Curie, Radium là một trong những nguyên
tố có sức hấp dẫn trong nghiên cứu. Năm 1900, hai nhà nghiên cứu người Đức là Otto
Walkhoff và Friedrich Giesel đã lần đầu tiên phát hiện ra tác dụng chữa bệnh của Radium
[20]. Vào khoảng đầu thế kỉ XX, Radium được sử dụng rộng rãi trong sơn phát quang, mỹ
phẩm, kem đánh răng, và thậm chí là cả trong thực phẩm. Radium cũng được sử dụng trong
y học để điều trị bệnh ung thư.
Nồng độ Radium tự nhiên có trong môi trường rất nhỏ. Cho tới nay chưa có bằng
chứng nào cho thấy tiếp xúc ngoài với Radium nồng độ thấp trong tự nhiên có ảnh hưởng
tới sức khỏe. Tuy nhiên, nếu tiếp xúc lâu dài với Radium nồng độ cao có thể gây thiếu máu,
gãy xương, đục thủy tinh thể, gây ảnh hưởng đến hệ miễn dịch, ngoài ra còn có thể gây ung
thư. Các nguồn Radium nồng độ cao thường tập trung ở khu vực mỏ Uranium, sản xuất
quặng Uranium, hoặc nguồn nước ngầm xung quanh khu vực chất thải phóng xạ. Do
Radium và các muối của Radium có thể tan trong nước nên nồng độ Radium trong nước
ngầm cao hơn nồng độ Radium nước mặt.
Cơ quan bảo vệ mội trường Mỹ EPA (Environmental Protection Agency’s) đã đưa ra
tiêu chuẩn mức độ tối đa chất MCL (Maximum contaminant level) có thể gây nguy hiểm
cho sức khỏe con người đối với 226Ra và 228Ra là 5pCi/L. MCL đối với tổng bức xạ alpha là
P

P

P

P

15pCi/L.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật và nghiên cứu đặc tính của các
đồng vị phóng xạ, ngày càng có nhiều phương pháp hiện đại để xác định nồng độ phóng xạ
nói chung và nồng độ 226Ra trong mẫu.
P

P

Khóa luận “ Phương pháp xác định nồng độ
sánh các phương pháp phân tích

Ra trong nước” với mục đích so

226
P

P

Ra trong nước sau đó chọn ra được phương pháp hiệu

226
P

P

quả nhất. Nội dung khóa luận gồm 3 chương:
Chương I: Hệ đo Alpha analyst
Chương II: Tổng quan về Radium
Chương III: Các phương pháp xác định 226Ra trong nước
P

P

Do thời gian tiến hành khóa luận có hạn nên khóa luận chắc chắn sẽ có những hạn chế.
Do đó tôi hi vọng những nghiên cứu tiếp theo sau sẽ được hoàn thiện hơn.


Sinh viên thực hiện
Mai Thị Vân Anh


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC: Analog to Digital Coverter
DJ: Diffused Junction
EPA: Environmental Protection Agency
FWHM: The full width at half- maximum
LSC: Liquid Scintillation Counter
MCL: Maximum contaminant level
PIPS: Passivated Implanted Planar Silicon
SSB: Surface barrier detector
MCA: Multi Channel Analyzer
MCB: Multi Channel Buffe

EDTA : Etilendiamin tetraaxetic axit


CHƯƠNG I: HỆ ĐO ALPHA ANALYST

1.1. Tiện ích hệ đo Alpha analyst [2]
Hệ đo Alpha Analyst là thiết bị đo hiện đại do hãng CANBERRA sản xuất, giúp ta dễ
dàng khảo sát các mẫu phóng xạ alpha tiết kiệm thời gian mà cho kết quả chính xác. Tính
chất hệ Alpha Analyst dùng đo hạt alpha trong miền năng lượng từ 4 – 9 MeV nên nó phù
hợp với các mẫu môi trường phát alpha.
Máy hút
chân không
Máy tính

Detector
PIPS

Tiền
khuếch
đại

Khuếch
đại

Máy phân tích
biên độ đa
kênh

PC

PCI Card
Cao
thế

Mẫu đo
Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ Alpha Analyst
Các thao tác của quá trình đo, phân tích và xử lý khi dùng hệ đo Alpha Analyst chủ
yếu thực hiện trên máy tính thông qua phần mềm ứng dụng Genie-2000 Alpha Acquisition
& Analysis. Nói chung hệ Alpha Analyst là thiết bị đo có hiệu suất và độ chính xác cao khi
đo phóng xạ alpha.

