Đánh giá bằng thực nghiệm ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi và một số ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

BÙI THỊ HƢƠNG

ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA
PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1q – 50 - xb

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

BÙI THỊ HƢƠNG

ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM ƢU ĐIỂM CỦA
PHƢƠNG PHÁP CHUẨN NỘI HIỆU SUẤT GHI
VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lƣợng cao
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Bùi Văn Loát

Hà Nội – 2015


LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS-TS. Bùi Văn Loát là
người hướng dẫn khoa học đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình cho em trong quá trình học
tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật lý hạt nhân,
Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quốc Gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập
và thực hiện bản luận văn.
Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình và bạn bè đã thường
xuyên động viên, khuyến khích và dành mọi điều kiện có thể để em hoàn thành
luận văn này.
Hà nội, ngày

tháng 12 năm 2015
Học viên

Bùi Thị Hương


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. PHÂN RÃ PHÓNG XẠ ....................................................................3
1.1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ ...........................................................................3
1.1.1. Định nghĩa và đặc điểm của hiện tượng phân rã phóng xạ ..............................3

1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ................................................................................3
1.2. Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tƣợng cân bằng phóng xạ .............................5
1.2.1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp ...................................................................................5
1.2.2. Hiện tượng cân bằng phóng xạ .........................................................................7
1.3. Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên ...........................................................8
1.3.1. Dãy phóng xạ Urani ..........................................................................................9
1.3.2. Dãy phóng xạ Thori ........................................................................................14
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ...............................................16
2.1. Phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi ............................................................16
2.2.1. Phương pháp phổ gamma ...............................................................................16
2.1.2. Phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi . ..........................................................17
2.2. Hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra ..............................................18
2.2.1. Đầu dò bán dẫn BEGe, Model BE530 ............................................................20
2.2.2. Buồng chì: .......................................................................................................20
2.2.3. Khối tiền khuếch đại, model Canberra 2002C: ..............................................21
2.2.4. Khối khuếch đại phổ, model Canberra 2026: .................................................21
2.2.5. Khối cao thế, model Canberra 3106D: ...........................................................22
2.2.6. Khối phân tích đa kênh: ..................................................................................22
2.3. Phân tích phổ gamma ......................................................................................22
2.3.1. Mục đích phân tích phổ gamma ......................................................................22
2.3.2. Phần mềm phân tích phổ gamma ....................................................................24
2.3.3. Đường cong hiệu suất ghi của detecto ............................................................26
2.4. Một số hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo ...................................28
2.4.1. Hiệu ứng thời gian chết ...................................................................................28


2.4.2. Hiệu chỉnh chồng chập xung ...........................................................................28
2.4.3. Hiệu ứng cộng đỉnh .........................................................................................29
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ...................................................30
3.1. Xác định tỉ số hoạt độ của 208Tl / 228Ac trong nguồn TS5 .............................30

3.1.1. Nguồn không bọc chì đặt song song với bề mặt detecto .................................32
3.1.2. Nguồn bọc chì 1,5mm ......................................................................................33
3.2. Xác định tỷ số hoạt độ của một số đồng vị trong dãy

238

U ...........................36

3.2.1. Đánh giá tính cân bằng phóng xạ trong dãy 238U...........................................37
3.2.2. Xác định tỉ số hoạt độ 235U và 238U .................................................................39
3.3. Đánh giá sai số ..................................................................................................41
KẾT LUẬN ..............................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................44


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TÊN VIẾT TẮT
BEGe - Broad Energy Germaniumdetector - Đầu dò bán dẫn gecmani siêu tinh
khiết dải rộng.
FWHM - Full Width at Half Maximum, độ rộng nửa chiều cao của đỉnh, còn gọi là
độ phân giải năng lượng.
Iγ - Gamma ray intensity, cường độ bức xạ tia gamma, còn được gọi là xác suất
phát xạ.
ADC – Analog to Digital Converter, bộ biến đổi tương tự số.
MCA – Multichannel Analyzer, phân tích biên độ nhiều kênh.


