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 06

Luận văn thạc sĩ khoa học
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG 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 DƯỚI 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
TRƯỜNG 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 DƯỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng 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
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU
ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT............................................................................................................. 3
1.1. Hiện tượng 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

238

1.2.2. Chuỗi phóng xạ của đồng vị

U..................................................................................... 11

235

U................................................................................... 13

232

1.2.3. Chuỗi phóng xạ của đồng vị Th................................................................................. 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
Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ
PHÓNG XẠ..................................................................................................................................... 19
2.1. Cơ sở lý thuyết của phương 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 phương 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
Chương 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM................................................................................. 35
3.1. Kiểm tra hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC................................................................... 35


3.2. Xây dựng đường 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

1

Bảng 1.1. Dãy phóng xạ tự nhiên

238

2

Bảng 1.2. Dãy phóng xạ tự nhiên

235

3

Bảng 1.3. Dãy phóng xạ tự nhiên

232

4

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

U
U
Th

điều kiện khác nhau
5

Bảng 2.1. Các đỉnh gamma có cường độ mạnh nhất do cá
phóng xạ tự nhiên phát ra.

6

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

7

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

8

10

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

11

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

12

Bảng 3.7. Kết quả xác định hoạt độ phóng xạ riêng (Bq/k

9

đồng vị phóng xạ tự nhiên trong các mẫu chè
13

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

14

Bảng 3.9. Hoạt độ phóng xạ riêng (Bq/kg) của mẫu đất ở
nước trên thế giới.

15

Bảng 3.10. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng (Bq
một số mẫu đất đá và chè ở ba khu vực


Luận văn thạc sĩ khoa học

Danh mục hình vẽ
STT

Nội dung
137

1

Hình 1.1. Sơ đồ phân rã

2

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

3

Hình 1.3. Quy luật phân rã phóng xạ

4

Hình 1.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian củ
phóng xạ

99m

Tc và

Cs

99

Mo

5

Hình 1.5. Đồ thị về cân bằng thế kỷ

6

Hình 1.6. Chuỗi phóng xạ của

238

U và các sản phẩm tạo

7

Hình 1.7. Chuỗi phóng xạ của

235

U và các sản phẩm tạo

8

Hình 1.8.Chuỗi phóng xạ của

9

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

10

Hình 2.2. Buồng chì ORTEC trong hệ phổ kế gamma ph

232

Th và các sản phẩm tạo

ORTEC
11

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

12

Hình 3.2. Phổ nguồn chuẩn

13

Hình 3.3. Phổ gamma của mẫu chuẩn IAEA- RGU-1 vớ

60

Co với thời gian đo 762,84

đo 112180s
14

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

15

Hình 3.5. Mẫu đo dạng hình trụ 121 g

16

Hình 3.6. Phổ gamma của mẫu chuẩn RGU1 121g được
thời gian 57464s

17

Hình 3.7. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi của mẫu chuẩ
121g

18

Hình 3.8. Phổ gamma của mẫu chè búp Hòa Bình

19

Hình 3.9. Phổ gamma của mẫu chè già Hòa Bình

20

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


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
(

137

90

3

Cs), strongxi ( Sr), hydro nặng ( H)…, 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

7

C và Be, là các đồng vị phóng xạ liên quan tới tia vũ trụ.
40

Phổ biến nhất là đồng vị phóng xạ kali ( K), 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, nhằm đánh giá hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị nhân tạo có thể
còn được lưu giữ lại trên bề mặt núi đá.
Về mặt lý thuyết, bản luận văn có nhiệm vụ tìm hiểu cơ cở vật lý, phương pháp
và kỹ thuật thực nghiệm xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố phóng xạ
có trong mẫu đất đá và chè. Về thực nghiệm tiến hành đánh giá được mức độ giảm
phông của buồng chì, xây dựng đường cong hiệu suất ghi và tiến hành thử nghiệm
phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu chè và đất đá.
Luận văn dài 53 trang gồm 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
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ
CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT
1.1. Hiện tượng và quy luật phân rã phóng xạ
Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối uranium và những hợp chất của nó
4

phát ra những tia gồm 3 thành phần là tia (alpha), tức là hạt 2He , 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

Cs

7/2+

-

β 94,4%
-

β 5,6%
3/2+

0,0000 MeV
137Ba

Hình 1.1. Sơ đồ phân rã

137

Cs

137

β

137
137

Ba + β
-

-

Hình 1.1 trình bày quá trình phân rã
Cs
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


