Phương pháp phóng xạ và ứng dụng trong giải bài toán vật lý thpt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ VÂN ANH

Phương pháp phóng xạ và ứng dụng
trong giải bài tốn Vật lý THPT

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội, 2020


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Võ Thanh
Quỳnh, Bộ môn Vật lý Địa cầu – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên – ĐHQGHN, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn em, thầy đã quan tâm,
giúp đỡ, tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài khóa luận tốt
nghiệp này. Em khơng những được thầy giúp đỡ về mặt chuyên môn, mà trong
quá trình làm việc, em cịn học hỏi được tinh thần làm việc khoa học và đầy tính
trách nhiệm, nghiêm túc từ thầy, từ đó em đã tích lũy được nhiều kiến thức và
kinh nghiệm quý báu.
Và em cũng xin gửi lời cảm ơn trân thành nhất tới các thầy cô trong Bộ
môn Vật lý Địa cầu – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên –
ĐHQGHN, đã giúp đỡ em trong thời gian học tập và hoàn thành khóa luận tốt
nghiệp tại bộ mơn.
Em xin cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Giáo dục đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi để em có thể hồn thành một cách tốt nhất khóa luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng cho phép em bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình và bạn bè, những
người đã quan tâm, động viên em trong suốt thời gian em học tập, làm việc và

hồn thành khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2020
Sinh viên

Nguyễn Thị Vân Anh


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DỊ PHĨNG XẠ ...4
1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp thăm dị phóng xạ..............................4
1.1.1. Hiện tượng phóng xạ. ...................................................................... 4
1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ - Dãy phóng xạ...................................... 6
1.2. Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ. .........................................9
1.2.1. Sự phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, nước và khơng
khí. ........................................................................................................... 9
1.2.2.Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất khơng phóng xạ. ........ 10
1.3. Máy thăm dị phóng xạ....................................................................... 11
1.3.1. Bộ phận ghi nhận bức xạ............................................................... 11
1.3.2. Bộ phận khuếch đại ghi. ................................................................ 13
1.3.3. Các loại máy thăm dị phóng xạ. .................................................... 14
1.4. Các phương pháp đo phóng xạ........................................................... 14
1.4.1. Phương pháp đo mẫu phóng xạ. .................................................... 14
1.4.2. Các phương pháp gamma tổng. ..................................................... 14
1.4.3. Phương pháp phổ gamma.............................................................. 16
1.4.4. Phương pháp gamma và phổ gamma cơng trình. ........................... 18
1.4.5. Phương pháp đo khí phóng xạ. ...................................................... 18
1.4.6. Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ. ............................................ 20
1.4.7. Phương pháp detector vết anpha.................................................... 21

1.5. Ứng dụng của phương pháp phóng xạ. .............................................. 22
1.5.1. Đo vẽ bản đồ địa chất..................................................................... 22
1.5.2. Tìm kiếm các mỏ phóng xạ. ........................................................... 22
1.5.3. Tìm kiếm các mỏ khơng phóng xạ.................................................. 23
1.5.4. Phục vụ nghiên cứu địa chất mơi trường. ...................................... 23
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÀI LIỆU PHĨNG XẠ........... 24
TRONG DỰ BÁO TRIỂN VỌNG KHỐNG SẢN..................................... 24
2.1. Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ............................ 24
2.1.1. Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ trên thế giới. ... 24
2.1.2. Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ ở Việt Nam. .... 29
2.2. Phương pháp tần suất – nhận dạng trong phân tích tài liệu phóng xạ
hàng khơng. .............................................................................................. 30
2.2.1. Phương pháp phân tích tần suất. ................................................... 30
2.2.2. Nội dung phương pháp Tần Suất – Nhận dạng.............................. 32
2.3. Phân tích thử nghiệm phương pháp tần suất – nhận dạng. ............... 33
2.3.1. Vị trí địa lí và đặc điểm của khu vực nghiên cứu............................ 33
2.3.2. Tài liệu thu thập về khu vực nghiên cứu. ....................................... 34
2.3.3. Kết quả phân tích thử nghiệm........................................................ 35
Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÓNG XẠ GIẢI BÀI TOÁN
VẬT LÝ THPT ............................................................................................ 44
3.1. Các phương pháp xác định tuổi tuyệt đối bằng đồng vị phóng xạ. .... 44
3.2. Phương pháp đồng vị cacbon. ............................................................ 53


