Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong chè và đất đá dưới chân núi ở khu vực hòa bình

Luận văn thạc sĩ khoa học
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN TRỌNG HUY

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ
ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ
VÀ ĐẤT ĐÁ DƢỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2014

Nguyễn Trọng Huy


Luận văn thạc sĩ khoa học
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN TRỌNG HUY

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ
ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ
VÀ ĐẤT ĐÁ DƢỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

Hà Nội – 2014
Nguyễn Trọng Huy


Luận văn thạc sĩ khoa học
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU
ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT .......................................................................................... 3
1.1. Hiện tƣợng và qui luật phân rã phóng xạ .......................................................... 3
1.1.1.Quy luật phân rã phóng xạ ................................................................................. 3
1.1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ .................................................................................... 6
1.1.3. Hiện tượng cân bằng phóng xạ ......................................................................... 7
1.2. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên ............................................................................. 11
1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238U ....................................................................... 11
1.2.2. Chuỗi phóng xạ của đồng vị 235U .................................................................... 13
1.2.3. Chuỗi phóng xạ của đồng vị 232Th................................................................... 14
1.3. Đặc điểm của nồng độ phóng xạ trong mẫu đất đá và mẫu thực vật ............ 15
1.3.1. Nguồn gốc hạt phóng xạ chứa trong đất đá và thực vật ............................... 15
1.3.2. Nồng độ phóng xạ chứa trong thực vật .......................................................... 16
1.3.3. Nồng độ phóng xạ trong mẫu đất đá ............................................................... 18
Chƣơng 2 - PHƢƠNG PHÁP PHỔ GAMMA XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ
PHÓNG XẠ ................................................................................................................ 19
2.1. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp ..................................................................... 19
2.1.1. Dịch chuyển gamma ......................................................................................... 19
2.1.2. Tương tác của bức xạ gamma trong vật chất ................................................. 20
2.2. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phƣơng pháp phổ gamma........................... 22
2.2.1. Cơ sở của phương pháp ................................................................................... 22

2.2.2. Phương pháp phổ gamma xác định hoạt độ phóng xạ ................................... 24
2.2.3. Phổ gamma của các đồng vị phóng xạ tự nhiên ............................................. 28
2.3. Hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC ................................................................. 30
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................... 35
3.1. Kiểm tra hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC ................................................. 35
3.2. Xây dựng đƣờng cong hiệu suất ghi ................................................................. 37
3.2.1. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu thực vật .................................. 37
3.2.2. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu đất đá ..................................... 40


Luận văn thạc sĩ khoa học
3.3. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu thực vật ....................................... 43
3.3.1. Quy trình phân tích mẫu thực vật ................................................................... 43
3.3.2. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu chè .................... 43
3.3.3. Quy trình phân tích mẫu đất đá ....................................................................... 47
3.3.4. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu đất đá ........................... 47
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 52


Luận văn thạc sĩ khoa học
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
Danh mục bảng biểu
STT

Nội dung

Trang

1

Bảng 1.1. Dãy phóng xạ tự nhiên 238U

13

2

Bảng 1.2. Dãy phóng xạ tự nhiên 235U

14

3

Bảng 1.3. Dãy phóng xạ tự nhiên 232Th

15

4

Bảng 1.4. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu thực vật ở một số

18

điều kiện khác nhau
5

Bảng 2.1. Các đỉnh gamma có cường độ mạnh nhất do các đồng vị

26

phóng xạ tự nhiên phát ra.
6

Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của phổ kế gammar ORTEC

36

7

Bảng 3.2. Hoạt độ phóng xạ riêng của các mẫu chuẩn

37

8

38

10

Bảng 3.3. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần từ mẫu
chuẩn RGU-1 cho mẫu thực vật
Bảng 3.4. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần từ mẫu
chuẩn RGU-1 cho mẫu đất đá
Bảng 3.5. Hoạt độ phóng xạ mẫu lá chè búp Hòa Bin
̀ h

11

Bảng 3.6. Hoạt độ phóng xạ mẫu lá chè già Hòa Bình

45

12

Bảng 3.7. Kế t quả xác đinh
̣ hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ riêng (Bq/kg) của các

46

9

41
44

đồ ng vi ̣phóng xa ̣ tự nhiên trong các mẫu chè
13

Bảng 3.8. Hoạt độ phóng xạ mẫu đất đá ở khu vực Hòa Bình

48

14

Bảng 3.9. Hoạt độ phóng xạ riêng (Bq/kg) của mẫu đất ở một số

49

nước trên thế giới.
15

Bảng 3.10. Kế t quả phân tić h hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ riêng
mô ̣t số mẫu đấ t đá và chè ở ba khu vực