Luận văn thạc sĩ khoa học
và nhánh thứ hai với hạt beta năng lượng 0,6617 MeV, hệ số phân nhánh 5,6%. Hạt
nhân

137

Ba sau phân rã theo nhánh thứ nhất nằm ở trạng thái kích thích và tiếp tục

phân rã gamma để chuyển về trạng thái cơ bản.
Phân rã phóng xạ có thể kéo theo hoặc không kéo theo dịch chuyển gamma.
Tính phóng xạ phụ thuộc vào tính không bền vững của hạt nhân do tỉ số N/Z quá cao
hay quá thấp so với giá trị trung bình (hình 1.2) và quan hệ khối lượng giữa hạt nhân
mẹ, hạt nhân con và hạt được phát ra.
Z
100

80

60

40

20

0

Hình 1.2. Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và không bền [15].
Khi phân rã phóng xạ số hạt nhân chưa bị phân rã sẽ giảm theo thời gian.
Giả sử tại thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã phóng xạ là N.Sau thời gian dt
số hạt đó trở thành N - dN vì có dN hạt nhân đã phân rã. Độ giảm số hạt nhân chưa bị
phân rã - dN tỉ lệ với N và dt :
- dN =

Ndt

(1.2)

Trong đó hệ số tỉ lệ gọi là hằng số phân rã (decay constant), có giá trị xác định
đối với mỗi đồng vị phóng xạ. Từ công thức (1.2) ta có :
dN

N

= - dt

(1.3)

Thực hiện phép lấy tích phân công thức (1.3) ta có :

-t

(1.4)

N = N0e

4


Luận văn thạc sĩ khoa học
Trong đó N0 là số hạt nhân chưa bị phân rã ở thời điểm ban đầu t = 0, N là số hạt
nhân chưa bị phân rã ở thời điểm t. Đây là quy luật phân rã của hạt nhân phóng xạ.
Thời gian sống trung bình (average life time) của hạt nhân phóng xạ được
tính như sau:
tN(t)dt

N(t)dt

Thay

Hay :

T=

Công thức (1.5) cho thấy thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ bằng
nghịch đảo của hằng số phân rã.
Chu kì phân rã (decay period) là khoảng thời gian để số hạt nhân phóng xạ giảm
đi e=2,72 lần:
-T

N(T) = N0e

=

Thời gian bán rã T1/2 (half-life time là khoảng thời gian để số hạt nhân phóng xạ
giảm đi một nửa. Thay t = T1/2 vào (1.6) ta có :
N(T1/2) =

N0
2

= N0 e

T

1/ 2

Do đó T1/2
Hoạt độ phóng xạ (Radioactivity) là số phân rã của nguồn phóng xạ trong một
đơn vị thời gian :
H=-

dN

(1.8)


dt

5

Luận văn thạc sĩ khoa học

Hay ta có: H = N = N0e

-t

N0

1 N0
2

1

N0

4
1 N0

8

T1/2
2T1/2 3T1/2
Hình 1.3. Quy luật phân rã phóng xạ

t

1.1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ
1.1.2.1. Chuỗi hai phân rã phóng xạ

Ta xét chuỗi phân rã từ đồng vị 1, gọi là đồng vị mẹ, thành đồng vị 2, gọi là
đồng vị con, rồi đồng vị 2 phân rã thành đồng vị 3. Chuỗi phân rã này được miêu tả
bởi hệ hai phương trình sau:
dN1(t)= - 1N1(t)dt
dN2(t) = 1N1(t)dt - 2N2(t)dt
Trong đó N1(t) và N2(t) là số hạt nhân của các đồng vị 1 và 2 tại thời điểm t,
1

và

2

là các hằng số phân rã của các hạt nhân 1 và 2. Từ hai phương trình này ta

được hệ hai phương trình vi phân sau:
dN1

(t)

= - 1N1(t)

(t)

= 1N1(t) - 2N2(t)

dt
dN2
dt

Giải hệ hai phương trình vi phân trên ta đặt điều kiện ban đầu tại thời điểm t=0

như sau: số hạt nhân 1 là N1(0) = N10 và số hạt nhân 2 là N2(0) = N20. Khi đó ta được
các nghiệm bằng:

6


Luận văn thạc sĩ khoa học
N1(t) = N10 e

t

1

N2(t) =
Nếu ở thời điểm ban đầu chỉ có đồng vị 1 mà không có đồng vị 2, nghĩa là
N20 = 0 thì (1.15) trở thành:
N2(t) =
1.1.2.2.
Ta xét chuỗi gồm ba đồng vị phóng xạ nối tiếp nhau từ đồng vị mẹ 1 sang đồng
vị con 2, đồng vị con 2 sang đồng vị cháu 3, đồng vị cháu 3 lại tiếp tục phân rã.
Đồng vị 3 có số hạt tại thời điểm t là N 3(t), tại thời điểm t = 0 là N 30 và hằng số
phân rã là 3. Khi đó ta có hệ ba phương trình vi phân sau đây:
dN1