1.2. Buồng chân không [1]
Hệ đo được thiết kế để đo phổ alpha, do đó việc hút chân không trong quá trình đo là
điều cực kỳ quan trọng nhằm giảm tối thiểu sự mất năng lượng hạt alpha. Như được trình
bày ở hình 1.3 và hình 1.4 buồng đo chứa mẫu đo và detector của hệ Alpha Analyst có khả


năng hút chân không rất tốt và nhanh với áp suất chân không có thể đạt tới giá trị 0,01 torr.
Khi đó, ta có thể xem môi trường trong buồng đo này gần như chân không hoàn toàn.
Buồng chân không được thiết kế có các khe cách đều nhau, khe gần detector nhất phải
cách detector một khoảng cách nhất định để đảm bảo an toàn cho đầu dò khỏi hư hại và kéo
dài thời gian sử dụng. Với các khe cách đều nhau ta có thể thay đổi khoảng cách giữa mẫu
đo và detector theo ý muốn.

Hình 1.2: Hệ đo Alpha Analyst

Hình 1.3: Máy hút chân không

Hình 1.4: Buồng đo hệ alpha Analyst

1.3. Detector [1]
1.3.1. Detector PIPS
Trong hệ đo Alpha Analyst do hãng CABERRA sản xuất, detector được sử dụng là
detector PIPS (Passivated Implanted Plannar Silicon: đầu dò silic nuôi cấy ion thụ động),
đây là sản phẩm công nghệ hiện đại. Đầu dò này được dùng để thay thế cho các đầu dò hàng
rào mặt (SSB) và các đầu dò tiếp xúc khuếch tán (DJ) được chế tạo vào những năm 1960.


Hình 1.5: Đầu dò PIPS
Nguyên tắc chế tạo đầu dò PIPS cũng tương tự như các đầu dò bán dẫn, song nó có
một số cải tiến để cho hiệu quả tốt hơn. Lợi thế của đầu dò này so với đầu dò SSB là dòng
rò thấp và mỏng, cửa sổ vào đồng đều hơn (lớp p+). Ví dụ, đầu dò PIPS 100 mm2 được
P

P

dùng, có tổng bề dày khoảng 325 µm , điện trở suất 8700

P

Ωm và

P

điện thế hoạt động bình

thường là 60 V.
Đầu dò PIPS của hãng CABERRA được sử dụng trong hệ Alpha Analyst có một số ưu
điểm nổi trội sau:


Tất cả lề tiếp xúc không sử dụng chất bịt kín epoxy.



Các tiếp xúc được nuôi cấy ion để hình thành tiếp xúc dốc đứng mỏng,
chính xác, cho độ phân giải alpha tốt.



Cửa sổ vào ổn định và có thể được làm sạch dễ dàng.



Dòng rò điển hình bằng 1/8 đến 1/1000 dòng rò của đầu dò SSB và DJ.



Độ dày lớp chết bé hơn so với độ dày lớp chết của đầu dò SSB và DJ.



Nhạy với các hạt điện tích, đo hạt alpha cho độ chính xác cao.



Tạp âm thấp nhằm cải tiến độ phân giải và đảm bảo chất lượng.

Đầu dò PIPS áp dụng kỹ thuật thích hợp để giảm thiểu độ dày cửa sổ trong khi vẫn giữ
nguyên độ nhám, độ tin cậy và ổn định vốn có trong loại tiếp xúc này. Cửa sổ này không chỉ

làm tốt khả năng phân giải điển hình như được đo thông thường mà còn được cải tiến hơn
tại khoảng cách đầu dò – nguồn cần để đạt hiệu suất cao, đạt được yêu cầu đối với phổ kế
alpha phông thấp.


