Xác định tọa độ của một số nguyên tố bằng phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất

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

LÊ THỊ MỘNG THUẦN

Người hướng dẫn: Thầy HOÀNG ĐỨC TÂM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành vật lý hạt nhân

Thành phố Hồ Chí Minh-tháng 5 năm 2009


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, em
đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, hướng dẫn và động viên của quý thầy cô, gia đình
và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Thầy Hoàng Đức Tâm đã tận tình hướng dẫn những kiến thức chuyên môn và
những kinh nghiệm quý báu giúp em hoàn thành luận văn.
Các thầy phụ trách phòng thí nghiệm đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành
việc đo đạc thực nghiệm.
Gia đình và tập thể lớp lý Cử Nhân K-31 đã động viên em trong suốt thời gian
học đại học cũng như thời gian thực hiện luận văn này.


MỞ ĐẦU
Các nhân phóng xạ có ở khắp nơi trong môi trường sống của chúng ta. Môi trường đang chịu tác
động ngày càng lớn từ những hoạt động của con người như: quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa,
thăm dò, khai thác tài nguyên…Song song đó khoa học công nghệ đặc biệt là kỹ thuật hạt nhân ngày

càng phát triển và hiện đại. Và vấn đề về phóng xạ môi trường cũng là mối quan tâm hàng đầu. Nghiên
cứu phóng xạ môi trường bắt đầu bằng việc đo hoạt độ của các mẫu môi trường: đất, nước, bụi khí…
Có hai phương pháp xác định hoạt độ mẫu môi trường
 Phương pháp tương đối: mẫu cần đo được đo cùng dạng hình học với mẫu chuẩn. Tỉ số của diện
tích đỉnh tương ứng với nguyên tố quan tâm trong hai phổ dùng để tính hoạt độ.
 Phương pháp tuyệt đối: dùng đường cong hiệu suất để xác định trực tiếp hoạt độ.
Phương pháp tương đối cho kết quả chính xác cao nhưng việc làm mẫu chuẩn đòi hỏi mất nhiều
thời gian và công sức. Và càng khó khăn, tốn kém hơn khi phải chuẩn bị một loạt những mẫu chuẩn
với những hoạt độ xác định để đo kèm với mẫu. Do đó, nếu trong một phạm vi sai số cho phép thì
phương pháp tuyệt đối - tính hoạt độ dựa vào đường cong hiệu suất - là một phương pháp tương đối
hiệu quả, kinh tế và dễ thực hiện. Luận văn này sẽ trình bày chi tiết về “Xác định hoạt độ của một số
nguyên tố bằng phương pháp xây dựng đường cong hiệu suất”.
Luận văn được hình thành trên cơ sở: tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế
gamma phông thấp - phòng thí nghiệm vật lý hạt nhân trường đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí
Minh, từ đó xây dựng đường cong hiệu suất ghi của detector đối với mẫu khối hình trụ, và áp dụng vào
xác định hoạt độ của một nguyên tố điển hình là 40K trong mẫu chuẩn đơn IAEA-RGK-1; mẫu chuẩn
đa nguyên IAEA-375 (vì hai mẫu này đã biết hoạt độ 40K do IAEA cung cấp), và một số mẫu đất. Sau
đó đem so sánh với kết quả có sẵn để kiểm tra tính đúng đắn của đường cong hiệu suất cũng như
phương pháp tính hoạt độ trực tiếp này. Bố cục luận văn gồm:
 Mở đầu : giới thiệu nội dung và mục đích đề tài.
 Chương I: Tóm tắt về cơ sở lý thuyết và tổng quan về ghi đo bức xạ.
 Chương II: Thực nghiệm: trình bày các bước xây dựng đường cong hiệu suất, tính toán hiệu
suất detector cho mẫu khối hình trụ, các thao tác chuẩn bị mẫu, đo mẫu, và cách tính hoạt độ
40

K bằng đường cong hiệu suất.

 Kết luận: tổng kết đề tài và một số nhận xét.

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ GHI ĐO
BỨC XẠ
1.1. Các nguồn phóng xạ
Các nguồn phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân
tạo. Các nguồn phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ Trái Đất và các tia vũ trụ. Các nguồn phóng xạ nhân
tạo do con người tạo ra bằng cách kích hoạt các hạt nhân trong lò phản ứng, sản phẩm của các phản
ứng hạt nhân…Sau đây ta sẽ tìm hiểu chi tiết về các nguồn phóng xạ này.

