Nghiên cứu ứng dựng phương pháp phổ gamma tự nhiên đánh giá tính phóng xạ đất đá trên bề mặt tại miền trung nước lào

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

SOMSAVATH LEUANGTAKOUN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỰNG PHƯƠNG PHÁP
PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN ĐÁNH GIÁ TÍNH PHĨNG XẠ
ĐẤT ĐÁ TRÊN BỀ MẶT TẠI MIỀN TRUNG NƯỚC LÀO
.

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

SOMSAVATH LEUANGTAKOUN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỰNG PHƯƠNG PHÁP
PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN ĐÁNH GIÁ TÍNH PHĨNG XẠ
ĐẤT ĐÁ TRÊN BỀ MẶT TẠI MIỀN TRUNG NƯỚC LÀO.

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 9440130.04

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Bùi Văn Loát

TS. Phan Việt Cương

Hà Nội - 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án này là cơng trình nghiên cứu riêng của tơi, các
dữ liệu và kết quả nghiên cứu được nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng
được người khác công bố trong các cơng trình khác.

Tác giả

SOMSAVATH LEUANGTAKOUN

i


LỜI CẢM ƠN
Bản Luận án được hồn thành tại Bợ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Bùi Văn Loát và TS. Phan Việt Cương. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối
với hai thầy đã tận tình hướng dẫn, đợng viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian
nghiên cứu và hoàn thành Luận án này.
Hoàn thành bản Luận án này, tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Bộ
môn Vật lý hạt nhân, Lãnh đạo Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học, Ban Giám hiệu
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Tác giả cũng cám ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo
Việt Nam đã cấp học bổng và Đại sứ quán Lào tại Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ
Nghiên cứu sinh hoàn thành Bản Luận án này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Viện Y học Phóng xạ và U bướu Qn
đợi, Trung tâm Vật lý hạt nhân Viện Vật lý, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân,

Trung tâm Mơi trường và Hóa học Qn sự đã tạo điều kiện cho Nghiên cứu sinh
tiến hành thí nghiệm, phân tích mẫu trong suốt thời gian làm Luận án.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã đợng
viên, giúp đỡ trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án này.

Tác giả

SOMSAVATH LEUANGTAKOUN

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC.................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................... x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .........................................................................................viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHĨNG XẠ VÀ TÍNH CHẤT
PHĨNG XẠ CỦA VỎ TRÁI ĐẤT .......................................................................... 5
1.1. Phóng xạ tự nhiên và tính chất phóng xạ của đất đá............................................ 5
1.1.1. Phơng phóng xạ tự nhiên ....................................................................... 5
1.1.2. Hạt nhân phóng xạ tự nhiên trên bề mặt Trái Đất ................................. 6
1.1.3. Tia vũ trụ ................................................................................................ 8
1.1.4. Các dạng phân rã phóng xạ tự nhiên trong đất đá ............................................ 8
Hiện tượng chiếm electron............................................................................. 10
1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ liên tiếp và hiện tượng cân bằng phóng xạ ................. 12
1.2.1. Quy luật phân rã phóng xạ ................................................................... 12

1.2.2. Chuỗi phân rã phóng xạ liên tiếp ......................................................... 13
1.2.3. Hiện tượng cân bằng tạm thời và cân bằng bền................................... 13
1.2.4. Ba dãy phóng xạ 238U, 232Th và 235U.................................................... 15
1.3. Các thông số đánh giá mức đợ nguy hiểm phóng xạ tự nhiên trong mẫu đất ... 16
1.3.1. Liều chiếu và suất liều chiếu ............................................................... 16
1.3.2. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ ......................................................... 17
1.3.3. Các thơng số đánh giá tính phóng xạ của đất đá ................................. 17
1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước ............................................. 20
1.4.1. Các nghiên cứu trên Thế giới............................................................... 20
1.4.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam và Lào..................................................... 26
Tiểu kết Chương 1 .................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ...................... 29
2.1. Hệ phổ kế gamma .............................................................................................. 29

iii


2.1.1. Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế gamma ................ 29
2.1.2. Các đặc trưng cơ bản của phổ kế gamma ............................................ 31
2.1.2.1. Vài nét cơ bản tương tác của bức xạ gamma với vật chất ................ 31
2.1.3. Một vài thông số của các hệ hệ phổ kế gamma sử dụng trong Luận án .... 36
2.2. Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu .................................................................. 41
2.2.1. Về địa lý khu vực nghiên cứu và nguyên tắc chọn vị trí lấy mẫu ....... 41
2.2.2. Đặc điểm chung địa chất khu vực nghiên cứu ..................................... 42
2.2.3. Quy trình lấy mẫu ................................................................................ 44
2.2.4. Xử lý mẫu và tạo mẫu phân tích ....................................................... 44
2.2.5. Nguồn và mẫu chuẩn phóng xạ ........................................................... 45
2.3. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ theo phương pháp
phổ gamma ................................................................................................................ 47
2.3.1. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ bằng phổ

kế gamma bán dẫn ......................................................................................... 47
2.3.2. Xác định hoạt độ riêng của 238U cân bằng và không cân bằng ............ 48
Tiểu kết Chương 2 .................................................................................................... 54
CHƯƠNG 3 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HOẠT
ĐỘNG PHĨNG XẠ RIÊNG TRÊN HỆ PHỔ KẾ GAMMA NHẤP NHÁY VÀ
BÁN DẪN ................................................................................................................ 29
3.1. Phương pháp ma trận xác định hoạt độ 40K, 226Ra, 232Th trong mẫu bằng hệ phổ
gamma nhấp nháy NaI(Tl) ........................................................................................ 55
3.1.1. Cơ sở của phương pháp ....................................................................... 55
3.1.2. Xây dựng phương trình xác định hoạt độ 40K,