(t)

= - 1N1(t)

(t)

= 1N1(t) - 2N2(t)

(t)

= 1N1(t) + 2N2(t) - 3N3(t)

dt
dN2
dt
dN3
dt

Nghiệm đối với N1(t) và N2(t) có dạng (1.14) và (1.15) còn nghiệm đối với
N3(t) như sau:
N3 (t) N30 e λ3t

Nếu ở thời điểm ban đầu chỉ có đồng vị 1 mà không có đồng vị 2 và đồng vị 3,
nghĩa là N20 = 0 và N30 = 0 thì (1.20) trở thành:


1.1.3. Hiện tượng cân bằng phóng xạ

7


Luận văn thạc sĩ khoa học
1.1.3.1 . Cân bằng động
Xét trường hợp chuỗi hai phân rã phóng xạ với N 20 = 0, nếu đồng vị mẹ 1 có
hằng số phân rã nhỏ hơn hằng số phân rã của đồng vị con 2, nghĩa là

1

< 2 và các thời

gian bán rã của chúng xấp xỉ bằng nhau T 1/2,1 T1/2,2 thì các đồng vị đó thiết lập một
trạng thái cân bằng phóng xạ động. Từ biểu thức (1.16) thấy rằng, sau khoảng thời
gian t lớn thì số hạng thứ hai trong dấu ngoặc đơn có thể bỏ qua so với số hạng thứ
nhất và (1.16) trở thành:
N2(t) =
Nhân cả hai vế biểu thức này với

2

và chú ý rằng

thức cân bằng phóng xạ động như sau:
N2λ2
N1λ1

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

99

99m

Tc

Mo. Đây là một ví dụ về cân bằng tạm thời trong phân rã phóng xạ[2].

Vế trái của biểu thức (1.23) chính là tỷ số hoạt độ của hạt nhân con và hoạt độ
của hạt nhân mẹ. Trạng thái cân bằng động được thiết lập khi thời gian đủ lớn so với
chu kỳ bán rã. Khi trạng thái cân bằng xảy ra trong quá trình phân rã tỷ số hoạt độ
của hạt nhân con và hạt nhân mẹ như nhau, và hoạt độ của cả hạt nhân mẹ và

8


Luận văn thạc sĩ khoa học
hạt nhân con đều suy giảm theo thời gian tuân theo quy luật hàm số mũ với chu kỳ
bán rã của hạt nhân mẹ.
1.1.3.2. Cân bằng thế kỷ
Nếu đồng vị mẹ có thời gian bán rã rất lớn so với thời gian bán rã của đồng vị
con, nghĩa là T1/2,1 >> T1/2,2 thì sau khoảng thời gian t đủ lớn cỡ từ 8 chu kỳ bán rã
của hạt nhân con, các đồng vị mẹ và con sẽ đạt tới trạng thái cân bằng bền, thỏa mãn
hệ thức:
N1 1=N2 2
Từ (1.24) ta được:
N

1

N2

Có thể sử dụng biểu thức (1.25) để xác định thời gian bán rã của Ra
được thời gian bán rã của Rn

T

222

226

nếu biết

và số hạt nhân NRa và NRn như sau:

1/2,Ra

Suy rộng cho một chuỗi nhiều đồng vị phóng xạ nối tiếp nhau ở trạng thái cân
bằng bền, ta có:
N1

1

= N2

2

= . . . . . . = Nn

n

Công thức (1.27) có nghĩa rằng, khi đạt đến sự cân bằng phóng xạ bền, hoạt độ
phóng xạ của các đồng vị trong chuỗi phân rã đều bằng nhau.. Từ (1.27) ta thu được
biểu thức tương tự như (1.26):
N1 : N2 : . . . . . : Nn = T1/2,1 : T1/2,2 : . . . . . . : T1/2,n
Trong cân bằng thế kỷ, hạt nhân mẹ có tốc độ phân rã rất chậm với hoạt độ gần
như không thay đổi trong nhiều chu kì bán rã, trong khi đó các hạt nhân con được
tạo ra rồi phân rã tiếp. Trong hệ kín, các hạt nhân con có thể đạt tới hoạt độ như của

hạt nhân mẹ. Có hai điều kiện quan trọng cần có để đạt tới cân bằng này :
1. Hạt nhân mẹ phải có chu kì bán rã lớn hơn rất nhiều so với các hạt nhân con

(ví dụ của

238

9

U là 4,468 × 10 năm) [9].