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sơ đồ hê ̣ phổ kế gamma ............................................................................19
Hình 2.2. Hệ phổ kế gamma BEGe tại Bộ môn Vật lý hạt nhân Trường ĐHKHTHĐHQGHN ..................................................................................................................19
Hình 2.3. Phân tích phổ gamma bằng GammaVision 6.03. .....................................25

Hình 2.4. Nhận diện sơ bộ các đồng vị bằng công cụ FitzPeaks 3.66......................25
Hình 3.1: Mặt trước mẫu TS5 ...................................................................................31
Hình 3.2: Mặt sau mẫu TS5 ......................................................................................31
Hình 3.3: Phổ gamma của mẫu TS5 với cấu hình đo nguồn không bọc chì đặt song
song với mặt đềtéctơ thời gian đo 69270s ................................................................32
Hình 3.4. Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi của phổ gamma mẫu TS5 cấu hình
đo không bọc chì song song ......................................................................................33
Hình 3.5. Phổ gamma của mẫu TS5 với cấu hình đo bọc chì thời gian đo 83181 ...34
Hình 3.6. Đường cong chuẩnnội hiệu suất ghi của phổ gamma mẫu TS5 cấu hình đo
bọc chì .......................................................................................................................35
Hình 3.7. Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi của phổ gamma mẫu US2 ..............38


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị phóng
xạ trong dãy 238U .......................................................................................................10
Bảng 1.2. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị phóng
xạ trong dãy 235U .......................................................................................................12
Bảng 1.3. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị trong
dãy phóng xạ 232Th ....................................................................................................14
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm với cấu hình son song, thời gian đo 69270 giây ....32
Bảng 3.2. Cấu hình bọc chì thời gian đo 83181s ......................................................34
Bảng 3.3: Bảng so sánh kết quả thực nghiệm với hai cấu hình đo bọc chì và không
bọc chì .......................................................................................................................36
Bảng 3.4. Kết quả tỉ lệ hoạt độ của 208Tl và 228Ac với hai cấu hình đo khác nhau ...36
Bảng 3.5. Bảng số liệu kết quả xử lý đối với mẫu US2 ............................................37
Bảng 3.6. Bảng số liệu kết quả xử lý đối với hai đỉnh năng lượng 186,21keV và
185,75keV .................................................................................................................39
Bảng 3.7. Tỉ lệ hoạt độ của 235U và 238U theo lý thuyết và bằng thực nghiệm .........40

MỞ ĐẦU
Trong nhiều bài toán Vật lý hạt nhân liên quan tới tỉ số hoạt độ của hai đồng
vị trong mẫu đo. Trong [6] đưa ra công thức xác định độ giàu và tuổi của nhiên liệu
hạt nhân. Tuổi của nhiên liệu hạt nhân được xác định thông qua tỷ số hoạt độ
. Độ giàu đồng vị được xác định thông qua việc đo tỉ số hoạt độ
và

. Hiện nay độ giàu của nhiên liệu hạt nhân

cũng được xác định phổ biến theo phương pháp phổ gamma, trong đó phương pháp
xác định độ chảy theo tỉ lệ hoạt độ

cũng được ứng dụng. Trong

nghiên cứu tỉ số suất lượng đồng phân bằng phương pháp đo phổ gamma tỷ số suất
lượng cũng được xác định thông qua đo tỷ số hoạt độ.
Về nguyên tắc để xác định tỷ số hoạt độ cần xác định hoạt độ của từng đồng
vị một. Như đã biết, hoạt độ của đồng vị được xác định thông qua tốc độ đếm tại
đỉnh hấp thụ toàn phần của bức xạ gamma đặc trưng. Biết hiệu suất ghi tại đỉnh và
các hệ số hình học sẽ xác định được hoạt độ của đồng vị. Để nâng cao độ chính xác
[4] cần nâng cao hệ số tự hấp thụ trong mẫu, hiệu chỉnh sự hấp thụ của cửa sổ
detecto, hiệu chỉnh thời gian chết. Hiệu suất ghi được xác định dựa vào đường cong
hiệu suất ghi xây dựng được khi đo mẫu chuẩn có hình học giống như mẫu phân
tích. Nhưng với nhiều bài toán hình học mẫu đo hết sức khác nhau, việc tính toán
hình học đo cũng gặp nhiều khó khăn. Để khắc phục khó khăn trên trong [6] đưa ra
phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi.
Theo phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi tỷ số hoạt độ của hai đồng vị
được xác định dựa vào tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh của hai bức xạ
đặc trưng cho hai đồng vị quan tâm. Hai bức xạ được chọn có cùng năng lượng

hoặc năng lượng xấp xỉ nhau. Tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh
của một đồng vị được xác định trực tiếp thông qua việc đo phổ gamma của mẫu,.
Còn tỷ số tốc độ đếm chia cho hệ số phân nhánh

của đồng vị thứ hai thu

được từ đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi được xây dựng dựa vào các tỷ số
tại các năng lượng Eγ do đồng vị thứ hai gây ra.