Bảng 1.1: Bề dày cửa sổ đầu dò PIPS, SSB
Đầu dò

Bề dày cửa sổ

PIPS

<500 Å

SSB(Cửa sổ Au)

≈ 800 Å

SSB(Cửa sổ Al)

> 2000 Å

1.3.2. Đầu dò Alpha PIPS
Đầu dò Alpha PIPS được tối ưu về khả năng phân giải năng lượng, độ nhạy cao và phổ
alpha phông thấp. Cửa sổ mỏng của đầu dò PIPS cung cấp sự phân giải tăng cường với
khoảng cách đầu dò - nguồn cần cho hiệu suất cao. Dòng rò thấp giúp làm giảm tối thiểu sự
dịch đỉnh khi thay đổi nhiệt độ.
Tần số đếm phông đối với đầu dò Alpha PIPS bé hơn 0,05 số đếm/giờ/cm2 trong dãy
P

P

năng lượng từ 3 ÷ 8 MeV. Các đầu dò Alpha PIPS có độ dày vùng hoạt cực tiểu lớn hơn 140

µm đủ để hấp thụ toàn bộ các hạt alpha lên tới 15 MeV.
Bảng 1.2: Một số đầu dò Alpha PIPS của hãng CANBERRA sản xuất
Các đầu dò Alpha PIPS
Khả năng phân Nền phông điển hình

Diện tích
hoạt động (mm )
2
P

P

Tên

giải(keV)

(số đếm/ngày)

17

4

A300-17AM

19

4

A300-19AM

18

6

A450-18AM

20

6

A450-20AM

23

8

A600-23AM

25

8

A600-25AM

300

450

600


25

12

A900-25AM

30

12

A900-30AM

30

16

A1200-30AM

37

16

A1200-37AM

900

1200

Hệ Alpha Analyst của Bộ môn Vật lý Hạt Nhân sử dụng detector loại A1200-37AM
có các thông số sau:
Kiểu

A

1200

37

AM

Diện tích
hoạt động (mm2)
P

P

Phân giải alpha (keV)
Điện thế phân cực yêu cầu

: +40 V

Dòng rò (200C)

: 12 nA

Độ sâu vùng nghèo tối thiểu

: >140 µm

Thế phân cực cực đại (giới hạn)

: +100 V

Phông điển hình

: 0,05 số đếm/cm2/giờ

Bán kính vùng hoạt

: 19,55 mm

Độ phân giải alpha

:37 keV.

P

P

P

P

1.4. Bộ tiền khuếch đại [1]
Chức năng bộ tiền khuếch đại là khuếch đại các tín hiệu yếu từ đầu dò và tải nó tới bộ

phận còn lại của thiết bị của hệ đo. Đồng thời tiền khuếch đại cũng bổ sung một lượng tạp
âm nhỏ nhất có thể. Vì tín hiệu tiền khuếch đại là tương đối yếu nên các tiền khuếch đại
được lắp càng gần càng tốt với đầu dò sao cho giảm thiểu độ dài cáp. Trong hệ Alpha
Analyst, tiền khuếch đại được sử dụng là loại tiền khuếch đại nhạy với điện tích. Điện dung
trong bộ tiền khuếch đại được thiết kế và tính toán thích hợp với tạp âm của hệ thống không
đáng kể.


Bảng 1.3: Hai loại tiền khuếch đại của CANBERRA
Thời
Điện thế

Tiền

Tạp âm

khuếch đại

Độ nhạy điện tích

Khả năng tần

gian

hay năng lượng

số năng lượng

tăng
(ns)

1000V

2003 BT

< 2 keV

2000V

2004

<2,8 keV

2,3×105 MeV/s

<5

9 hoặc 45 mV/MeV 4,5×105MeV/s

< 20

20mV/MeV

P

P

P

P

Với việc sử dụng tiền khuếch đại đầu dò bán dẫn 2004 là loại nhạy điện tích thích
hợp cho khuếch đại dùng trong đầu dò phát hiện hạt alpha, có những ưu điểm với các đặc
trưng cơ bản sau:


Lối vào đầu dò: tiếp nhận xung điện tích từ đầu dò bán dẫn.



Lối kiểm tra: điện tích được nối với tiền khuếch đại 2,2 pC/V;
Z in = 93MΩ.
R

R



Lối vào cao thế: cho phép điện áp đầu dò tới ± 2000V DC.



Lối ra năng lượng: xung đuôi không bị kéo dài, thời gian tăng được cho
trong nhỏ hơn 20 ns, hằng số thời gian giảm 50 µs.