1.1.1. Các nguồn phóng xạ trong tự nhiên:
1.1.1.1. Bức xạ vũ trụ
Các bức xạ proton, alpha,…năng lượng cao từ không gian rơi vào khí quyển Trái Đất gọi là các
tia vũ trụ sơ cấp. Trên đường đi đến Trái Đất, chúng tương tác với bầu khí quyển và sinh ra các tia vũ
trụ sơ cấp.
Các tia vũ trụ sơ cấp
- Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành những nhóm sau:
 Nhóm p gồm proton, deutron và trion
 Nhóm  gồm  và 23 He
 Nhóm các hạt nhân nhẹ (Z= 3 5) gồm Lithium, Beryllium và Boron.
 Nhóm các hạt nhân trung bình (Z= 69) gồm Cacbon, Oxygen, Nitrogen và Flourine.
 Nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z 10.
 Nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z 20.
 Nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với Z 30.

Bảng 1-1Thành phần hóa học của các tia vũ trụ sơ cấp.

Nhóm hạt
nhân

Z

N/Nnặng trong tia
vũ trụ sơ cấp

Giá trị trung bình
của N/Nnặng trong vũ
trụ

p

1

650

3360

6830



2

47

258

1040


Hạt nhẹ

3-5

1

10-5

10-5

Trung bình

6-9

3.3

2.64

10.1

Nặng

 10

1

1

1

Rất nặng

 20

0.26

0.06

0.05

Siêu nặng

 30

 0.3*10-4

0.6*10-5

Với N/Nnặng là tỉ số giữa số hạt của nhóm đang xét so với số hạt của hạt nhân nặng. Hai cột cuối
ứng với số liệu thực nghiệm.
Từ bảng trên ta thấy rằng các tia vũ trụ sơ cấp, trong vật chất của vũ trụ chủ yếu gồm các hạt
proton và anpha. Trong vật chất vũ trụ tỉ số N/Nnặng lớn hơn rất nhiều lần so với trong tia vũ trụ. Ngược
lại, thành phần các hạt siêu nặng và các hạt nhẹ trong tia vũ trụ lớn hơn rất nhiều lần so với vật chất
trong vũ trụ.
Các tia vũ trụ thứ cấp
Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do các tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển. Tia
vũ trụ thứ cấp được chia thành ba phần:
Thành phần kích hoạt hạt nhân gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,).
Thành phần cứng gồm các hạt muon, sinh ra do sự phân rã của các hạt pion tích điện:
   +  (1.1)
Các muon năng lượng cao có khả năng đâm xuyên rất lớn do mất năng lượng rất ít đối với các
quá trình ion hóa và bức xạ hãm trong môi trường.

Thành phần mềm gồm các electron, psitron và gamma. Tia gamma năng lượng cao được sinh ra
đồng thời với các hạt hadron do quá trình phân rã hạt pion trung hòa:
o   +  (1.2)
Các gamma năng lượng cao này khi xuyên qua môi trường, sinh các cặp electron-positron rồi các
cặp eletron-positron này sinh ra các tia gamma hãm. Quá trình này cứ xảy ra cho đến khi năng lượng
các eletron và positron giảm đến cỡ 72 MeV.
Các hạt sơ cấp có năng lượng rất lớn, sau khi được tạo ra, chúng tiếp tục ion hóa môi trường khí
quyển. Các hạt thứ cấp này hoặc bị hấp thụ, hoặc bay xuống mặt đất. Cường độ các tia vũ trụ sơ cấp
phụ thuộc vào độ cao của bầu khí quyển. Thành phần hadron giảm rất nhanh theo chiều cao từ trên
xuống. Thành phần electron- photon có cường độ lớn ở độ cao lớn và bị hấp thụ rất nhanh, khi xuống
mặt đất cường độ không đáng kể so với thành phần hạt muon.