1


Ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi là không cần mẫu chuẩn
và có thể áp dụng cho hình học đo bất kỳ. Mục tiêu của bản luận văn là kiểm tra
bằng thực nghiệm việc xác định tỷ số hoạt độ của hai đồng vị có trong mẫu không
cần mẫu chuẩn, không phụ thuộc vào hình học đo. Mục tiêu thứ hai là áp dụng
phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi để đánh giá trạng thái cân bằng của các đồng
vị phóng xạ trong dãy

238

U trong một nguồn, và tỷ số hoạt độ của

235

U và

238

U.

Ngoài phần mở đầu, kết luận. Luận văn được chia thành 3 chương
Chương 1. Tìm hiểu khái quát về phân rã phóng xạ, hiện tượng cân bằng
phóng xạ và một số đặc điểm của các dãy phóng xạ trong tự nhiên.
Chương 2. Trình bày các phương pháp thực nghiệm, phương pháp phổ
gamma, phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi, các hệ đo và hần mềm xử lý. Một số
phương pháp hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác kết quả đo.
Chương 3. Trình bày các kết quả thực nghiệm xác định tỷ số hoạt độ
trong mẫu TS5. Xác định tỷ số hoạt độ của
bằng thực nghiệm và tính toán lý thuyết.

2


CHƢƠNG 1. PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
1.1. Hiện tƣợng phân rã phóng xạ
1.1.1. Định nghĩa và đặc điểm của hiện tượng phân rã phóng xạ
Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền tự biến đổi thành hạt nhân của
nguyên tử khác kèm theo sự phóng ra các tia không nhìn thấy hoặc bắt electron biến
hoán nội. Khi hạt nhân ở trạng thái kích thích cao sẽ giải phóng năng lượng bằng
cách phát ra bức xạ gamma để trở về trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái
cơ bản được gọi là dịch chuyển gamma. Bình thường hạt nhân tồn tại ở trạng thái có
năng lượng thấp nhất được gọi là trạng thái cơ bản. Trạng thái kích thích của hạt
nhân có thể được hình thành trong phản ứng hạt nhân, hoặc do hạt phân rã phóng xạ
tạo thành hạt nhân con ở trạng thái kích thích. Vì vậy không có nguồn gamma thuần
túy nào, mà bức xạ gamma thường đi kèm với phân rã phóng xạ, hoặc trong quá
trình phản ứng hạt nhân xảy ra.
Hiện tượng phân rã phóng xạ là hiện tượng ngẫu nhiên, ta không thể biết khi
nào hạt phân rã phóng xạ để tạo thành hạt nhân con mà chỉ biết xác suất phân rã của
nó. Khi nghiên cứu hiện tượng phân rã phóng xạ ta phải nghiên cứu trên tập hợp lớn

các hạt nhân phóng xạ cùng loại, khi đó mới tìm ra quy luật phân rã của hạt nhân
phóng xạ đang xét. Cũng giống như những hiện tượng ngẫu nhiên khác, để đặc
trưng cho khả năng phân rã phóng xạ ta đưa vào khái niệm hằng số phân rã phóng
xạ . Hằng số phân rã phóng xạ

là xác suất để một hạt nhân phân rã phóng xạ

trong một đơn vị thời gian. Đối với hạt nhân phóng xạ thì hằng số phóng xạ là một
trong các đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phóng xạ của hạt nhân. Với một
đồng vị phóng xạ cho trước thì hằng số phân rã

không thay đổi khi các điều kiện

vật lý, hóa học thay đổi.
1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ
Xét một lượng đồng vị phóng xạ xác định, giả sử tại thời điểm ban đầu
số hạt nhân phóng xạ là

, do hiện tượng phóng xạ nên số hạt nhân phóng xạ sẽ

giảm dần theo thời gian

3


Giả sử tại thời điểm t số hạt nhân chưa phóng xạ là N, sau khoảng thời gian
dt hay ở thời điểm

, số hạt nhân chưa phóng xạ (số hạt nhân còn lại) là

. Lượng hạt nhân đã phân rã phóng xạ

phải tỉ lệ với khoảng thời gian

, tỉ lệ với số hạt nhân mẹ hiện có tại thời điểm và hằng số phân rã phóng xạ. Ta
có
hay
Hằng số phân rã phóng xạ

(1.1)

không đổi và đặc trưng cho mỗi đồng vị phóng

xạ cho trước. Từ phương trình (1.1) ta có
(1.2)
Lấy tích phân hai vế của phương trình (1.2) với điều kiện, ở thời điểm ban đầu
thì

ta thu được phương trình
(1.3)