226

Ra và

232

Th trên phổ

kế gamma nhấp nháy ..................................................................................... 57
3.1.3. Phân tích đối chứng với các phòng thí nghiệm uy tín ......................... 59
3.2. Phát triển phương pháp chuẩn nợi hiệu suất ghi nâng cao đợ chính xác ............... 59
3.2.1. Đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi ................................................... 59
3.2.2. Kết hợp sử dụng đường cong hiệu suất ghi tương đối và hiệu suất ghi
tuyệt đối tại vạch năng lượng 1460,82 keV nâng cao đợ chính xác .............. 62
3.2.3. Xác định hoạt đợ phóng xạ riêng của các đồng vị 40K,226Ra và 232Th . 64

iv

3.2.4. Áp dụng đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi đánh giá trạng thái cân
bằng phóng xạ giữa 226Ra và 238U .................................................................. 65
3.3. Hiện chỉnh kết quả đo, đánh giá sai số kết qủa phân tích .................................. 68
3.3.1. Hiệu chỉnh sự sai khác giữa khối lượng mẫu chuẩn và mẫu phân tích 68
3.3.2. Cơng thức trùn sai sơ ....................................................................... 69
3.3.3. Các nguồn gây ra sai số ....................................................................... 69
Tiểu kết Chương 3 .................................................................................................... 70
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 71
4.1. Hoạt độ phóng xạ riêng của

40

K,

226

Ra,

232

Th và Radi tương đương trong mẫu

đất .............................................................................................................................. 71
4.1.1. Hoạt đợ phóng xạ riêng

40

K,

226

Ra,

232

Th và Radi tương đương theo

nhóm địa chất ................................................................................................. 71
4.1.2. Đánh giá đóng góp của các đồng vị

40

K,

226

Ra và

232

Th vào hoạt đợ

Radi tương đương. ......................................................................................... 76
4.2. Hoạt đợ phóng xạ riêng 40K,

226

Ra,

232

Th và hoạt đợ Radi tương đương theo vị

trí địa lý ..................................................................................................................... 77
4.2.1. Đặc điểm chung ................................................................................... 77
4.2.2. Hoạt độ phóng xạ riêng của 40K........................................................... 81
4.2.3. Hoạt đợ phóng xạ riêng của 226Ra........................................................ 83
4.2.4. Hoạt đợ phóng xạ riêng của 232Th........................................................ 85
4.3. Các hệ số phóng xạ nguy hiểm do các đồng vị phóng xạ trong đất gây ra ....... 86
4.3.1. Hoạt độ Radi tương đương ................................................................. 88
4.3.2. Suất liều hấp thụ trong khơng khí trên bề mặt đất cao 1 m. ................ 89
4.3.3. Liều hiệu dụng chiếu ngoài hàng năm ................................................. 89
4.3.4. Các chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài và chiếu trong ............................... 89
Tiểu kết Chương 4 .................................................................................................... 90
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 91
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN .. 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 93
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 104

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số đặc trưng của 4 dãy phóng xạ tự nhiên ........................................ 6
Bảng 1.2. Các vạch gamma có cường độ mạnh lớn do các đồng vị phóng xạ trong 3
dãy phóng xạ tự nhiên phát ra ................................................................ 11
Bảng 1.3. Hoạt đợ phóng xạ riêng của 40K, 226Ra và 232Th trên thế giới ................. 25
Bảng 2.1. Thơng số của buồng chì che chắn detector .............................................. 38
Bảng 2.2. Một số thông số đặc trưng của các detector sử dụng trong Luận án ........ 39
Bảng 2.3a. Diện tích dân số và số điểm lấy mẫu trong 3 tỉnh miền trung nước

CHDCND Lào .......................................................................................... 41
Bảng 2.3b. Đưa ra tổng số mẫu được chọn theo các nhóm điạ chất ......................... 42
Bảng 2.4. Các đặc trưng của nguồn chuẩn phóng xạ sử dụng trong Luận án .......... 45
Bảng 2.5. Hiệu suất ghi tuyệt đốicủa detector tại các đỉnh đặc trưng ...................... 50
Bảng 2.6. Ngưỡng phát hiện của hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe tại Viện Y học
Phóng xạ và U bướu Quân đội ................................................................ 52
Bảng 2.7a. Kết quả xác định hoạt đợ phóng xạ riêng của mẫu chuẩn IAEA 375 ... 53
Bảng 3.1. Vùng cửa sổ năng lượng đặc trưng cho 40K, 226Ra và 232Th..................... 56
Bảng 3.2. Một số thông số của mẫu chuẩn dùng để xác định hệ số aik .................... 57
Bảng 3.3. Các kết quả xác định tỉ só hoạt đợ

214

Pb/214Bi và

238

U/214Bi với ba cấu

hình khác nhau bằng phương pháp chuẩn nội hiệu suất ghi ................... 61
Bảng 3.4. Hiệu suất ghi tại đỉnh hấp thụ toàn phần năng lượng 1460,8 keV với mật
độ mẫu khác nhau ..................................................................................... 63
Bảng 3.5. Phân tích thử nghiệm mẫu chuẩn thứ cấp TN1 theo đường cong chuẩn nội
hiệu suất ghi ............................................................................................. 65
Bảng 3.6. Kết quả đánh giá tỷ số hoạt độ

238

U và 226Ra của một số mẫu địa chất và

đất ............................................................................................................. 67
Bảng 4.1. Hoạt đợ phóng xạ riêng của

40

K,

226

Ra,

232

Th và hoạt đợ Radi tương

đương theo các nhóm loại đất .................................................................. 71
Bảng 4.2. Giá trị trung bình và dải biến thiên hoạt đợ phóng xạ riêng của 40K, 226Ra
và

232

Th và hoạt độ Radi tương đương trong đất đá lấy từ 30 huyện khác

nhau trong 3 tỉnh miền trung Lào. ............................................................ 78

vi


Bảng 4.3. So sánh hoạt độ phóng xạ riêng của 40K, 226Ra và 232Th trong mẫu đất tại
3 tỉnh miền trung Lào với mẫu đất của một số nước trên thế giới và các

tỉnh của Việt Nam giáp 3 tỉnh miền trung Lào......................................... 82
Bảng 4.4. Các chỉ số nguy hiểm trong mẫu đất tại miền trung Lào và thế giới. ...... 87