Bảng 1.4: Đặc tính của bộ tiền khuếch đại 2004
Tạp âm (keV)

Thời gian tăng

FWHM, Si

(ns)

< 5,2.10-17

< 2,8

< 20

30

< 5,7.10-17

< 3,0

< 21

100

< 6,6.10-17

<3,5

< 23

C DET

Tạp âm rms

0

R

P

P

P


300

< 1,0. 10-16
P

< 5,3

< 33

1.5. Bộ khuếch đại [1]
Bộ khuếch đại phục vụ cho hai mục đích cơ bản: khuếch đại tín hiệu từ tiền khuếch đại
và hình thành xung để có dạng thuận tiện cho việc xử lý tiếp theo. Trong cả hai trường hợp,
bộ khuếch đại thường phải giữ những thông tin quan trọng như thông tin thời gian và thông
tin biên độ. Nếu thông tin thời gian được đòi hỏi thì bộ tiền khuếch đại phải đáp ứng nhanh
chóng. Còn nếu thông tin biên độ được yêu cầu thì tỉ lệ giữa biên độ vào và biên độ ra phải
được bảo vệ (khuếch đại tuyến tính). Một trong số các hệ số quan trọng nhất đối với yêu cầu
của bộ tiền khuếch đại là đặc trưng hình thành xung và sự hình thành xung tối ưu của tỉ số
tín hiệu trên tạp âm.
Nói chung bộ khuếch đại trong hệ đo Alpha Analyst đáp ứng tốt cho xử lý phổ của

detector bán dẫn nói chung và detector PIPS nói riêng. Với tạp âm nhỏ, độ rộng biên độ
xung nhỏ, đảm bảo xung ra tốt và có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại theo yêu cầu. Nhờ vậy
nó góp phần làm tăng khả năng độ phân giải và ổn định vị trí đỉnh tại vị trí tần số cao trong
phổ alpha.

1.6. Bộ biến đổi tương tự thành số ADC và bộ phân tích biên độ đa kênh MCA
[1]
Bộ biến đổi tương tự thành số (Analog to Digital Coverter - ADC) đo biên độ cực đại
của một xung tương tự và biến đổi giá trị đó thành mã số. Bộ ADC dùng trong hệ đo Alpha
Analyst có được số bit đủ yêu cầu cho phổ có khả năng phân giải cao.
Máy phân tích đa kênh (MCA) bao gồm ADC, một bộ nhớ biểu đồ và bộ chỉ thị biểu
đồ được ghi trong bộ nhớ. Trong hệ đo có sử dụng máy tính để chỉ thị phổ, sự kết hợp ADC
và bộ nhớ biểu đồ được gọi là bộ đệm đa kênh (MCB).


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ RADIUM

2.1. Kim loại Radium
Năm 1898, Radium được phát hiện bởi Marie Curie (tên thật là Maria Sklodowska) và
chồng là Perrie Curie. Và cho đến ngày nay thì Radium (ký hiệu: Ra) được biết đến như
một kim loại nặng nhất trong dãy các kim loại kiềm thổ. Radium mang đầy đủ tính chất của
một kim loại kiềm thổ, rất giống với Barium về mặt hoá học. Trong dung dịch, Radium thể
hiện số ôxi hòa là +2. Ở dạng tinh khiết, Radium có màu trắng bạc, dễ bị oxy hóa trong
không khí thành màu đen. [8]
Radium phản ứng mạnh trong nước hình thành hydroxit hòa tan Ra(OH) 2 , nhiệt lượng
R

R

phản ứng khoảng 9Kcal/g nguyên tử.

Bảng 2.1: Đặc tính của Radium (Ra)[19]
T
6

T
6

Số hiệu nguyên tử

88

Khối lượng riêng nguyên tử

5 g/mol

Mật độ nguyên tử

5 g/ cm3 (ở 20oC)

Nhiệt độ nóng chảy

700oC

Nhiệt độ sôi

1140oC

Điện trở suất

1

Độ dẫn nhiệt

18,6 W/mK ( ở 27oC)

P

P

P

P

P

P

P

P

m (ở 20oC)
P

P

P

P

2.2. Muối Radium
Radium có khả năng kết hợp với nhiều nguyên tố khác tạo thành muối, một số có thể
tan trong nước như RaCl 2 , RaBr 2 , Ra(NO 3 ) 2 ,… một số khác lại không tan như RaSO 4 ,
R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