Trong đó

là số hạt nhân mẹ chưa phân rã phóng xạ tại thời điểm . Biểu

thức (1.3) chính là quy luật phân rã phóng xạ mô tả sựu suy giảm số hạt nhân theo
thời gian.
Phương trình (1.3) thực chất là phương trình có tính chất thống kê, nó cho
biết số hạt nhân mẹ hi vọng còn tồn tại ở thời điểm . Tuy nhiên trong thực tế số hạt
là rất lớn nên quy luật được coi là xác định. Tức là số hạt nhân mẹ hi vọng còn

tồn tại và số hạt nhân mẹ còn tồn tại thực tế sai khác nhau không đáng kể [1,2,3]
Sử dụng định luật Avogadro ta có thể biểu diễn định luật phóng xạ cho khối
lượng của mẫu phóng xạ như sau
(1.4)
Phương trình (1.4) cũng có thể coi là phương trình của định luật phóng xạ.
Từ công thức (1.3) lấy logarit tự nhiên hai vế ta có
(1.5)
Chu kỳ bán rã T1/2 là khoảng thời gian để số hạt nhân giảm đi còn một nửa so
với số hạt nhân ban đầu. Từ công thức (1.3) ta có

4


Hoạt độ phóng xạ H là số phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Hoạt
độ phóng xạ được xác định theo công thức

Trong hệ đơn vị SI đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel (kí hiệu Bq) 1Bq=1
phân rã/giây
1.2. Chuỗi phóng xạ liên tiếp. Hiện tƣợng cân bằng phóng xạ
1.2.1. Chuỗi phóng xạ liên tiếp
1.2.1.1. Chuỗi hai hạt nhân phóng xạ liên tiếp
Giả sử đồng vị phóng xạ A (kí hiệu là hạt nhân 1) phân rãphóng xạ với hằng
số phóng xạ

tạo thành hạt nhân con là B (kí hiệu là hạt nhân 2). Đồng vị B lại

phân rã phóng xạ với hằng số phân rã là

tạo thành hạt nhân C

Áp dụng định luật phóng xạ (1.3) cho hạt nhân 1 và hạt nhân 2 ta được các phương
trình sau
(1.5a)
(1.5b)
Trong đó

là số hạt nhân 1 và số hạt nhân 2 tại thời điểm .

Chia cả hai vế của phương trình trên với

ta được

Nghiệm của phương trình (1.6) có dạng
(1.8)
Còn nghiệm của phương trình

có dạng

(1.7)

Trong đó N10 và N20 là số hạt nhân 1 và số hạt nhân 2 tại thời điểm t=0.

5


Nếu ban đầu trong mẫu không có hạt nhân 2 thì N20 = 0. Phương trình (1.9)
có dạng sau

a. Trường hợp ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ và chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ rất nhỏ
so với chu kỳ bán rã của hạt nhân con.

Với thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ và thỏa mãn
hàm

nên phương trình (1.8) và

. Do

(1.10) có dạng sau
(1.11)

Sau một thời gian đủ lớn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ nhưng đủ nhỏ so với
chu kỳ bán rã của hạt nhân con, hạt nhân mẹ đã phân rã hết trở thành hạt nhân con.
Trong khi đó hạt nhân con phân rã rất ít, và gần đúng coi số hạt nhân con chưa phân
rã xấp xỉ bằng N10
b. Trường hợp chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ rất lớn so với chu kỳ bán rã của hạt
nhân con.
Xét trường hợp đơn giản ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ không có hạt nhân con,
N20=0. Do

Với

biến đổi phương trình (1.9) ta có

sao cho

, biểu thức (1.13) có dạng

Chia cả hai vế cho N1(t) ta có công thức

Nhân cả hai vế của phương trình (1.14) với

độ như sau

6

khi đó ta có thể viết dưới dạng hoạt


Như vậy sau khoảng thời gan đủ lớn tỉ số hoạt độ của hạt nhân con và hạt nhân mẹ
không đổi
1.2.1.2. Chuỗi nhiều hạt nhân phóng xạ liên tiếp
Xét trường hợp đồng vị phóng xạ A (đồng vị 1) phân rã thành hạt nhân B
không bền (đồng vị 2). Hạt nhân B tiếp tục phân rã phóng xạ tạo thành hạt nhân C
không bền (đồng vị 3) lại tiếp tục phân rã thành hạt nhân D, cứ như vậy cho đến khi
tạo thành hạt nhân bền. Phương trình vi phân của hiện tượng phóng xạ liên tiếp có
dạng như sau

Nghiệm của N1 và N2 có dạng như là (1.8) và (1.9) tương ứng, còn N3 có nghiệm
tổng quát sau

Trường hợp ban đầu chỉ có hạt nhân mẹ, chưa có các hạt nhân con N20=N30=0
Khi đó phương trình (1.17) có dạng