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các nguồn gây ra liều trung bình hàng năm cho con người ...................... 5
Hình 1.2. Quy luật suy giảm của hạt nhân phóng xạ theo thời gian ......................... 12
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ phổ kế HPGe ............................................................... 29
Hình 2.2. Quá trình tương tác của bức xạ gamma trong tinh thể kích thước trung
bình và hàm phản ứng của đầu đo ............................................................. 34
Hình 2.3. Hệ phổ kế gamma nhấp nháy tại Bợ mơn Vật lý hạt nhân ....................... 37
Hình 2.4. Đường chuẩn năng lượng của hệ phổ kế gamma nhấp nháy NaI (Tl) dùng
trong Luận án .............................................................................................. 38
Hình 2.5. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bề rộng nửa chiều cao vào năng lượng của hệ
phổ kế gamma nhấp nháy NaI(Tl) dùng trong Luận án. ............................. 39
Hình 2.6. Hệ phổ kế gamma HPGe CANBERRA .................................................... 40
Hình 2.7. Bản đồ lấy mẫu đất của 3 tỉnh miền trung nước CHDCND Lào ........... 43
Hình 2.8. Mợt số mẫu đất đá được nhốt chờ đo phổ................................................. 45
Hình 2.9. Các hợp mẫu chuẩn RGU-1, RGTh-1, RGK-1, TN1 và TNK1 ............... 46
Hình 2.10. Dạng phổ của mẫu chuẩn IAEA RGU-1 đo trên hệ phổ kế HPGe tại
Viện Y học Phóng xạ và U bướu Quân đợi trong 24h. ............................... 50
Hình 2.11. Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh hấp thụ toàn phẩn của hệ
phổ kế tại Viện Y học phóng xạ và U bướu Qn đợi ................................ 51
Hình 3.1. Vùng cửa sổ năng lượng đặc trưng cho 40K, 226Ra và 232Th .................. 56
Hình 3.2. Kết quả đo hoạt độ 40K, 226Ra và 232Th trong mẫu TN1 .......................... 58
Hình 3.3. Đường cong chuẩn nợi hiệu suất ghi dựa trên các đỉnh gamma của

214

Bi

với ba cấu hình khác nhau ......................................................................... 60
Hình 3.4. Đồ thị mơ tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi tuyệt đối tại đỉnh năng lượng
1460,8 keV vào mật độ mẫu đo đối với hệ phổ kế gamma tai Viện Y học
Phóng xạ và U bướu Qn đợi. ................................................................... 64
Hình 4.1. Mối tương quan giữa hoạt đợ phóng xạ riêng của

232

Th và hoạt đợ Radi

tương đương. ............................................................................................... 76
Hình 4.2. Biểu đồ hoạt đợ riêng trung bình của

40

K,

226

Ra,

232

Th và hoạt đợ Radi

tương đương trong đất tại 30 huyện thuộc 3 tỉnh miền trung Lào: a. 40K, b .226Ra,

viii


c. 232Th và d. Radi tương đương tương ứng.

80

Hình 4.3. Bản đồ hoạt đợ phóng xạ riêng trung bình của 40K trong đất của 30 huyện
thuộc 3 tỉnh miền trung nước Lào ............................................................... 81
Hình 4.4. Bản đồ hoạt đợ phóng xạ riêng trung bình của

226

Ra trong đất của 30

huyện tḥc 3 tỉnh miền trung nước Lào .................................................... 84
Hình 4.5. Bản đồ hoạt đợ phóng xạ riêng trung bình của

232

Th trong đất tại 30

huyện thuộc 3 tỉnh miền trung nước Lào ................................................... 85
Hình 4.6. Bản đồ hoạt đợ phóng xạ Radi tương đương trung bình tại 30 huyện
tḥc 3 tỉnh miền trung Lào. ...................................................................... 88

ix


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Tiếng việt

Tiếng anh

CHDCND Lào Cợng hịa Dân chủ Nhân dân Lào

Lao people Demogatic
Replublic

UNSCEAR

Ủy ban Khoa học Liên Hiệp Quốc

United Nations Scientific

về Tác động của bức xạ Nguyên tử

Committee on the Effect of
Atomic Radiation

LHQ

Liên Hiệp Quốc

United Nations Scientific

IAEA

Cơ quan Năng lượng nguyên tử

International Atomic Energy

quốc tế

Agency

HPGe

Germanium siêu tinh khiết

High Pure Germanium

FWHM

Bề rộng nửa chiều cao

Full Width Half Maximium

Raeq

Hoạt độ Radi tương đương

Radium equivalent activity

Dair

Suất liều hấp thụ trong khơng khí

Absorbed dose rate in air

AEDO

Liều hiệu dụng chiếu ngoài hàng

Annual Effective Dose

năm

Outdoor

Hex

Chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài

External hazard index

Hin

Chỉ số nguy hiểm chiếu trong

Internal hazard index

x


MỞ ĐẦU
Con người luôn bị chiếu xạ ở khắp mọi lúc, mọi nơi. Các bức xạ chiếu vào
con người có nguồn gốc từ tia vũ trụ, từ các đồng vị phóng xạ tự nhiên và từ chính

các đồng vị phóng xạ có trong cơ thể con người [51]. Từ chiếu xạ dùng để chỉ sự tác
động của bức xạ tới con người động vật và môi trường xung quanh. Liều bức xạ là
đại lượng đánh giá mức độ chiếu xạ vào các đối tượng. Mặc dù, mơ hình định lượng
dự đoán độ rủi ro do bức xạ ion hóa gây ra còn nhiều gây tranh cãi, nhưng các mơ
hình đều chấp nhận rộng rãi là xác suất gây ung thư trong cả cuộc đời, đặc biệt là
ung thư bạch cầu, tăng theo liều nhận được. Khi liều hiệu dụng tăng lên 1 Sv thì tỷ
lệ mắc ung thư tăng lên 5,5% [16, 46]. Điều này có nghĩa phông phóng xạ tự nhiên
cao sẽ gây nguy hiểm đối với sức khỏe cợng đồng.
Các hạt nhân phóng xạ tự nhiên bao gồm