RaCO 3 , RaCrO 4 ,… Hầu hết các hợp chất của Radium là các muối đơn giản, khi mới tạo ra
R

R

R

R


có màu trắng sau đó chuyển sang vàng và cuối cùng là màu đen rồi tự phân rã thành các bức
xạ alpha .[8]
2.2.1. Muối Radium tan
Các muối chloride, bromide và nitratre của Radium đều tan được trong nước nhưng
tính tan giảm dần khi nồng độ các axit tương ứng tăng.
2.2.1.1. Radium chloride (RaCl2)
Bình thường, RaCl 2 không màu và tự phát sáng nhưng khi để lâu thì nó chuyển thành
R

R

màu vàng và khi có lượng nhỏ Barium trong tinh thể RaCl 2 thì tinh thể có màu hồng. Tinh
R

R

thể ngậm nước RaCl 2 .2H 2 O có dạng tinh thể giống BaCl 2 .2H 2 O.
R

R

R

R

R

R

R

R

RaCl 2 khô có mật độ 4,9 g/cm3 và nhiệt độ nóng chảy là 900oC. RaCl 2 là chất thuận từ
R

R

P

P

P

P

R

R

có độ cảm từ là 0,5.106 (khác BaCl 2 là chất nghịch từ). RaCl 2 cháy với ngọn lửa đỏ (BaCl 2
P

P

R

R

R

R

R

R

cháy với ngọn lửa xanh). Các phổ này gồm 2 đường sáng màu đỏ, 1 đường sáng màu xanh
và 2 dải mờ màu tím.
Độ hòa tan của RaCl 2 là 24,5g/100g nước (trong khi của BaCl 2 là 30,79g/100g nước).
R

R

R

R

Khi nồng độ HCl tăng lên thì độ hòa tan của RaCl 2 giảm nhiều hơn so với BaCl 2 .
R

R

R

R

RaCl 2 không tan trong nước lạnh 37% HCl và ete (6:1).
R

R

2.2.1.2. Radium bromide (RaBr2)
Honigshm [3] đã tạo ra RaBr 2 khan bằng cách khử nước từ các tinh thể ngậm nước
R

R

trong không khí khô ở 200oC. RaBr 2 khan cũng có thể tạo ra bằng cách nung nóng RaCl 2
P

P

R

R

R

R

trong HBr khô. RaBr 2 nóng chảy ở 728oC và phân rã ở nhiệt độ cao. Mật độ muối khan là
R

R

P

P

5,78g/cm3.
P

P

Không khí xung quanh mẫu RaBr 2 phát sáng và hiển thị quang phổ nitrogen. Độ sáng
R

R

này có thể bị ảnh hưởng do các bức xạ alpha trên phân tử Nito trong không khí.
RaBr 2 tan nhiều hơn RaCl 2 , độ tan của RaBr 2 là 70,6g/100g nước. Sự khác nhau về độ
R

R

R

R

R

R

tan giữa RaBr 2 và BaBr 2 ít hơn so với RaCl 2 và BaCl 2 .
R

R

R

R

R

R

R

R

RaBr 2 không tan trong hỗn hợp 47% HBr và CH 3 OH.
R

R

R

R


2.2.1.3. Radium nitratre (Ra(NO3)2 )
Radium nitratre là hợp chất màu trắng, dễ dàng tạo ra bằng cách hòa tan Radium
carbonate (RaCO 3 ) trong axit nitric. Độ tan của Ra(NO) 3 trong nước là 13,9g/100g nước.
R

R

R

R

Ra(NO 3 ) 2 tan chậm trong HNO 3 80%, do đó độ tan của Ra(NO 3 ) 2 trong nước giảm
R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

khi nồng độ HNO 3 tăng.
R

R

2.2.2. Muối Radium không tan- Kết tủa và đồng kết tủa đặc trưng
Radium có các hợp chất không tan giống Barium. Hầu như hợp chất của Radium ít tan
hơn hợp chất của Barium tương ứng. Trừ trường hợp ngoại lệ là Radium carbonate
(RaCO 3 ), RaCO 3 tan nhiều hơn BaCO 3 .
R

R

R

R

R

R

2.2.2.1. Radium sulfate (RaSO4)
Radium sulfate được biết đến là một trong những hợp chất không tan của Radium. Độ
tan của nó khoảng 2,1. 10-4g/100 ml nước. Kết tủa dễ dàng được tạo ra bằng cách bổ sung
P