1.2.2. Hiện tượng cân bằng phóng xạ
Xét trường hợp thực tế chu kỳ bán rã của hạt nhân đầu dãy rất lớn so với chu
kỳ bán rã của các hạt nhậ tiếp theo. Ta có T1/2,1 >>T1/2,2 và ban đầu chỉ có hạt nhân
đầu dãy chưa có các hạt nhân con N20=N30=…=0. Với thời gian t>>T1/2,2 tương tự

7

như dãy gồm hai đồng vị phóng xạ liên tiếp, lúc này sẽ xảy ra hiện tượng cân bằng
phóng xạ. Ta có
`

(1.18)

Tổng quát cho trường hợp dãy phóng xạ có n hạt nhân phóng xạ liên tiếp,
phương trình mô tả sựu cân bằng phóng xạ trong dãy như sau
(1.19)
Ý nghĩa của hiện tượng cân bằng phóng xạ: Trong thực tế muốn xác định
hàm lượng của đồng vị nào đó trong dãy về nguyên tắc ta phải xác định hoạt độ
phóng xạ của chính nguyên tố đó. Từ hoạt độ đo được, biết chu kỳ bán rã, xác định
được số hạt nhân có trong mẫu, từ đó suy ra hàm lượng. Tuy nhiên, trong nhiều
trường hợp việc xác định trực tiếp hoạt độ của đồng vị gặp khó khăn do nó không
phát bức xạ gamma cần phải đo hoạt độ theo phương pháp alpha hoặc beta, hoặc
bức xạ gamma đặc trưng do nó phát ra có cường độ nhỏ, nằm sát các vạch gamma
của nguyên tố khác. Vì hiện tượng cân bằng phóng xạ xảy ra thì hoạt độ của nguyên
tố này bằng hoạt độ của các nguyên tố khác trong dãy, nên ta đi xác định hoạt độ
của một đồng vị nào đó trong dãy. Đồng vị được chọn là đồng vị phát bức xạ
gamma có cường độ lớn, việc đo hoạt độ của đồng vị được chọn đơn giản hơn
nhiều.
1.3. Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên
Trong quá trình tổng hợp hạt nhân xảy ra hàng tỷ năm trước đây, nhiều đồng
vị không bền đã được tạo thành. Do tuổi của trái đất cỡ 4.5 tỉ năm, nên đến nay đa
số các đồng vị này đã phân rã phóng xạ hết, không còn tồn tại trong vỏ trái đất. Đó
là những đồng vị sống ngắn, có chu kỳ bán rã không vượt quá 150 triệu năm. Các
đồng vị phóng xạ sống lâu, có chu kỳ bán rã lớn hơn 500 triệu năm vẫn còn tồn tại
đến ngày nay và được chia làm 3 dãy phóng xạ. Đứng đầu là các đồng vị

238

U, 235U

và 232Th đều là những đồng vị phân rã phóng xạ alpha. Cả ba dãy phóng xạ trên đều
được kết thúc bởi các đồng vị chì bền 207Pb, 206Pb và 208Pb.

8


1.3.1. Dãy phóng xạ Urani
1.3.1.1. Một số đặc trưng cơ bản của Urani tự nhiên
Đặc điểm hóa học, Urani là nguyên tố kim loại màu xám bạc, bị oxit hóa
trong không khí tạo thành một lớp màu đen thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử là
92 trong bảng tuần hoàn, được kí hiệu là U. Hiện nay người ta đã phát hiện được 23
đồng vị Urani khác, nhưng phổ biến nhất là các đồng vị 238U và 235U. Tất cả đồng vị
của urani đều không bền và có tính phóng xạ yếu. Urani tự nhiên có 3 đồng vị là:
234

U (0.0055% ),

235

U (0.720% ) và

238

U ( 99.2745%). Urani có mặt trong tự nhiên

với nồng độ thấp khoảng 10-14 % trong đất, đá và nước.
Về đặc điểm phóng xạ, Urani phân rã rất chậm phát ra các hạt anpha. Chu kỳ

bán rã của

238

U là khoảng 4.47 tỉ năm và của

235

U là 704 triệu năm, do đó nó được

sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất [1].
Hiện tại, các ứng dụng của urani chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó.
235

U là đồng vị duy nhất, tồn tại trong tự nhiên, có khả năng phân hạch một cách tự

phát.