40

K, 238U, 232Th có trong lớp vỏ

Trái Đất kể từ khi Trái Đất hình thành. Chúng được gọi là các hạt nhân phóng xạ
nguyên thủy. Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy có trong đất bề mặt đóng góp chủ
yếu liều chiếu do bức xạ gamma tự nhiên gây ra trên mặt đất [94]. Hạt nhân phóng
xạ tự nhiên 40K, 226Ra, 238U và 232Th trong đất bề mặt gây ra liều bức xạ gamma trên
mặt đất và đóng góp khoảng 80% liều hiệu dụng hàng năm cho con người [19, 37,
48, 57, 95]. Các hạt nhân phóng xạ trong đất có thể được di chuyển vào cây cối và
tích lũy trong cơ thể con người thông qua việc ăn lương thực và rau quả [18, 30, 43,
52, 53, 54, 90]. Do đó, phép đo các hạt nhân phóng xạ tự nhiên trong đất đá và
đánh giá các nguy cơ bức xạ đã được quan tâm đặc biệt trong vật lý sức khỏe, đặc
biệt là khu vực có đợ phóng xạ cao [20, 22, 31, 36, 39, 62, 76, 81, 86, 96].
Trong 2 thập kỷ gần đây đã có nhiều cơng trình cơng bố kết quả đánh giá
tính chất phóng xạ và hệ số nguy hiểm bức xạ do đất ở trong một vùng hoặc một
địa phương gây ra [23, 34, 58, 79, 86, 95]. Tổng hợp các số liệu thu được từ
nhiều cơng trình của các tác giả khác nhau có thể thu được bức tranh về phông
phóng xạ nói chung và tính chất phóng xạ của đất nói riêng của một quốc gia và
của quốc tế [94].

- Đa số các cơng trình, mẫu đất được lấy từ lớp đất bề mặt đến độ sâu

1


30 cm. Tuy nhiên để không bị ảnh hưởng của cỏ, rác và vật liệu xây dựng có nhiều
cơng trình lấy mẫu từ độ sâu 5 cm đến 25 cm hoặc đến 30 cm [82, 89]. Các mẫu
đất sau khi xử lý, được nhốt trong vòng 30 ngày. Hoạt độ riêng của các đồng vị
40

K,

238

U(226Ra) và

232

Th được đo bằng phương pháp phổ gamma, hoặc bằng phổ

kế gamma với detector bán dẫn [9, 10, 11, 12, 24, 69, 74] hoặc phổ kế gamma với
detector nhấp nháy [10, 13, 41, 50, 67, 83]. Từ hoạt độ phóng xạ riêng của các
đồng vị 40K, 238U(226Ra) và

232

Th trong đất, các chỉ số nguy hiểm do đất đá gây ra

cho dân chúng đã được xác định.
Tại nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào (CHDCND Lào), số liệu về tính

phóng xạ của đất còn rất ít. Năm 2018 nhóm tác giả Sonexay và Lê Hồng Khiêm
[84] mới chỉ đưa ra số liệu về hoạt độ phóng xạ riêng của 10 mẫu đất tại khu vực
huyện Thoulakhom, tỉnh Viêng Chăn của Lào được lấy để làm gạch. Vì vậy việc
nghiên cứu đánh giá phơng phóng xạ tự nhiên tại CHDCND Lào là cần thiết.
Trong khuôn khổ của Luận án tiến sĩ của mình, Nghiên cứu sinh đã chọn đất
đá bề mặt trong khu vực miền trung Lào là đối tượng nghiên cứu. Trong 3 tỉnh
thuộc khu vực miền trung nước Lào, tỉnh Bolikhamxay là tỉnh miền núi.
Trong 6 huyện chỉ có 1 huyện tḥc đồng bằng. Trong đó có 1 mỏ vàng ở
huyện Khamkeut đã được khai thác. Tỉnh Khammue có 9 huyện, trong đó 3 huyện
miền núi và 6 huyện đồng bằng. Tỉnh Savannakhet có diện tích lớn nhất, trong 15
huyện có tới 13 huyện đồng bằng. Chỉ có huyện Sephone và Vilabuly là 2 huyện
miền núi, trong đó huyện Sepone có chứa mỏ vàng đã được khai thác.
Khu vực miền trung nước CHDCND Lào là khu vực đơng dân nhất trong cả
nước, có cả đồng bằng và miền núi, chứa 2 mỏ vàng đều đã được khai thác, là khu
vực có nền địa chất phong phú. Chính vì vậy Nghiên cứu sinh đã chọn đề tài “Nghiên
cứu ứng dụng phương pháp phổ gamma tự nhiên đánh giá tính phóng xạ đất đá
trên bề mặt tại miền trung nước Lào” làm đề tài Luận án của mình.
2. Mục tiêu nghiên cứu của Luận án
- Tìm hiểu và phát triển phương pháp phổ gamma xác định tính chất phóng
xạ trong mẫu đất trên cả hệ phổ kế gamma bán dẫn HPGe có độ phân giải cao và phổ
kế gamma nhấp nháy NaI(Tl).

2


- Đưa ra bộ số liệu ban đầu về hoạt độ phóng xạ riêng của 40K,

226

Ra và

232

Th

trong mẫu đất tại 3 tỉnh miền trung Lào, từ đó đánh giá hệ số nguy hiểm do bức xạ từ
đất gây ra cho dân cư sống trong khu vực: Hoạt độ Radi tương đương, suất liều hấp
thụ trong khơng khí, liều hiệu dụng chiếu ngoài hàng năm, chỉ số nguy hiểm chiếu
ngoài và chỉ số nguy hiểm chiếu trong.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của Luận án
- Tổng quan về tính chất phóng xạ của đất đá và tình hình nghiên cứu xác
định tính phóng xạ trong đất, đánh giá các chỉ số nguy hiểm do bức xạ từ đất gây ra:
Hoạt độ Radi tương đương, suất liều hấp thụ trong không khí, liều hiệu dụng chiếu
ngồi hàng năm, chỉ số nguy hiểm chiếu ngoài, chỉ số nguy hiểm chiếu trong.
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định hoạt đô phóng xạ riêng của
40