9


Luận văn thạc sĩ khoa học
2. Hệ đã tồn tại trong một thời gian dài, ví dụ như mười chu kì bán rã, để các

sản phẩm phân rã được tạo ra [11].
Nếu chu kì bán rã của hạt nhân mẹ lớn hơn hạt nhân con rất nhiều (nghĩa là
λ1<< λ2) thì hạt nhân con sẽ bức xạ nhanh hơn và tốc độ phân rã của hạt nhân mẹ về
cơ bản là một hằng số, trong mọi trường hợp thực tế thì e t 1. Sử dụng phương trình
1

(1.6) sẽ xác định được
N

Dưới đây là một ví dụ về cân bằng thế kỷ mà hạt nhân con và hạt nhân mẹ có

Ví dụ, tỉ lệ hoạt độ
226

6 chu kì bán rã của Ra. Tuy nhiên, trong một số quá trình địa chất, chuỗi phóng xạ
U gồm các nguyên tố khác nhau, có thể xảy ra sự mất cân bằng phóng xạ. Do

Radi tan trong nước nhiều hơn Thori nên trong nước thường có tỉ lệ

còn trong đất thì tỉ lệ này nhỏ hơn hoặc bằng 1 [2].

Hình 1.5. Đồ thị về cân bằng thế kỷ cho thấy hạt nhân mẹ
năm) và hạt nhân con

226

230

Th (t1/2 = 7,538×10

Ra (t1/2 = 1600 năm) đã đạt tới điểm cân bằng như thế nào [2].

5


10


Luận văn thạc sĩ khoa học
1.2. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên
Vào khoảng 10

10

năm trước khi Hệ Mặt trời hình thành, hiđro và heli sinh ra từ

vụ nổ Big Bang (khoảng 1,5 10

10

năm trước) đã hợp nhất thành các nguyên tố để tạo

thành các sao, và sau đó là sao mới và sao siêu mới. Trong quá trình đó, Trái đất đã
được hình thành từ mảnh vụn của các ngôi sao chết.
Hầu hết các nguyên tố ban đầu đều có tính phóng xạ. Tuy nhiên, chỉ có một số
đồng vị phóng xạ có chu kì bán rã tương đối lâu so với tuổi của Trái đất và chúng là
thành phần chính trong phóng xạ tự nhiên mà ngày nay chúng ta còn quan sát được.
Chúng có thể được chia thành ba chuỗi phóng xạ chính, bắt đầu từ
rã 4,5 tỉ năm),

232

Th (chu kì bán rã 14,1 tỉ năm) và

235

238

U (chu kì bán

U (chu kì bán rã 700 triệu

năm).

Để hiểu được phổ gamma của các đồng vị này, cần phải biết rõ sơ đồ phân rã
của chúng theo chuỗi cũng như tính chất của các đồng vị con cháu có mặt trong
chuỗi. Các bảng 1.1, bảng 1.2 và bảng 1.3 đưa ra sơ đồ phân rã của các đồng vị
phóng xạ mẹ

238

U,

235

U và

232

Th. Các sơ đồ này không phải là đầy đủ vì còn thiếu

một số nhánh phân rã nhỏ. Tuy nhiên những nhánh này không quan trọng nếu xét
theo quan điểm của người sử dụng hệ phổ kế gamma.
1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị
Chuỗi phân rã của đồng vị
238

238

238

U

U được đưa ra trong bảng 1.1. Trong tự nhiên,

U chiếm 99.25% của lượng uran tự nhiên. Đồng vị

rã alpha thành đồng vị

238

U là đồng vị phóng xạ phân

234

Th. Đồng vị này cũng là đồng vị phóng xạ và phân rã thành

234m

Pa. Chuỗi phân rã này tiếp diễn cho đến đồng vị cuối cùng của chuỗi này là đồng
206

vị bền Pb. Nếu nhìn vào chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ trong chuỗi, ta
thấy chu kỳ bán rã của tất cả các đồng vị này đều ngắn hơn nhiều so với chu kỳ bán
rã của đồng vị mẹ
238