238

U có thể phân hạch bằng nơtron nhanh, và có thể được chuyển đổi thành

Plutoni-239 (239Pu), một sản phẩm có thể tự phân hạch được trong lò phản ứng hạt
nhân. Đồng vị có khả năng tự phân hạch khác là 233U có thể được tạo ra từ Thori tự
nhiên và cũng là vật liệu quan trong trong công nghệ hạt nhân.
Trong lĩnh vực dân dụng, Urani chủ yếu được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy
điện hạt nhân [2]. Ngoài ra, Urani còn được dùng làm chất nhuộm màu trong công
nghệ sản xuất thủy tinh và xử lý hình ảnh.
1.3.1.2.Chuỗi phân rã Urani tự nhiên:
235

U và 238U đứng đầu hai chuỗi phân rã phóng xạ 235U - 207Pb và 238U - 206Pb.

Các đặc trưng chu kỳ bán rã, kiểu phân rã cường độ và năng lượng các dịch chuyển
alpha hoặc năng lượng bức xạ beta cực đại của chuỗi phân rã phóng xạ
238

U-

206

235

U - 207Pb,

Pb được trình bày trong bảng 1.2 và 1.3. [7] Các đồng vị phóng xạ thuộc

dãy phóng xạ

238

U có số khối được mô tả bằng biểu thức: A = 4n + 2, với n là số

9


nguyên biến đổi từ 51 đến 59. Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy phóng xạ 235U có số
khối được mô tả bằng biểu thức: A = 4n + 3, với n có giá trị biến đổi từ 51 đến 58.

Bảng 1.1. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị

phóng xạ trong dãy 238U
Hạt nhân

238
92U

90Th

91Pa

234

234m

91Pa

234

234
92U

Chu kỳ bán rã

Hạt nhân

Năng lượng

Hệ số phân

T1/2

con

bức xạ gamma

nhánh Br

(keV)

(%)

49,55

0,063

113,50

0,0102

63,28

4,1

92,37

2,42

1001,03

0,837

766,38

0,294

131,30

0,029

230

53,2

0,123

226

67,67

0,373

222

186,21

3,59

218

511

0,076

352

3,6

295

2

351,93

35,1

295,224

18,2

241,997

7,12

53,228

1,2

785,96

1,04

4,51.109 năm

24,1 ngày

1,175 phút
6,7 giờ

234

90Th

91Pa

234m

234
92U

234
92U

2,48.105 năm

90Th

90Th

230

8,104 năm

88Ra

88Ra

226

1622 năm

86Rn

222

3,825 ngày

84Po

86Rn

Pb214
218

84Po

3,05 phút
218
85At

218

85At

214

82Pb

2 giây

26,8 phút

214
83Bi

214
83Bi

10


214
83Bi

19,7 phút

839,04

0,587

258,87

0,524

609,31

46,1

1764,49

15,1

1120,28

14,7

1238,11

5,78

2204,21

4,98

768,35

4,76

1377,66

4,00

934,06

3,03

1729,59

2,92

1407,98

2,15

1847,42

2,11

1155,19

1,63

2447,86

1,57

665,45

1,46

1280,96

1,42

1401,50

1,27

806,17

1,22

2118,55

1,14

1661,28

1,55

1385,31

0,75

*

*

210

799,7

0,01

210

231

214

84Po

210
81Tl

84Po

214

1,64.10-4s

82Pb

210
81Tl

1,32 phút

82Pb

82Pb

210

19,4 năm

210
83Bi

210
83Bi

5,00 ngày

84Po

210

138,4 ngày

82Pb

206

Bền

84Po
82Pb

46,53

4,25

803,10

0,00122

210
206

11


Sự phân rã của các đồng vị phóng xạ tự nhiên phát ra các bức xạ alpha () ,
beta () và gamma (). Năng lượng của bức xạ và chu kỳ bán rã đặc trưng cho đồng
vị phóng xạ. Trong ba loại bức xạ nói trên thì tia gamma được sử dụng nhiều nhất
vào mục đích phân tích vì [ 1,3]:
- Việc xác định năng lượng của tia gamma tương đối đơn giản và có thể đạt
được độ chính xác cao.
- Sự hấp thụ các tia gamma trong mẫu ít hơn so với sự hấp thụ các tia  và .
- Trong trường hợp các tia gamma bị hấp thụ vẫn có thể hiệu chính được một
cách chính xác.
Trong số các đồng vi con cháu của

238

U không phải đồng vị nào cũng đo được phổ

gamma một cách dễ dàng. Thực tế chỉ có 6 đồng vị trong bảng được gạch chân là có
thể đo được một cách tương đối dễ. Do vậy có thể đo hoạt độ của các đồng vị này từ
đó suy ra hoạt độ của các đồng vị trước đó trong chuỗi phân rã
Chuỗi phóng xạ