(Bq/kg) của

49


Luận văn thạc sĩ khoa học
Danh mục hình vẽ
STT

Nội dung

Trang

1

Hình 1.1. Sơ đồ phân rã 137Cs

137

2

Hình 1.2. Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và không bền

4

3

Hình 1.3. Quy luật phân rã phóng xạ

6

4

Hình 1.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian của hoạt độ

8

Ba +β

3

phóng xạ 99mTc và 99Mo
5

Hình 1.5. Đồ thị về cân bằng thế kỷ

10

6

Hình 1.6. Chuỗi phóng xạ của 238U và các sản phẩm tạo thành

12

7

Hình 1.7. Chuỗi phóng xạ của 235U và các sản phẩm tạo thành

13

8

Hình 1.8.Chuỗi phóng xạ của 232Th và các sản phẩm tạo thành

14

9

Hình 2.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC

31

10

Hình 2.2. Buồng chì ORTEC trong hệ phổ kế gamma phông thấp

31

ORTEC
11

Hình 3.1. Phổ phông của thiết bị gamma trong thời gian 104116s

35

12

Hình 3.2. Phổ nguồn chuẩn 60Co với thời gian đo 762,84 s.

36

13

Hình 3.3. Phổ gamma của mẫu chuẩn IAEA- RGU-1 với thời gian

38

đo 112180s
14

Hình 3.4. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi của mẫu RGU-1 chuẩn

39

15

Hình 3.5. Mẫu đo dạng hình trụ 121 g

40

16

Hình 3.6. Phổ gamma của mẫu chuẩn RGU1 121g được đo trong

41

thời gian 57464s

17

Hình 3.7. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi của mẫu chuẩn RGU-1

42

121g
18

Hình 3.8. Phổ gamma của mẫu chè búp Hòa Bin
̀ h

44

19

Hình 3.9. Phổ gamma của mẫu chè già Hòa Bình

45

20

Hình 3.10. Dạng phổ gamma của mẫu đất Hòa Bình 100g

48


Luận văn thạc sĩ khoa học
MỞ ĐẦU
Môi trường sống xung quanh chúng ta luôn tồn tại các đồng vị phóng xạ và

điều này đã xảy ra ngay từ khi Trái Đất mới được hình thành. Phông bức xạ tự
nhiên được sinh ra bởi các chất đồng vị phóng xạ chứa trong đất đá, nước, không
khí, thực phẩm, nhà chúng ta đang ở và ngay cả trong cơ thể chúng ta. Nói một cách
hình ảnh, thế giới chúng ta sống chìm ngập trong bức xạ. Con người không thể trốn
tránh mà chỉ có thể chung sống với các bức xạ ấy, nhưng chúng ta có thể lựa chọn
và đảm bảo cho mình một môi trường phóng xạ hợp lý nhất.
Quả vậy, khắp mọi nơi đều có chất phóng xạ. Các chất phóng xạ và các tia bức
xạ có thể đến Trái Đất từ những miền xa xôi trong vũ trụ bao la. Đó là những chất
phóng xạ tự nhiên. Chúng gồm có các đồng vị phóng xạ nguyên thủy có thời gian
sống dài và con cháu của chúng (có từ khi tạo thành trái đất) và các đồng vị phóng
xạ sinh ra do tương tác của các tia vũ trụ với bầu khí quyển của trái đất như

14

C

chẳng hạn. Đồng vị này liên tục được tạo thành do phản ứng hạt nhân giữa các bức
xạ vũ trụ có năng lượng cao với oxy và nitơ có trong lớp khí quyển gần bề mặt của
Trái đất. Tuy vậy, chúng phân bố không đều giữa nơi này với nơi khác vì hàm
lượng phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, tình
trạng sống của con người, vào cả vật liệu xây dựng và kiến trúc ngôi nhà để ở…
Ngoài ra, từ non một thế kỷ nay với sự phát triển của công nghệ hạt nhân,
trong môi trường đã xuất hiện những chất phóng xạ nhân tạo. Chúng sinh ra từ các
công nghệ ứng dụng đồng vị phóng xạ, từ các nhà máy điện hạt nhân và từ các vụ
thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Gần bốn thập kỉ thử nghiệm ồ ạt vũ khí nguyên tử đã đi
qua, nay trên nhiều vùng của Trái đất vẫn còn tồn tại những đồng vị phóng xạ như
cesium (137Cs), strongxi (90Sr), hydro nặng (3H)…, chúng còn lưu lại chủ yếu trong
đất, bùn đáy và một số động thực vật với hàm lượng thấp. Ngoài ra trong không khí
còn chứa các đồng vị phóng xạ

14

C và 7Be, là các đồng vị phóng xạ liên quan tới tia

vũ trụ.
Phổ biến nhất là đồng vị phóng xạ kali (40K), có thể nhận biết sự hiện diện của
đồng vị