P

axit H 2 SO 4 loãng để hòa tan hợp chất Radium. RaSO 4 có thể bị mất nước hoàn toàn khi bị
R

R

R

R

R

R

nung nóng trong không khí khô ở 300oC. Ta có thể chuyển RaSO 4 thành RaCO 3 bằng cách
P

P

R

R

R

R

tác dụng với Natri carbonate (Na 2 CO 3 ). Radium sunfate chuyển thành Radium sunfide bằng
R

R

R

R

cách đốt cháy với đất đèn, Calcium hydride (CaH 2 ) và Carbon. Các sunfide tan trong nước

R

R

hoặc axit loãng. Sunfate có khả năng hút bám tốt các đồng vị Radon, làm tăng tính chất của
mẫu kiềm.
Do không tan nên RaSO 4 ít gây nguy hiểm nhất so với các hợp chất sinh học khác của
R

R

Radium. Nó được sử dụng rộng rãi để tạo ra Radium nguyên chất.
2.2.2.2. Radium Chromate (RaCrO4)
Radium chromate mới tạo ra là hợp chất có màu vàng như Barium chromate (BaCrO 4R

R

). Kết tủa này được tạo ra bằng cách hòa tan chromate vào dung dịch muối Radium.
Do RaCrO 4 ít tan trong axit loãng hơn so với BaCrO 4 và RaCrO 4 tan nhiều hơn trong
R

R

R

R

R

R

axit loãng so với PbCrO 4 nên ta có thể dùng axit HNO 3 nóng để chuyển RaCrO 4 thành
R

R

R

Ra(NO 3 ) 2 mà không cần dùng axit HNO 3 đậm đặc.
R

R

R

R

R

R

R

R

R


2.2.2.3. Radium carbonate (RaCO3)
Nikitin [8] thừa nhận rằng Barium và Radium carbonate không thể tạo thành hỗn hợp

tinh thể đồng hình vì thực tế là bán kính ion Radium lớn hơn bán kính ion Barium. Nikitin
xác định được rằng RaCO 3 tan trong ammonium carbonates (NH 4 ) 2 CO 3 nhiều hơn BaCO 3
R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

khoảng 10 lần.
RaCO 3 có thể được tạo ra bằng kết tủa trung hòa hoặc dung dịch kiềm yếu của các
R

R

muối Radium với dung dịch (NH 4 ) 2 CO 3 .
R

R

R

R

R

R

 Kết tủa và đồng kết tủa tương ứng:
Trong tự nhiên Radium không có đồng vị bền và phân bố với hàm lượng thấp. Việc
quan sát hành vi của Radium thường dựa trên các nguyên tố có đặc tính hóa học tương tự,
trong đó, đáng lưu ý là khả năng tạo đồng kết tủa của Radium với các kim loại kiềm thổ, đặc
biệt là Barium. Do đó Badium được dùng như một chất mang Radium rất tốt. Khi muối
Radium đồng kết tủa với muối Barium, Radium có 2 cách sắp xếp trong tinh thể.
Dạng thứ nhất là sắp xếp theo luật phân phối đồng nhất của Henderson và
Kracek(1927) [8], trong đó tỉ lệ nồng độ Ra/Ba trong tinh thể kết tủa thì tỉ lệ thuận với tỉ lệ
nồng độ Ra/Ba trong dung dịch cuối.
 Ra 
= 

Ba dịch
 dung

 Ra 


 Ba 

tinh thể

(2.1)

Trong đó: D là hệ số đồng nhất. Luật phân phối biểu thị trạng thái cân bằng nhiệt động
lực, trong đó pha rắn được đồng nhất để loại bỏ các Gradient nồng độ.
Mối quan hệ này đóng vai trò quan trọng giúp theo dõi hành vi của Radium dựa trên
nguyên tố bền Barium. Ostlund (1984) chỉ ra rằng tỷ số

226
P

Ra/Ba hầu như không đổi trong
P

nước mặt của các đại dương.[13]
Dạng sắp xếp thứ 2 của Radium trong tinh thể được đặc trưng bởi phân bố Logarit
được Doerner và Hoskins [3] thể hiện qua phương trình (2.2):
log ∑

Ra

Ra tan

Trong đó:

= λ log

∑ Ba

Ba tan

(2.2)

là hệ số phân bố Logarit. Trong trường hợp này, luôn luôn có trạng thái

cân bằng nhiệt động học giữa dung dịch và các lớp nhỏ trên bề mặt tinh thể (không phải với
toàn bộ tinh thể mà chỉ giữ lại gradient hướng tâm).