235

U, trong tự nhiên

235

U chỉ chiếm 0,72% tổng số Uran

nhưng do nó có chu kỳ bán rã lớn nên xét về phương diện bức xạ gamma thì tầm
quan trọng của nó không kém gì 238U
Bảng 1.2. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị
phóng xạ trong dãy 235U
Hạt nhân

235
92U

Thời gian bán

Hạt nhân con

Năng lượng

Hệ số phân

rã (T1/2)

bức xạ gamma

nhánh

7,13.108 năm

185,715

57,2

143,76

10,96

163,358

5,08

205,309

5,01

109,16

1,54

25,646

14,5

84,216

6,6

231
90Th

90Th

231

25.64 giờ

90Pa

231

229
90At

12

*


90Pa

231

3,43.104 năm
227

89Ac

227

89Ac

21,8 năm

227

223

18,4 ngày
88Ra

87Fr

223

21 phút

223

11,68 ngày

88Ra

88Ra

223

223

219

86Rn

219

86Rn

215

84Po

211

82Pb

211
83Bi

3,92 giây
1,83.10-3 giây

36,1 phút

2,16 phút

10,3

300,07

2,47

302,65

2,87

283,69

1,7

330,06

1,4

99,6

0,0056

235,97

12,3

50,13

8,00

256,25

7,002,69

329,85

2,67

50,13

0,497

269,459

13,7

154,21

5,62

323,87

3,93

329,85

3,22

271,23

10,8

401,81

6,4

438,8

0,04

227
90Th
87Fr

90Th

26,36

84Po

82Pb

215

211

At215

**

211

83Bi

404,85

3,78

832,01

3,52

427,08

1,76

207
81Tl

351,05

12,91

84Po

211

84Po

211

0,52 giây

82Pb

207

897,80

0561

207
81Tl

4,78 phút

82Pb

207

897,80

0,260

13


207

82Pb

Bền

Trong số các đồng vị này chỉ có đỉnh gamma của đồng vị
dàng đo được. Đỉnh của một số đồng vị khác như

227

Th,

223

Ra,

235

U là có thể dễ

219

Rn đo khó khăn

hơn. Mặc dù sai số đo đỉnh gamma của các đồng vị con có thể tương đối cao song
việc đo hoạt độ của chúng vẫn cho phép có những đoán nhận về hoạt độ của

235

U

hoặc kiểm tra về cân bằng phóng xạ trong mẫu.
1.3.2. Dãy phóng xạ Thori
1.3.2.1. Một số đặc trưng cơ bản của Thori

Thori nguyên chất là một kim loại có ánh bạc, có số nguyên tử là 90 trong
bảng hệ thống tuần hoàn. Hiện nay người ta đã phát hiện ra 7 đồng vị thori khác
nhau, trong tự nhiên chỉ có

232

Th .

Về đặc điểm phóng xạ, Thori không bền và có tính phóng xạ yếu nó phân rã
rất chậm phát ra các hạt alpha với chu kỳ bán rã khoảng 4,39 tỉ năm, do vậy Thori
cũng được sử dụng để xác định tuổi của trái đất.
1.3.2.2. Chuỗi phân rã Thori tự nhiên
232

Th đứng đầu chuỗi phân rã phóng xạ

232

Th –

208

Pb. Các đặc trưng chu kỳ

bán rã, kiều phân rã năng lượng các dịch chuyển được đưa ra trong bảng 1.3. Các
232

đồng vị phóng xạ thuộc dãy phóng xạ

Th có số khối được mô tả bởi công thức

A=4n với n là số nguyên biến đổi từ 52 đến 58
Bảng 1.3. Các bức xạ gamma đặc trưng và hệ số phân nhánh của các đồng vị trong
dãy phóng xạ 232Th
Đồng vị

Chu kỳ bán rã

Hạt nhân con

phóng xạ

Năng lượng

Hệ số phân

bức xạ

nhánh Br (%)