K, 226Ra và 232Th trong đất bằng hệ phổ kế gamma nhấp nháy NaI(Tl).
- Kết hợp phương pháp đường cong chuẩn nội hiệu suất ghi và hiệu suất ghi

tuyệt đối tại đỉnh gamma 1460,82 keV để nâng cao đợ chính kết quả xác định hoạt
đợ phóng xạ riêng của

40

K,

226

Ra và

232

Th trong mẫu đất đá và đánh giá trạng thái

cân bằng của mẫu đất và mẫu địa chất.
- Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của

40

K,

226

Ra và

232

Th trong mẫu đất

được lấy từ 3 tỉnh miền trung Lào. Tiến hành đánh giá các chỉ số nguy hiểm do các
đồng vị tự nhiên trong đất đá gây ra cho dân chúng.
4. Ý nghĩa thực tiễn của Luận án
Kết quả nghiên cứu chính của Luận án là bợ số liệu thực nghiệm về hoạt đợ
phóng xạ riêng của các đồng vị phóng xạ 40K, 226Ra và 232Th trong mẫu đất được lấy
tại tỉnh miền trung nước Lào. Đây là bộ số liệu ban đầu về hoạt đợ phóng xạ riêng
được sử dụng để đánh giá tính chất phóng xạ đất và theo dõi ơ nhiễm phóng xạ đối
với đất đá trong khu vực sau này.
5. Tính mới của Luận án
Luận án đã phát triển phương pháp xác định hoạt độ phóng xạ riêng của 40K,

226

Ra và

232

Th trên hệ phổ kế gamma nháp nháy NaI(Tl). Sử dụng kỹ thuật chuẩn

nội hiệu suất ghi để khắc phục sự sai khác thành phần chất nền giữa mẫu chuẩn và
mẫu phân tích nhằm nâng cao kết quả phân tích.

3


Luận án cung cấp bộ số liệu mới ban đầu, với đợ chính xác cao về tính phóng
xạ của đất bề mặt tại 3 tỉnh miền trung nước CHDCND Lào. Các số liệu về phóng
xạ tự nhiên trong mẫu đất, các bản đồ phóng xạ: Hoạt độ phóng xạ riêng 40K, 226Ra,
323

Th, hoạt độ Radi tương đương, suất liều hấp thụ trong khơng khí, liều hiệu dụng

hàng năm, hệ số nguy hiểm chiếu ngoài và hệ số nguy hiểm chiếu trong do đất đá ở
3 tỉnh miền trung Lào gây ra đều là số liệu mới.
Ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục Luận án
được chia thành 4 chương như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về hiện tượng phóng xạ và tính chất phóng
xạ của vỏ Trái Đất.
Chương 2: Đối tượng nghiên cứu, phương pháp và thiết bị thực nghiệm.
Chương 3: Phát triển phương pháp phổ gamma nâng cao đợ chính xác để xác
định hoạt độ phóng xạ của 40K, 226Ra và 232Th trong mẫu đất.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận.

4


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHĨNG XẠ VÀ TÍNH CHẤT
PHĨNG XẠ CỦA VỎ TRÁI ĐẤT
1.1. Phóng xạ tự nhiên và tính chất phóng xạ của đất đá
1.1.1. Phơng phóng xạ tự nhiên
Liều chiếu mà con người nhận được có nguồn gốc từ các đồng vị phóng xạ
có trong đất đá, phóng xạ từ tia vũ trụ, từ y tế, từ thực phẩm và từ các nhân phóng
xạ có trong cơ thể con người. Các nguồn bức xạ này rất đa dạng tùy tḥc vào vị trí
và mơi trường xung quanh. Trong [51] đưa ra các nguồn bức xạ và đóng góp trung
bình vào liều hiệu dụng hàng năm mà con người nhận được (Hình 1.1). Liều tương
đương hàng năm mà con người nhận được: Cỡ 14% có nguồn gốc từ y tế, 1% có
nguồn gốc từ công nghiệp hạt nhân, còn lại 85% có nguồn gốc từ các nguồn phóng
xạ tự nhiên. Đóng góp của các thành phần bức xạ vào liều chiếu xạ hàng năm gây
ra cho con người phụ tḥc vào vị trí địa lý, vào hàm lượng các nguyên tố phóng
xạ có trong đất đá. Các bức xạ tự nhiên có nguồn gốc từ tia vũ trụ và từ các
nguyên tố phóng xạ nguyên thủy có trong vỏ Trái Đất [51, 65].

Hình 1.1. Các nguồn gây ra liều trung bình hàng năm cho con người [92].

5


1.1.2. Hạt nhân phóng xạ tự nhiên trên bề mặt Trái Đất
Trái Đất và các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời được hình thành cách đây
khoảng 4,5 tỷ năm, chứa nhiều nguyên tố sắt, carbon, oxy, silic, các nguyên tố trung

bình và nguyên tố nặng. Các nguyên tố này được hình thành từ hidro và heli do kết
quả của các vụ nổ Big Bang cách đây 13,6 tỷ năm [51]. Trong khoảng 10 tỷ năm từ
các vụ nổ Big Bang cho đến khi hình thành hệ Mặt Trời, hidro và heli được “đốt
nóng” thành các nguyên tố nặng hơn. Các nguyên tố được hình thành do quá trình
phản ứng và phân rã phóng xạ cho đến khi tạo thành hạt nhân bền. Có 4 đồng vị
phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn đó là 238U, 237Np, 235U và 232Th. Các hạt nhân này trải
qua các phân rã alpha và beta liên tiếp để trở thành 3 đồng vị chì bền là
207

Pb,

208

Pb, và đồng vị

209

206

Pb,

Bi. Trong Bảng 1.1 đưa ra 4 dãy phóng tự nhiên được

hình thành từ các vụ nổ Big Bang và quá trình đốt cháy hidro và heli trước khi hình
thành hệ Mặt Trời. Trong đó dãy phóng xạ Neptun có chu kỳ bán rã 2,41.106 năm,
quá nhỏ so với thời gian hình thành hệ Mặt Trời. Vì vậy, dãy phóng xạ 237Np phân
rã hết trước khi Trái Đất được hình thành. Ngày nay chỉ cịn 3 dãy phóng xạ 232Th,
238

U và 235U trong vỏ Trái Đất. Ngồi các đồng vị phóng xạ trong 3 dãy trên, trong

vỏ Trái Đất còn có các đồng vị phóng xạ 87Rb và 40K.
Bảng 1.1. Một số đặc trưng của 4 dãy phóng xạ tự nhiên [101].