40

K có nhiều trong rau, quả và cơ thể con người. Bên cạnh đó là các hạt

1


Luận văn thạc sĩ khoa học
nhân trong dãy phóng xạ uran và thori. Sự có mặt của các đồng vị phóng xạ luôn
ảnh hưởng dù ít hay nhiều đến tình trạng sức khỏe của con người và môi trường
xung quanh bởi sự tác động của bức xạ lên vật chất sống. Và con người từ khi ra
đời đã phải sống chung với phóng xạ và chịu ảnh hưởng của mọi loại phóng xạ. Do
đó, việc đo phóng xạ gamma của các đồng vị phóng xạ trong môi trường sống nhằm
xác định phông phóng xạ tự nhiên, khảo sát mức độ ô nhiễm phóng xạ do hoạt động
của con người tạo ra là việc làm quan trọng và cần thiết để giảm thiểu những rủi ro
gây ra do phóng xạ.
Từ những lý do trên, đề tài: “Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của một số
đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong chè và đất đá dưới chân núi ở khu
vực Hòa Bình” nhằm xác định hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị có trong một
số mẫu đất đá và chè , nhằ m đánh giá hoa ̣t đô ̣ phóng xa ̣ riêng của mô ̣t số đồ ng v

ị

nhân ta ̣o có thể còn đươ ̣c lưu giữ la ̣i trên bề mă ̣t núi đá .
Về mă ̣t lý thuyế t , bản luận văn có nhiệm vụ tìm hiểu cơ cở vật lý
pháp và kỹ thuật thực nghiệm xác định hoạt độ phóng xạ

, phương

riêng của các nguyên tố

phóng xa ̣ có trong mẫu đất đá và chè. Về thực nghiê ̣m tiế n hành đánh giá đư ợc mức
độ giảm phông của buồng chì, xây dựng đường cong hiê ̣u suấ t ghi và tiế n hành thử
nghiê ̣m phân tić h hoa ̣t đô ̣ phóng xạ riêng của một số mẫu chè và đất đá.
Luâ ̣n văn dà i 53 trang gồ m 20 hình vẽ, 15 bảng biểu và 18 tài liệu tham khảo.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn chia thành ba chương:
Chương 1. Tổng quan về tính chất phóng xạ của mẫu đất đá và thực vật.
Chương 2. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma.
Chương 3. Kết quả thực nghiệm.

2


Luận văn thạc sĩ khoa học
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ
CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT
1.1. Hiện tƣợng và quy luật phân rã phóng xạ
Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối uranium và những hợp chất của nó
phát ra những tia gồm 3 thành phần là tia  (alpha), tức là hạt 2He4, tia  (beta), tức
là hạt electron, và tia  (gamma), tức là bức xạ điện từ như tia X nhưng bước sóng
rất ngắn. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng phân rã phóng xạ (radioactive decay). Các
tia , ,  gọi là các tia bức xạ (radiation rays). Chúng đều có những tính chất như

có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên
thấu qua vật chất [3].
Dịch chuyển gamma xảy ra khi một đồng vị phóng xạ ở trạng thái kích thích
cao chuyển về trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản. Phân rã phóng
xạ có thể kéo theo hoặc không kéo theo dịch chuyển gamma.
1.1.1. Quy luật phân rã phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền, tự biến đổi thành hạt
nhân khác bằng cách phát ra tia ,  và . Hạt nhân phóng xạ gọi là hạt nhân mẹ, hạt
nhân tạo thành là hạt nhân con. Thí dụ:
137

Cs

137

(1.1)

Ba + β-

Hình 1.1. Sơ đồ phân rã
Hình 1.1 trình bày quá trình phân rã

137
137

137

Cs

Cs

137

Ba + β-

Ba + β-, gồm hai nhánh phát

beta, nhánh thứ nhất với hạt beta năng lượng 0,4959 MeV, hệ số phân nhánh 94,4%

3


Lun vn thc s khoa hc
v nhỏnh th hai vi ht beta nng lng 0,6617 MeV, h s phõn nhỏnh 5,6%. Ht
nhõn

137

Ba sau phõn ró theo nhỏnh th nht nm trng thỏi kớch thớch v tip tc

phõn ró gamma chuyn v trng thỏi c bn.
Phõn ró phúng x cú th kộo theo hoc khụng kộo theo dch chuyn gamma.
Tớnh phúng x ph thuc vo tớnh khụng bn vng ca ht nhõn do t s N/Z quỏ cao
hay quỏ thp so vi giỏ tr trung bỡnh (hỡnh 1.2) v quan h khi lng gia ht nhõn
m, ht nhõn con v ht c phỏt ra.
Z
100

