Luận văn đánh giá bằng thực nghiệm ưu điểm của phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi và một số ứng dụng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.01 MB, 63 trang )
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
(1.7)
có dạng
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
. Do
nên phương trình (1.8) và
(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
khi đó ta có thể viết dưới dạng hoạt
độ như sau
6
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
Chu kỳ bán rã
Hạt nhân
Năng lượng
Hệ số phân
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
53,2
0,123
Ra 222
67,67
0,373
Rn
186,21
3,59
511
0,076
352
3,6
295
2
351,93
35,1
295,224
18,2
241,997
53,228
7,12
1,2
785,96
1,04
T1 /2
238
U
92
Th
4,51.109 năm
234
24,1 ngày
90
91
Pa
234m
234
1,175 phút
Pa
91
234m
9
6,7 giờ
Pa
91
92
2,48.105 năm
9
234
Th
90
U
230
Th
90
226
8,104 năm
Th 226
90
1622 năm
Ra
88
Rn
86
222
88
86
3,825 ngày
Po
84
218
Pb214
Po
218
84
At
218
85
Pb
82
214
3,05 phút
At
85
2 giây
26,8 phút
Bi
218
214
83
Bi
83
214
10
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
2
1
4
2
1
4
Bi
phút
Po
84
1377
,66
4,00
83
19,7
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
2
81 1
Tl
2
1
4
0
1,64.1
0-4s
2
1
0
11
80
1,
6,1
2
7
2
211
1,
8,55
1
166
4
1,28
1,
138
5
5,31
5
*
0,
7
5
*
Po
Pb
799,7
84
82
0,01
210
210
Tl
1,32 phút
231
81
Pb
82
2
1
0
19,4
năm
82
P
b
10
8
3B
i
2
4
6,
5
3
4,
2
5
80
3,1
0
0,001
22
210
210
Bi
83
ngày
5,00
Po
84
210
206
P
84
o
P
82
b
2
0
6
138,4
ngày
B
ền
8
2
P
b
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
U
92
235
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
Th
231
90
Th
90
231
25.64 giờ
Pa
90
At
231
229
90
12
*
90
Pa
231
3,43.104 năm
Ac
89
227
26,36
10,3
300,07
2,47
302,65
2,87
283,69
1,7
330,06
1,4
2
2
8
9
2
A
c
7
2
2
2
92
0
T
h
2
2
0
,0
2
2
1
88
50,13
9
8,00
256,25
7,002,69
2
1
329,85
5
2,67
2
2
3
2
2
3
87
Fr
8
6R
2
3
1
giây
Pb
82
438,8
0,04
2
8
2
P
b
3
,
7
8
2
3
,
5
3
,
9
2
g
i
â
y
2
1
,
1
8
3B
13
i
2
,
1
6
p
h
ú
t
7
8
6
8
4P
o
207
8
1
T
l
3
5
1
,
0
5
1
2
,
9
1
4
0
1
8 2
1
Tl
phút
Pb
82
897,
80
0,260
81
4,78
1
n
2 4P
1 o
p
h
út 2
7
1
88
R ,2
a 3
5
0,
1
3 1
0, 0
4 ,
9 8
7
2
1
1,83.10-3
211
7
2
Po
84
2
1
1
,
8
2
0
7
1
Po
giây
Pb
82
897,
80
0561
84
0,52
6
,
4
2
0
7
2
1
2
5
0