238

U. Điều này có nghĩa rằng hoạt độ của các đồng vị con cháu của

U trong khối uran tự nhiên không bị xáo trộn sẽ cân bằng vĩnh viễn với
238

238

U. Hoạt

độ của các đồng vị con cháu này sẽ bằng với hoạt độ của
U. Tổng số trong chuỗi
phân rã có 14 đồng vị phóng xạ nên hoạt độ tổng của khối này sẽ lớn

11


Luận văn thạc sĩ khoa học
hơn hoạt độ của đồng vị

238

U hoặc của bất kỳ đồng vị phóng xạ nào trong chuỗi 14

lần.
Cũng có trường hợp đồng vị con có chu kỳ bán rã dài hơn so với đồng vị mẹ.
Chẳng hạn như trường hợp

234m

Pa/

234

U. Nếu chỉ quan tâm đến

234m

Pa thì hiện tượng

cân bằng phóng xạ sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, cần nhớ rằng đối với những nguồn có
thời gian kể từ khi nó được chế tạo lớn hơn 10 lần chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ
trước đó có thời gian sống dài nhất, trong ví dụ này là của
như của đồng vị

238

234m

Pa, thực chất cũng gần

U. Trong thực tế, điều này có nghĩa rằng hoạt độ đo được trong

mẫu của bất kỳ đồng vị con cháu nào cũng gần như là hoạt độ của đồng vị mẹ

238

U

và của tất cả các đồng vị phóng xạ khác có trong chuỗi phân rã. Có thể đo hoạt độ của
vài đồng vị trong chuỗi để có đoán nhận chính xác hơn.
Trong số các đồng vị con trong chuỗi phân rã của

238

U không phải đồng vị nào

cũng có thể đo gamma một cách dễ dàng. Thực tế chỉ có 6 đồng vị trong bảng 1.1 đã
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 và từ đó suy ra hoạt độ của các đồng vị trước đó trong chuỗi
phân rã. Chú ý cần phải kiểm tra về điều kiện cân bằng vì phương pháp này chỉ đúng
cho mẫu cân bằng. Có thể đo hoạt độ của các đồng vị trong chuỗi như
226

Ra và

214

Pb,

214

Bi và

210

234

Th,

Pb để kiểm tra điều kiện cân bằng này.

Hình 1.6. Chuỗi phóng xạ của

238

U và các sản phẩm tạo thành [13].

12

234m

Pa,


Luận văn thạc sĩ khoa học
Bảng 1.1. Dãy phóng xạ tự nhiên

238

U
Đồng vị phóng xạ

238U

234Th
234Pa
234U

230Th
226Ra
222Rn

218Po
214Pb
214Bi

214Po
210Pb
210Bi

210Po

206Pb

Trong số các đồng vị con trong chuỗi phân rã của

238

U chỉ có 5 đồng vị trong

bảng 1.1 đã được gạch chân là có thể đo được bằng phổ kế gamma một cách tương
đối dễ.
1.2.2. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị
Trong tự nhiên, đồng vị phóng xạ
Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị

235

235

U

U chỉ chiếm 0.72% trong tổng số uran.

235

U được đưa ra trong bảng 1.2. Chuỗi phân rã

này có 12 đồng vị bao gồm 11 tầng phân rã và có 7 loại hạt alpha có năng lượng khác
nhau được phát ra trong chuỗi này.

Hình 1.7. Chuỗi phóng xạ của

235

U và các sản phẩm tạo thành [13].
13


Luận văn thạc sĩ khoa học
Bảng 1.2. Dãy phóng xạ tự nhiên

235

U

Đồng vị phóng xạ
235U

231Th
231Pa
227Ac
227Th

223Fr

223Ra
219Rn

215Po
211Pb
211Bi

Pb
Trong số các đồng vị này, chỉ có đỉnh gamma của đồng vị
207

227

223

235

U là có thể dễ

219

dàng đo được. Đỉnh của một số đồng vị khác như
Th, Ra và Rn đo khó khăn
hơn. Mặc dù sai số đo đỉnh gamma của các đồng vị con có thể tương đối cao nhưng
việc đo hoạt độ của chúng cũng vẫn cho phép có những đoán nhận về hoạt độ của
235

U hoặc kiểm tra về cân bằng phóng xạ của mẫu.
1.2.3. Chuỗi phân rã phóng xạ của đồng vị
Đồng vị

232

Th

232

Th chiếm 100% trong tự nhiên.Chuỗi phân rã của đồng vị phóng xạ

này được trình bày trong hình vẽ 1.8. Chuỗi phân rã này bao gồm 10 tầng và phát ra 6
loại hạt alpha.

Hình 1.8. Chuỗi phóng xạ của

232

Th và các sản phẩm tạo thành [13].
14