2.3. Đồng vị của Radium
Tuy Radium có rất nhiều đồng vị nhưng chỉ có 4 đồng vị chính tồn tại trong tự
nhiên(223Ra, 224Ra, 226Ra và 228Ra). 4 đồng vị này được xuất hiện trong 3 chuỗi phóng xạ tự
P

P

P

P

P

nhiên xuất phát từ

P

P

P

U, 232Th, 235U. Trong đó

238
P

P

P

P

P

P

Ra có chu kỳ bán hủy lớn (1600 năm), độ

226
P

P

phổ cập cao (trên 99%) và có sản phẩm phân rã là

Rn nên được ứng dụng nhiều trong

222
P

P

nghiên cứu nước ngầm.
Bảng 2.2: Đặc điểm 4 đồng vị chính của Radium trong tự nhiên
Đồng vị
223
P

P

224
P

P

226
P

P

228
P

P

Năng lượng

Sản phẩm phân rã

T 1/2

Phân rã

Ra

11 ngày

alpha

5,99

219

Ra

3,7 ngày

alpha

5,789

220

Ra

1600 năm

alpha

4,871

222

Ra

5,8 năm

beta

0,046

228

R

phân rã (MeV)

P

P

P

P

P

P

P

P

Rn
Rn
Rn
Ac

Xét chuỗi phóng xạ 226Ra→222Rn và các con cháu:
P

226

P

P

P

Ra →222Rn→218Po→214Pb→214Bi →214Po→210Pb

Chuỗi này gồm 226Ra và sáu đồng vị con có các đặc trưng phân rã cho bởi bảng 2.3.
P

P

Nhìn chung các đồng vị này đều có tuổi thọ rất ngắn so với

Ra (cao nhất là 222Rn, T 1/2 =

226
P

P

P

P

R

R

3,825 ngày). Nếu không có nguyên nhân nào gây mất cân bằng thì trạng thái cân bằng trong
chuỗi được thiết lập tối đa sau vài tháng. Đây là cơ sở để xác định hoạt độ

226
P

Ra thông qua
P

Rn trong các nghiên cứu về địa chất, thủy văn.

222
P

P

Bảng 2.3: Đặc trưng phân rã của chuỗi 226Ra → 210Pb

P

Tên đồng vị
226
P

Ra
P

222
P

Rn
P

218
P

Po
P

T½
R

Phân rã

P

P

P

Năng lượng (Mev)
4,602 (5,5%)

Εγ (Ιγ)
MeV

1600y

α (100%)

3,824d

α (100%)

5,489 (100%)

0,51 (0,07)

3,05 m

α (100%)

6,002 (100%)

-

4,784 (94,5%)

0,18599 (3,28)


(RaA)
214
P

Pb
P

(RaB)

26,8 m

β− (100%)
P

Bi
P

(RaC)

19,8 m

β− (100%)
P

0,24198 (6,84)

0,672 (44,6%)

0,29521 (17,9)

0,729 (39,3%)

0,35192 (34,3)

1,024 (12,8%)

0,78591 (1,02)

1,07 (5,11%)

0.60931 (42,6)

1,51 (16,1%)

0.76836 (4,64)

1,54 (16,4%)

1.12029 (13,9)

3,27 (24%)

1.76449 (14,6)

P

214

P

0,185 (2,4%)

P

214
P

Po
P

(RaC’)

164µs

α (100%)

7,687 (100%)