Tên dãy

Dãy

Hạt nhân cuối cùng
(đồng vị bền)

Hạt nhân mẹ
(đồng vị sống lâu
nhất)
232

rã (năm)

Thori

4n

208

Neptun

4n+1

209

Uran

4n +2

206

Pb

228

U

4,47.109

Actini

4n+3

207

Pb

235

U

7,04.108

Pb

237

Bi

Th

1,4.1010

Np

2,41.106

Năm đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn đó là:
232

Chu kỳ bán

40

K,

238

U, 87Rb,

235

U và

Th [51], được hình thành trước khi Trái Đất hình thành, cịn tồn tại đến ngày nay,

được gọi là các đồng vị phóng xạ nguyên thủy. Ngoài các đồng vị phóng xạ nguyên

6


thủy trong vỏ Trái Đất còn có các đồng vị do bức xạ vũ trụ tương tác với khí quyển
tạo thành được chia thành 4 loại sau [51]:
Nhóm 1: Các nguyên tố sinh ra trong ở giai đoạn đầu hình thành Trái Đất,
các nguyên tố có chu kỳ bán rã lớn, đó là 3 dãy phóng xạ

238

U, 232Th và 235U. Cả 3

đồng vị này đều phân rã alpha và phát ra bức xạ gamma.
Nhóm 2: Các đồng vị con cháu nhóm 1. Một số đồng vị con cháu của Radi
và Radon do quá trình phong hóa thoát khí ra ngồi, bay vào khơng khí và có thể
lắng đọng xuống mặt đất, đi vào nước. Các đồng vị phóng xạ trong 3 dãy phóng xạ
tự nhiên trên có những đồng vị sau khi phân rã alpha hoặc beta, hạt nhân con được
tạo thành ở trạng thái kích thích. Khi trở về trạng thái cơ bản sẽ phát ra bức xạ
gamma có năng lượng lớn và hệ số phân nhánh cao. Chính các bức xạ gamma này
chiếu vào sinh vật và con người gây ra liều chiếu ngoài.
Radon và đồng vị phóng xạ của nó có trong khơng khí, theo con đường hô
hấp sẽ đi vào cơ thể con người, gây ra liều chiếu trong. Do quãng chạy của các bức
xạ alpha và beta rất nhỏ, do đó khi tồn bợ năng lượng bức xạ alpha hoặc beta do
các đồng vị phóng xạ Radon và sản phẩm con cháu của nó đều bị hấp thụ hết trong
cơ thể.
Nhóm 3: Các đồng vị phóng xạ đơn (khơng tạo thành dãy phóng xạ ) được xuất
hiện ở giai đoạn đầu hình thành Trái Đất, có chu kỳ bán rã lớn như 40K, 147Sb và 87Rb.

Hai đồng vị

147

Sb và 87Rb có hàm lượng rất nhỏ, đều phân rã beta mềm thuần túy,

nên nó đóng góp vào liều chiếu xạ tự nhiên không đáng kể.
Kali tự nhiên gồm 3 đồng vị 39K, 40K, và 41K, trong đó 40K là đồng vị phóng
xạ, đợ giàu đồng vị của 40K trong Kali tự nhiên cỡ 0,0117%. Chu kỳ bán rã của 40K
cỡ 1,26 ×109 năm. Cỡ 89,23 % hạt nhân 40K phân rã β- về trạng thái cơ bản của 40Ca
và cỡ 10,67 % hạt nhân

40

K chiếm electron quỹ đạo trở về

40

Ar ở trạng thái kích

thích, năng lượng 1460,82 keV. Từ trạng thái kích thích trên phát ra bức xạ gamma
có năng lượng 1460,82 keV để trở về trạng thái cơ bản [51].
Nhóm 4: Các đồng vị phóng xạ được hình thành do bức xạ vũ trụ tương tác
với hạt nhân ngun tử có trong khí quyển. Ngồi các đồng vị phóng xạ nguyên
thủy, trong môi trường còn có các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ tia vũ trụ. Đó

7


là các đồng vị 3H, 7Be,10Be, 26Al, 14C, 36Cl, 38S [51]. Trong đó, 14C là đồng vị phóng

xạ có chu kỳ bán rã lớn, luôn có mặt trên Trái Đất. 14C là đồng vị phân rã beta thuần
túy, có chu kỳ bán rã 5730 năm, năng lượng cực đại 185 keV và năng lượng trung
bình 49,47 keV. Hàm lượng 14C trong cơ thể con người được coi là không đổi, khi
phân rã tồn bợ năng lượng phân rã của 14C đều bị hấp thụ trong cơ thể.
1.1.3. Tia vũ trụ
Trái Đất bị bắn phá liên tục bởi bức xạ bắt nguồn từ Mặt Trời, và từ các
nguồn bên trong và bên ngoài thiên hà. Các tia vũ trụ bao gồm các hạt nhân nguyên
tử năng lượng cao, trong đó: khoảng 87% trong số đó là proton, 11% là các hạt
alpha, xấp xỉ 1% là những nguyên tử nặng hơn, và 1% còn lại là các electron [51].
Những "tia" này có năng lượng rất cao, một số tia có năng lượng đến 1014 MeV, tuy
nhiên phổ biến nằm trong khoảng 10 MeV đến 100 GeV. Các tia vũ trụ là những
bức xạ ngoài Trái Đất. Chúng bao gồm các hạt "thiên hà" bắt nguồn từ bên ngoài hệ
Mặt Trời và các hạt "hidro và electron" phát ra từ Mặt Trời. Khi chúng đi vào bầu
khí quyển, tương tác với các hạt nhân trong khí quyển tạo ra nhiều hạt thứ cấp, rất
quan trọng trong việc tạo ra các hạt nhân phóng xạ sinh học [51].
Khi đi tới bề mặt Trái đất, bức xạ vũ trụ phải đi qua lớp khơng khí đủ dày.
Tại mặt nước biển bề dày khối của lớp khí quyển lên tới 1033 g/cm2. Càng đến gần
mặt đất liều do bức xạ vũ trụ gây ra càng giảm. Điều này có nghĩa liều do bức xạ vũ
trụ gây ra tăng theo chiều cao tính từ mặt nước biển.
1.1.4. Các dạng phân rã phóng xạ tự nhiên trong đất đá
Phân rã alpha
Hạt nhân

A
Z

X không bền đối với phân rã alpha, tự biến đổi thành hạt nhân có

số khối giảm đi 4 đơn vị, điện tích giảm đi 2 đơn vị bằng cách phát bức xạ alpha.
Phổ alpha do các hạt nhân phóng xạ alpha tự nhiên phát ra là phổ gián đoạn.