Sp=0
Z=N

80

60

Caực haùt nhaõn
+
phoựng xaù
Sn=0
Caực haùt nhaõn ben

40

-

Caực haùt nhaõn phoựng xaù

20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

N

Hỡnh 1.2. Gin Z-N phõn bit cỏc ht nhõn bn v khụng bn [15].
Khi phõn ró phúng x s ht nhõn cha b phõn ró se gim theo thi gian.
Gi s ti thi im t, s ht nhõn cha b phõn ró phúng x l N.Sau thi gian
dt s ht ú tr thnh N - dN vỡ cú dN ht nhõn ó phõn ró. gim s ht nhõn
cha b phõn ró - dN t l vi N v dt :
- dN = Ndt

(1.2)

Trong ú h s t l gi l hng s phõn ró (decay constant), cú giỏ tr xỏc
nh i vi mi ng v phúng x. T cụng thc (1.2) ta cú :
dN
= - dt
N

(1.3)

Thc hin phộp ly tớch phõn cụng thc (1.3) ta cú :
N = N0e-t

(1.4)

4


Luận văn thạc sĩ khoa học
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, Nhà xuất bản
Đại học Quốc gia Hà Nội.
[2]. Trịnh Văn Giáp (2011), “ Điều tra khảo sát để xây dựng cơ sở dữ liệu phông
phóng xạ môi trường trên lãnh thổ đất liền giai đoạn 2009 – 2011” – Báo cáo
kết quả nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp bộ năm 2009 – 2011.
[3]. Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ
thuật.
[4]. Bùi Văn Loát (2009), Địa vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà
Nội.
[5]. Nguyễn Quang Long (2013), “Thiế t lâ ̣p cơ sở dữ liê ̣u phông phóng xa ̣ môi
trường Hà Nô ̣i (phầ n Hà Nô ̣i mở rô ̣ng ) và hoàn thiện bản đồ kĩ thuật số về
phông phóng xa ̣ môi trường Hà Nội tỷ lệ: 1:100.000” – Báo cáo tổng kết năm
2013.
Tiếng Anh
[6]. Al-Masri, M.S., H. Mukallati, A. Al-Hamwil, H. Khalili, M. Hassan, H. Assaf,
Y. Amin and A. Nashawati (2004), “Natural radionuclides in Syrian diet and
their daily intake”, J.dionalytical and nuclear Chemistry, 260(2): 405-412.
[7]. Audi, G. (2003), Nuclear Physics, A729 p. 337 – 676.
[8]. Abu-Khadra SA, Eissa HS (2008), “Natural radionuclides in different plants,
together with their corresponding soils in Egypt at Inshas region and the area
nearby, IX radiation physics & protection conference”, National Network of
Radiation Physics-Egyptian Atomic Energy Authority: Nasr city - Cairo.
[9]. Bui Van Loat, Nguyen Van Quan, Le Tuan Anh, Tran The Anh, Nguyen The

Nghia, Nguyen Van Hung (2009), “Studying of characteristic of GEM 40P4
HPGE detector by experiment”, VNU Journal of science, MathematicsPhysics 25, 231-236.

5


Luận văn thạc sĩ khoa học
[10]. Chibowski, S. (2000), “Studies of radioactive contamination and heavy metals
contents in vegetables and fruits”, J. Envir. Study, 9(4):249-253.
[11]. Denagbe, S.J., Radon-222 concentrantion in subsoils and its exhalation rate
from a soil sample, Radiation Measurements, 200. 32:p. 27-34.
[12]. Guivarch, A., P. Hinsinger and S. Staunton (1999), “Root uptake and
distribution of radiocaesium from contaminated soils and the enhancement of
Cs adsorption in the rhizosphere”, J. Plant and Soil, 211(1): 131-138.
[13].Huda Abdulrahman Al-Sulaiti (2011), “Determination of Natural Radioactivity
Levels in the State of Quatar Using High Resolution Gamma-ray
Spectrometry”, A thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy;
University of Surrey.
[14]. Kessaratikoon, P. and Awaekechi, S. (2008), “Natural radioactivity
measurement in soil samples collected from municipal area of Hat Yai
district in Songkhla province, Thailand”, KMITL Sci, J., Vol. 8.
[15]. K.N. Mukhin (1987), “Physics of atomic nucleus”, 59.
[16]. Nasim-Akhtar and M. Tufail (2007), “Natural radioactivity intake into wheat
grown on fertilized farms in twodistrict of Pakistan”, Radiation Protection
Dosimetry, 123(1):103-111.
[17]. ORTEC – MAESTRO – 32, ORTEC part No.777800
[18]. Winkelmann, G., N. Romanov, P. Goloshopov, P.Gesewasky, S. Mundisl, H.
Buchrodu, M. C.Brummer and W. Burkat (1998), “Measurement of
radioactivity in environment samples from the southern urals”, J. Rad. and
Envir, Biophysics 37(1): 57-61.

6