1.1.1.2. Bức xạ có nguồn gốc từ Trái Đất
Các nhân phóng xạ trong vỏ Trái Đất chủ yếu gồm các họ phóng xạ uranium (238U) và actinium
(235U), thorium (232Th) và các hạt nhân phóng xạ nhẹ khác như 40K, 87Rb,…Sau đây là các sơ đồ phân
rã của các họ phóng xạ.
Bảng 1-2: Chuỗi 238U  206Pb

Đồng vị

Kiểu phân rã

Năng lượng

Cường độ(%)

bức xạ (MeV)

Chu kỳ bán

rã

238

U

α

4,2

100 %

4,47*109 năm

234

Th

β

0,2 và 0,1

56% và 44%

24,1 ngày

234

Pa

β

0,5 và 1,2

90% và 10%

1,18 phút

234

U

α

4,8

100%

2,44*105 năm

230

Th

α

4,7 và 4,6

75% và 25%

7,7*104 năm

226

Ra

α

4,8 và 4,6

93% và 7%

1600 năm

222

Rn

α

5,5

100%

2,382 ngày

218

Po

α

6,0

100%

3,05 phút

214

Pb

β

0,7

100%

26,8 phút

214

Bi

β

3,2 và 1,7

23% và 77%

19,8 phút

Po-214

α

7,7

100%

1,64*104 giây

Pb-210

β

0,03

100%

22,3 năm

Bi-210

β

1,2

100%

5,01 ngày

Po-210

α

5,3

100%

138,4 ngày

Pb-206

đồng vị bền

-

-

-

Năng lượng

Cường độ

Chu kỳ bán

Bảng 1-3: Chuỗi Actinium 235U  207Pb

Đồng vị

Kiểu phân rã

bức xạ (MeV)

rã

235

U

α

4,5

100%

7,04*108 năm

231

Th

β

0,2

100%

25,6 giờ

231

Pa

α

5,0 và 4,7

8,4% và 16%

3,25*104 năm

227

Ac

β

0,02

100%

21,8 năm

227

α

6,1 và 5,8

46% và 54%

18,72 ngày

223

Ra

α

5,7 và 5,5

76% và 24%

11,4 ngày

219

Rn

α

6,7 và 6,3

84% và 16%

3,96 giây

α

7,4

100%

1,78*10-3 giây

Th

215

Po


211

β

0,5 và 6,6

20% và 80%

36,1 phút

α

6,6 và 6,3

84% và 16%

2,13 phút

207

Tl

β

1,5

100%

4,76 phút

207

Pb

trạng thái bền

-

-

-

Cường độ(%)

Chu kỳ bán

Pb

211

Bi

Bảng 1-4: Chuỗi thorium: 232Th  208Pb

Đồng vị

Kiểu phân rã

Năng lượng
bức xạ (MeV)

rã

232

Th

α

4,0

100%

1,4*1010 năm

228

Ra

β

0,002

100%

5,75 năm

228

Ac

β

1,6%

100%

6,13 giờ

228

Th

α

5,4 và 5,3

72% và 28%

9,91 năm

224

Ra

α

5,7 và 5,4

95% và 5%

3,64 ngày

220

Rn

α

6,3

100%

55,6 giây

216

Po

α và 0,014% β

6,8

212

Pb

β

0,3 và 0,6

212

Bi

66,3% β

2,3

0,15 giây
0,24

88% và 12%

60,6 phút

5,6 và 5,8

1% và 2%

và 33,7% α

6,0 và 6,1

70% và 27%

212

Po

α

8,8

100%

3,0*10-5 giây

208

Tl

β

1,8

100%

3,05 phút

208

Pb

trạng thái bền

-

-

-

Ba họ phóng xạ có đặc điểm chung là: hạt nhân thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu. Họ
thorium với hạt nhân đầu tiên là

232

Th với thời gian bán rã bằng 1.4*1010 năm nên hầu như thorium

không giảm trong quá trình tồn tại của Trái Đất. Hạt nhân đầu tiên
sống 4.5*109 năm nên nó bị phân rã một phần, còn

238

U của họ uranium có thời gian

235

U có thời gian bán rã 7*108 năm nên phân rã

đáng kể. Vì vậy trong vỏ Trái Đất rất nhiều thorium, còn lượng 235U bé hơn 140 lần so với thorium.
Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của
nguyên tố radon: trong họ uranium khí 222Rn được gọi là radon; trong họ thorium, khí 220Rn được gọi là
thoron và trong họ actinium khí

219

Rn được gọi là actinion. Radon là khí trơ, không tham gia bất kỳ

phản ứng hóa học nào, là tác nhân gây ung thư hàng đầu trong các chất gây ung thư phổi. Trong không
khí radon và thoron ở dạng nguyên tử tự do, sau khi thoát ra từ vật liệu xây dựng, đất đá, chúng phân rã
thành chuỗi các đồng vị phóng xạ con cháu, nguy hiểm nhất là 218Po.


Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ đều là chì:

206

Pb trong họ uranium,

207

Pb trong họ

actinium và 208Pb trong họ thorium.

Ngoài các họ phóng xạ trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử
thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được liệt kê trong bảng 1.5
Bảng 1-5: Một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp

Độ giàu
Hạt nhân

đồng vị
(%)

T1/2
(năm)

Hoạt độ

Năng lượng bức xạ

riêng

(MeV)

(Bq/kg)







K-40

0.0118

1.3*109

31635

1.33

1.46

V-50

0.25

6*105

0.11

0.78

1.55

Rb-87

27.9

4.8*1010

8.88*105

0.28

Re-187

62.9

4.3*1010

8.88*10-3

0.003

In-115

95.8

6*1014

184.26

Pt-190

0.013

6.9*1011

13.32

La-138

0.089

1.12*1011

765.9

Nd-144

23.9

2.4*105

9.25

1.88

Sm-148

11.27

>1014

4.07

4.01

Hf-176

2.6

2.2*1010

3.18

0.048
0.28

0.81

8.88*10-2 0.043 0.043

0.31

Một trong những nguồn đồng vị trên, 40K rất phổ biến trong môi trường. Hàm lượng trung bình
trong đất đá khoảng 27 g/kg; trong đại dương khoảng 380 mg/L; trong động vật, thực vật và cơ thể con
người vào khoảng 1.7 g/kg.

1.1.2. Các nguồn phóng xạ nhân tạo
Các nguồn đồng vị nhân tạo gồm các đồng vị phóng xạ phát ra các tia bức xạ anpha, bêta và
gamma, các nguồn neutron phát ra theo các phản ứng hạt nhân (, n) hoặc (, n).


Các chất đồng vị phóng xạ khi phân rã anpha hoặc bêta thường kèm theo phát gamma. Do đó
nguồn này có thể được coi là nguồn anpha, bêta hoặc gamma tùy theo mục đích sử dụng.
Bảng 1-6: Các nguồn phóng xạ anpha, bêta và gamma thường dùng

Tên
Americium

Ký hiệu
241

Am

Loại bức

Năng lượng

xạ

(MeV)



5.48



0.06



0.67

10.6 năm

T1/2
458 năm

Krypton

85

Strontium

90

Sr



2.27

28 năm

Cobalt

60

Co



1.173 ; 1.32

5.27 năm

Caesium

137



0.66

30 năm

Kr

Cs

131

Iodine

I



0.08; 0.248;
0.364; 0.637

8 ngày

Tecnecium

99m

Tc



140.5

6 giờ

Photphorus

32

P



1.711

15 ngày

1.2. Sơ lược về hệ phổ kế gamma
1.2.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất và sự hình thành phổ
1.2.1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất:
Hiệu ứng quang điện
Quang electron
Epc=E-K

M
K
Photon E

L
(a)

(b)
Tia X

(c)

Electron Auger
ECA=K-L-M

(d)
Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện

Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất, toàn bộ
năng lượng của nó truyền hết cho electron, electron này bay ra khỏi nguyên tử được gọi là quang


electron (photoelectron hình a, b ). Phần năng lượng dư ra chuyển thành động năng của quang electron
bay ra. Năng lượng dưới dạng động năng của quang electron được tính như sau:
Ee= E - b

(1.1)

Với E = h* là năng lượng photon tới.
b là năng lượng liên kết của electron ở lớp vỏ nguyên tử trước khi bị bức ra.
Khi electron ở lớp K bay ra để lại một lỗ trống, electron lớp ngoài có thể chuyển vào lấp đầy lỗ trống
và phát ra tia X đặc trưng (hình c), hoặc electron Auger (hình d).
Hiệu ứng quang điện không xảy ra với electron tự do vì không đảm bảo định luật bảo toàn năng
lượng và động lượng.Thật vậy:

Định luật bảo toàn năng lượng:
E  Ee  E 'e


hc



me

 me c 2 

1

2

v
c2

c2





1
2 
 E  me c
 1
2



v
 1 2

c





E
1

 1 (1.2)
2
me c
1  2

v2
với   2
c
2

Định luật bảo toàn động lượng:
 
P  Pe





me
E
v

c
1  2



me  c
E

c
1  2

E


2
me c
1  2

(1.3)

Từ (1.2) và (1.3) ta có:
1
1  2

1 


1  2