gamma (keV)
232

228

Th
Ra

9

4,39. 10 năm

228

6,7 năm

228

Ra

Ac

63,8

0,263

140,88

0,021

13,51
1,6

911,2

14

25,8

228

Ac

228

224
220

Th
Ra

Rn

6,13 giờ

1,91 năm

228Th

224

Ra

4,25

1588

3,22

409,5

1,92

772

1,49

84,373

1,22

215,98

0,254

240,98

4,1
0,114

Pb

804

0.0019

238,632

43,3

300

3,28

727,33

6,58

1620,5

1,49

39,85

1,06

228,2

0,337

583,2

30,4

510,77

8,13

860,564

4,47

1064 giờ

212

3,04.10-7 giây

212

Bi

Po

208

208

794,9

549,76

Pb

Tl

4,4

Po

212

208

463

55,3 giây

Rn

0,158 giây

Po

11,27

216

Po

212

338,3

220

212

Bi

15,8

3,64 ngày

216

212

969

Ti

60,5 phút

208

Pb

3,1 phút

208

Pb

Bền

Pb

Thực chất cho đến nay ngoài hai đồng vị 40K và 87Rb, trong tự nhiên tồn tại

các nguyên tố phóng xạ tự nhiên đều thuộc một trong ba dãy phóng xạ

235

U, dãy

phóng xạ 238U và dãy phóng xạ 232Th
Có thể nhận thấy rằng, cả ba dãy phóng xạ đều bắt đầu từ các hạt nhân phân rã α
có chu kỳ rất lớn so với chu kỳ bán rã của các hạt nhân con cháu trong dãy. Tuổi
của các mẫu quặng thực tế rất lớn, cỡ tuổi của Trái Đất, lớn hơn rất nhiều chu kỳ

15


bãn rã của các hạt nhân con, nên cả ba dãy phóng xạ cho đến nay đều xảy ra hiện
tượng cân bằng phóng xạ. Khi hiện tượng cân bằng phóng xạ xảy ra, hoạt độ phóng
xạ của nguyên tố trong cùng một dãy đều bằng nhau. Để đánh giá xem trong dãy
phóng xạ có xảy ra hiện tượng cân bằng hay không, thực nghiệm đi xác định tỷ số
hoạt độ của các đồng vị phóng xạ trong dãy
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Phƣơng pháp chuẩn nội hiệu suất ghi
2.2.1. Phương pháp phổ gamma
Các đồng vị phóng xạ khi phân rã alpha hoặc beta tạo thành các hạt nhân
khác. Hạt nhân con được tạo thành, thường ở trạng thái kích thích, sẽ phát ra các
bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng hoàn toàn xác định.
Sốbức xạ gamma có năng lượng xác định phát ra từ mẫu trong một đơn vị
thời gian tỷ lệ với hoạt độ phóng xạ của nguyên tố. Số bức xạ gamma đặc trưng có
năng lượng Eγ phát ra từ mẫu trong một đơn vị thời gian được xác định theo công
thức :
Nγ = IγH

(2.1)

Trong đó:
+) H là hoạt độ phóng xạ có trong mẫu
+) Iγ là cường độ tia gamma (hệ số phân nhánh) có năng lượng Eγ
Với tia gamma có năng lượng xác định, biết được Iγ , xác định số tia gamma có
năng lượng Eγ phát ra từ mẫu trong một đơn vị thời gian sẽ biết hoạt độ phóng xạ H
của đồng vị có trong mẫu. Để xác định Nγ dựa vào diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần
của bức xạ gamma đặc trưng.
Tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần ứng với tia gamma có năng lượng

được

xác định theo công thức:
n = Br.  .H
Trong đó:
+) H: là hoạt độ phóng xạ.
+)  : là góc khối nguồn nhìn Detector.

16

(2.2)


+)

là hiệu suất ghi.

+) Br: là hệ số phân nhánh.

Muốn xác định được hoạt độ H, ta phải biết chính xác các hệ số , Br,  trong công
thức (2.2). Thực nghiệm xác định được n suy ra H. Độ chính xác khi xác định H lại
phụ thuộc vào độ chính xác khi xác định các hệ số trên. Trên lý thuyết, để xác định
, ta phải có mẫu chuẩn giống với hình dạng mẫu phân tích. Thực nghiệm đo tốc độ
đếm suy ra hoạt độ H

2.1.2. Phương pháp chuẩ n nội hiê ̣u suấ t ghi .
Gọi tốc độ đếm tại đỉnh hấp thụ toàn phần của tia gamma tương ứng đặc trưng cho
hai đồng vị trên là n₁, n₂. Theo công thức (2.2), ta có các công thức sau.
n1 =

r1.  1.H1

n2 =

r2.  2.H2

(2.3)

Trong đó:
+)

và

lần lượt là hiệu suất ghi tương ứng với hai đỉnh năng lượng đang

xét.
+)  1 và  2 là góc khối nguồn nhìn đềtéctơ.
+) Br1 vàBr2 là xác suất phân nhánh của hai đỉnh gamma tương ứng.
+) H1 và H2 là hoạt độ phóng xạ của hai đồng vị đang xét.

Chia hai vế của công thức 2.3 cho nhau ta có:

Biến đổi công thức (2.4), ta có:

Do 2 đồng vị đang xét trên cùng một mẫu nên ta có  1 =  2. Ngoài ra nếu
thì công thức (2.5) sẽ trở thành:

17