-


Uranium-238

Uranium-234

4,5 triệu

240 000 năm

1,2
Protactinium

24 ngày
Thorium-234

Thorium-230
77 000 năm

Radium- 226
1 600 năm

Radon-222
3,8 ngày

Polonium- 218

Polonium- 214
160
160

3,1 phút

20 phút
Bismuth-214

5 ngày
Bismut
22 năm

27 phút
Lead- 214

Polonium- 210

Lead- 210

Hình 2.1: Chuỗi phóng xạ tự nhiên Uranium- 238

140
Lead- 206


Uranium-235
700 triệu năm
Protacnium- 231
33 000 năm
26 giờ
Thorium- 227

Thorium- 231

19 ngày

22năm
Actinium- 227
22năm

Radium- 223
22 phút

Francium-223
11 ngày
Radon- 219

4s
Polonium- 215
1,8 triệu

s
Bismuth- 211
2,1 phút
36 phút

Lead- 207

Lead- 211
48 phút
Thallium- 207
Hình 2.2: Chuỗi phóng xạ tự nhiên Uranium 235


Thorium- 228

Thorium- 232
14 triệu năm

6,1 giờ
Actinium- 228

5,8 năm
Radium- 228

Radium- 224
3,7 ngày

Radon- 220
56 s

Polonium- 216

Polonium- 212

0,15 s

61 phút
Bismuth- 212

Lead- 212 giờ

11
Lead- 208
3,1 phút
61 phút
Thallium- 208

Hình 2.3: Chuỗi phóng xạ tự nhiên Thorium- 232


2.4. Phân bố của 226Ra trong môi trường nước

Phân bố rộng rãi trên vỏ trái đất và có mặt trong hầu hết các loại đất đá, trong nước
mặt, nước ngầm,… với hàm lượng khác nhau, đặc biệt tập trung nhiều trong trầm tích và
các mẫu khoáng chứa Uranium và Thorium. Do đó những nơi gần quặng Uranium có hàm
lượng Radium rất cao, tiêu biểu nhất là quặng Uranium ở Bohemia, Cộng hòa Zaire. Ngoài
ra vùng Hồ lớn (Great Lake–Canada) và bang Colorado (US) được xem những nơi giàu
Radium trên thế giới.[14]
Là sản phẩm phân rã từ các đồng vị nguyên thủy, 226Ra tích tụ hàng vạn năm trong các
P

P

lớp trầm tích và một phần khuếch tán theo dòng chảy của nước ngầm qua các khe hở đất đá.
Hàm lượng 226Ra trong nước phụ thuộc vào thời gian lưu trú hay tốc độ dòng chảy của nước
P

P

(nước chảy càng chậm hàm lượng

Ra càng cao). Do đó nước dưới ngầm có hàm lượng

226
P

P

Ra rất cao so với nước mặt và nước đại dương.

226
P

P

Trong nước ngầm nồng độ

Ra có sự thay đổi mạnh tùy theo loại nước. Với nước

226
P

P

ngầm ngọt (fresh groundwater) hoạt độ vào khoảng 1-2 dpm/l (King et al. 1982), trong
nước mặn (saline groundwater) giá trị này cao hơn nhiều lần (Krishnaswami et al. 1991).
Sự thâm nhập của các đồng vị phóng xạ từ đá gốc vào nước ngầm diễn ra theo nhiều
cơ chế phức tạp được Freeze và Cherry nghiên cứu vào năm 1979 trên mô hình mẫu lõi
(hình 2.4) và đưa ra phương trình một chiều diễn tả sự thâm nhập của đồng vị I sinh ra từ
phân rã của P [5]
∂I W
∂I W
bWI I R + bε I λ P PR + I ADS k −1 + f I λ P PADS + λ P PW − Q I − λ I I W − k1I W (2.3)
+ v=
∂t
∂x

=
b

1 − n ρR
⋅

: Tỷ số khối của đá gốc và nước.
n ρW

(2.4)

ρ R , ρ W : khối lượng riêng của đá gốc và nước (g/cm3).
R

R

R

R

P

P

n: độ rỗng của đá gốc.
I W , P W : hàm lượng nhân con I và nhân mẹ P trong pha nước (g).
R

R

R

R

I R , P R : hàm lượng nhân con I và nhân mẹ P trong đá gốc (g).
R

R

R

R

I ADS , P ADS : hàm lượng I và P bám trở lại bề mặt đá (g).
R

R

R

R

k -1 : hằng số tốc độ bám của nhân I trở lại bề mặt đá (s-1).
R

R

P

k 1 : hằng số tốc độ tan của nhân I từ đá vào nước (s-1).
R

R

P

λ I , λ P : hằng số phân rã của I và P (s-1).
R

R

R

R

v: tốc độ di chuyển của nước (m/s).

P

P

P

P