Phương trình phân rã phóng xạ alpha có dạng:
A
z

X 

trong đó hạt nhân zA X gọi là hạt nhân mẹ,

A 4
z 2

A 4
z 2

8

Y

(1.1)

Y là hạt nhân con và α là hạt alpha.


Mỗi hạt nhân phân rã alpha khi phân rã phát ra một số vạch alpha có năng
lượng xác định. Trước khi phân rã, hạt nhân mẹ ở trạng thái cơ bản và đứng yên.
Sau phân rã, hạt nhân con tạo thành có thể ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái kích
thích có năng lượng khác nhau. Hạt nhân con sẽ giải phóng năng lượng kích thích
hoặc bằng cách phát ra bức xạ gamma hoặc bằng biến hốn nợi. Bức xạ gamma do
các hạt nhân con phát ra thường đi kèm với phân rã alpha của hạt nhân mẹ.
Các dạng phân rã beta

Phân rã beta (  )
Những hạt nhân thừa neutron, tức các hạt nhân có tỷ số N/Z lớn hơn nhiều so
với tỷ số N/Z của hạt nhân đồng khối bền đối với phân rã beta [3, 5, 51] là các hạt
nhân phân rã β-. Phương trình phân rã β- tổng quát có dạng sau :
A
Z

trong đó hạt nhân

A
z

X 

X là hạt nhân mẹ,

Y    

A
Z 1

A
z 1

Y là hạt nhân con,

(1.2)
là phản neutrino,

β- là electron có điện tích –e và năng lượng nghỉ E0 = 0,511 MeV.

Vì hạt nhân mẹ có khối lượng rất lớn so với khối lượng electron, nên năng
lượng giải phóng từ phân rã chủ yếu phân bố cho bức xạ beta và phản neutrino. Phổ
năng lượng của hạt beta phát ra là mợt phổ liên tục.
Phân rã β+
Các hạt nhân có tỷ số N/Z nhỏ hơn so với tỷ N/Z của hạt nhân đồng khối
nằm trên đường cong bền đối với phân rã beta, là các đồng khối thừa proton sẽ
không bền đối với phân rã β+. Hạt nhân

A
Z

+

X không bền đối với phân rã β tự biến

đổi thành hạt nhân đồng khối có điện tích giảm đi 1 đơn vị bằng cách phát ra bức xạ
β+ và ν. Phương trình phân rã β+ có dạng tổng quát như sau:
A
Z

trong đó hạt nhân

A
z

X 

Y    

A

Z 1

X là hạt nhân mẹ,

A
z 1

hạt của electron, ν là hạt neutrino.

9

(1.3)

Y là hạt nhân con, β+ là positron là phản


Hiện tượng chiếm electron
Hạt nhân thừa proton, tức là hạt nhân

A
Z

+

X khơng bền đối với phân rã β có

thể tự biến đổi thành hạt nhân có điện tích giảm 1 đơn vị, bằng cách bắt 1 electron
quỹ đạo và phát ra neutrino [3, 51]. Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng chiếm
electron quỹ đạo. Phương trình tổng quát của hiện tượng chiếm electron quỹ đạo
như sau:

A
Z

X e

Y 

A
Z 1

(1.4)

Hiện tượng chiếm electron quỹ đạo luôn cạnh tranh với phân rã β+ [3, 5, 58].
Phân rã gamma và hiện tượng biến hốn nội
Hiện tượng hạt nhân từ trạng thái kích thích giải phóng năng lượng bằng
cách phát ra bức xạ điện từ (bức xạ γ) để trở về trạng thái có năng lượng thấp được
gọi là hiện tượng phân rã γ. Năng lượng của bức xạ γ phát ra khi hạt nhân nhảy từ
mức năng lượng E2 về mức năng lượng E1, được xác định theo công thức sau:
Eγ= E2 - E1

(1.5)

Xét một hạt nhân phân rã alpha hoặc phân rã beta, hạt nhân con được tạo
thành ở trạng thái kích thích. Hạt nhân con này sẽ khử kích thích hoặc bằng cách
phát bức xạ gamma (γ), hiện tượng biến hốn nợi. Phân rã gamma khơng làm hạt
nhân thay đổi cả về số khối A lẫn nguyên tử số Z. Thực chất phân rã γ là sự sắp xếp
lại các nucleon bên trong hạt nhân. Cạnh tranh với quá trình phát bức xạ γ là hiện
tượng biến hốn nợi.
Do các mức năng lượng của hạt nhân là gián đoạn, nên bức xạ γ do mỗi hạt
nhân phát ra có năng lượng Eγ hồn tồn xác định. Mỗi đồng vị phóng xạ khi phân

rã sẽ phát ra một số bức xạ γ đặc trưng có năng lượng hoàn toàn xác định đặc trưng
cho đồng vị phóng xạ đó.
Q trình dịch chuyển gamma được đặc trưng bởi hệ số phân nhánh. Hệ số
phân nhánh ký hiệu Iγ là xác suất phát ra bức xạ gamma đặc trưng có năng lượng
Eγ trong mỗi phân rã của hạt nhân mẹ [5, 55].
Các vạch gamma có cường đợ lớn do 3 dãy phóng xạ tự nhiên phát ra được
đưa ra trong Bảng 1.2.

10


Bảng 1.2. Các vạch gamma có cường độ lớn do các đồng vị phóng xạ trong 3 dãy
phóng xạ tự nhiên phát ra [50].
Dãy

Đồng vị

Năng lượng (keV)

Cường độ tia γ (%)

U

49,55 ± 0,06

0,064 ± 0,008

234

Th

63,29 ± 0,02

3,70 ± 0,40

234

Th

83,30 ± 0,05

0,060 ± 0,006

234

Th

92,38

2,13 ± 0,20

234

Th

238

92,80

2,10 ± 0,21

234m

Pa

258,227

0,0764 ± 0,0024

234

U

53,20

0,123 ± 0,002

234

U

120,90

0,035 ± 0,005

Ra

186,21

3,56 ± 0,05

226
238

235

U

U

214

Pb

242,00

7,258 ± 0,022

214

Pb

295,22

18,414 ± 0,036

214

Pb

351,93

35,60 ± 0,07

214

Bi

609,31

45,49 ± 0,19

214

Bi

768,356

4,892 ± 0,016

214

Bi

934,061

3,10 ± 0,01

234m

Pa

1001,02

0,847 ± 0,000

214

Bi

1120,3

14,91 ± 0,03

214

Bi

1238,1

5,831 ± 0,014

214

Bi

1764,5

15,31 ± 0,05

185,72

57,2 ± 0,05

143,76

10,96 ± 0,08

163,33

5,08 ± 0,04

205,31

5,01 ± 0,05

Pb

238,63

43,6 ± 0,03

Ac

338,32

11,27 ± 0,19

321

Th

212
228

232

Th

208

Tl

583,19

30,55 ± 0,17

208

Tl

860,53

4,48 ± 0,04

228

Ac

911,20

25,8 ± 0,4

228

Ac

968,97

15,8 ± 0,3

11


1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ liên tiếp và hiện tượng cân bằng phóng xạ
1.2.1. Quy luật phân rã phóng xạ
Mỗi hạt nhân phóng xạ được đặc trưng bằng hằng số phân rã phóng xạ, ký
hiệu λ. Hằng số phân rã phóng xạ là xác suất để 1 hạt nhân phân rã trong 1 đơn vị
thời gian. Khi phân rã phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ sẽ bị suy giảm theo thời gian,
theo phương trình sau:
N = N0.e-λt

(1.6)

trong đó N0 là số hạt nhân mẹ tại thời điểm ban đầu t = 0; N là số hạt nhân mẹ còn
lại ở thời điểm t, λ là hằng số phân rã.
Phương trình (1.6) mơ tả quy luật suy giảm của hạt nhân phóng xạ theo
thời gian. Nhân cả 2 vế công thức (1.6) với hằng số phân rã λ, ta thu được công
thức sau:
A = A0e-λt

(1.7)

trong đó A0 và A là hoạt đợ phóng xạ của hạt nhân tại thời điểm ban đầu và tại thời
điểm t tương ứng.
Hình 1.2 mô tả quy luật suy giảm số hạt nhân phóng xạ theo thời gian. Hằng
số phân rã càng lớn, số hạt nhân phóng xạ suy giảm càng nhanh.

Hình 1.2. Quy luật suy giảm của hạt nhân phóng xạ theo thời gian [5].
Khoảng thời gian mà tại đó số hạt nhân giảm đi một nửa so với ban đầu,
được gọi là chu kỳ bán rã. Các hạt nhân phóng xạ khác nhau có chu kỳ bán rã
khác nhau.

12


1.2.2. Chuỗi phân rã phóng xạ liên tiếp
Xét trường hợp hạt nhân A không bền, phân rã thành hạt nhân con B, hạt
nhân con B tạo thành cũng là hạt nhân không bền lại tiếp tục phân rã thành hạt nhân
C. Cứ như vậy q trình phân rã phóng xạ tiếp diễn đến khi tạo thành hạt nhân bền.
Xét trường hợp phổ biến thường gặp trong thực tế. Tại thời điểm ban đầu, t = 0 chỉ
có hạt nhân mẹ, chưa có hạt nhân con, tức N20 = 0. Số hạt nhân mẹ tại thời điểm ban
đầu là N10. Sự suy giảm số hạt nhân mẹ theo thời gian được mơ tả theo cơng thức
(1.6). Cịn số hạt nhân con suy giảm theo thời gian [3, 5, 51] được mô tả theo công
thức sau:
N2 

N10 1  1t
(e  e  2t )
2  1

(1.8)

trong đó λ1, λ2 là hằng số phân rã của hạt nhân mẹ và hạt nhân con; N10 là số hạt
nhân mẹ ban đầu.
Sự biến thiên số hạt nhân con N2 do 2 quá trình. Quá trình 1: Do hạt nhân mẹ
phân rã về hạt nhân con làm tăng số hạt nhân con theo thời gian, được đặc trưng bởi
thừa số e  .t . Quá trình 2: Là quá trình phân rã của hạt nhân con làm số hạt nhân
1

con N2 giảm theo thời gian được đặc trưng bởi thừa số e   t .
12

Với chuỗi gồm 3 hạt nhân phân rã liên tiếp, công thức mô tả mối liên hệ giữa
hạt nhân ban đầu với hạt nhân thứ 3 [5] như sau:


e  t
e  t
e  t
N 3 (t )  1 2 N10 


 (1.9)
 ( 3  1 )( 2  1 ) (1   2 )( 3   2 ) (1   3 )( 2   3 ) 
1

2

3

Như vậy, khi biết hằng số phân rã của các hạt nhân trong chuỗi phân rã
phóng xạ liên tiếp và số hạt nhân ban đầu, ta hoàn tồn có thể tính được số hạt nhân
của bất kỳ hạt nhân con cháu trong chuỗi tại một thời điểm xác định.
1.2.3. Hiện tượng cân bằng tạm thời và cân bằng bền
Cân bằng tạm thời
Đơn giản xét trường hợp dãy 2 hạt nhân phóng xạ liên tiếp, hằng số phân rã
của mẹ λ1 nhỏ hơn hằng số phân rã của con λ2, hay chu kỳ bán rã của hạt nhân mẹ
lớn hơn so với chu kỳ bán rã của hạt nhân con. Sau khoảng thời gian đủ lớn so với

13