3.2.1. Cơ sở khoa học của phương pháp.................................................. 53
3.2.2. Các phương pháp đo cacbon đồng vị phóng xạ. ............................. 56
3.3. Ứng dụng giải bài tốn Vật lí THPT. ................................................. 60
KẾT LUẬN .................................................................................................. 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 66


MỞ ĐẦU
Hiện tượng phóng xạ do Becquerel phát hiện vào năm 1896, đầu thế kỉ
XX đã được đưa vào áp dụng trong các nghiên cứu địa chất và đã phát huy tác
dụng to lớn trong điều tra thăm dò các mỏ khoáng sản cũng như xác định tuổi địa
chất của mẫu vật, và nghiên cứu địa nhiệt, địa chất môi trường, …
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kĩ thuật hạt nhân, thăm dị
phóng xạ ngày càng được sử dụng nhiều để giải quyết các nhiệm vụ địa chất
quan trọng và ngày càng được mọi người quan tâm.
Thăm dị phóng xạ là một phân ngành của khoa học địa vật lí thăm dị.
Phương pháp thăm dị phóng xạ ngày nay bao gồm hai lĩnh vực: phương pháp
phóng xạ tự nhiên và phương pháp phóng xạ nhân tạo. Có nhiều phương pháp
khác nhau đang được sử dụng trong phân tích tổ hợp số liệu Địa Vật lý, trong đó
nhóm các phương pháp thống kê – nhận dạng được áp dụng rộng rãi và có hiệu
quả hơn cả.
Từ thực tế trên, em lựa chọn khóa luận với đề tài: “Phương pháp phóng xạ
và ứng dụng trong giải bài tốn Vật lý THPT” với những mục tiêu và nhiệm vụ
chính như:
- Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở lí thuyết và khả năng áp dụng thực tế của
phương pháp thăm dò phóng xạ trong nghiên cứu địa vật lí.
- Nghiên cứu tìm hiểu một số thuật tốn phân tích đối sánh, xác định đối
tượng đồng dạng trong “Phương pháp tần suất – nhận dạng”, trên cơ sở
tiến hành phân tích thử nghiệm trên một tài liệu phóng xạ hàng khơng thực
tế góp phần làm rõ ý nghĩa và khả năng áp dụng của phương pháp.

1

- Áp dụng phương pháp phóng xạ (Cacbon phóng xạ) giải các bài toán Vật
lý, phục vụ cho việc giảng dạy Vật lý Trung học phổ thông .
Từ cơ sở của những mục tiêu và nhiệm vụ trên, khóa luận được trình bày
có cấu trúc như sau:
- Mở đầu.
- Chương 1: Tổng quan về phương pháp thăm dị phóng xạ.
- Chương 2: Phương pháp phân tích tài liệu phóng xạ trong dự báo triển
vọng khoáng sản.
- Chương 3: Ứng dụng phương pháp phóng xạ giải bài tốn Vật lý THPT.
- Kết luận.
Dù đã rất cố gắng song do điều kiện thời gian và trình độ nên khóa luận
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những lời nhận
xét, góp ý từ phía thầy cơ và các bạn.
Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2020
Sinh viên
Nguyễn Thị Vân Anh

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG
Hình 2.1: Vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu thử nghiệm
Hình 2.2: Đồ thị tỉ trọng thơng tin các tính chất của đối tượng mẫu
Bảng 2.1: Tổng hợp 15 tính chất thu thập và tính toán được của khu vực
Bảng 2.2: Khoảng giá trị đặc trưng của đối tượng mẫu
Bảng 2.3: Ma trận thông tin của đối tượng mẫu
Bảng 2.4: Tỉ trọng thông tin trên đối tượng mẫu
Bảng 2.5: Tỉ trọng thông tin trên đối tượng trên đối tượng mẫu sau khi sắp xếp
Bảng 2.6: Tỉ lệ phần trăm tổng thơng tin với m tính chất
Bảng 2.7: Kết quả phân tích chỉ số đồng dạng của 3 đối tượng theo phương pháp

tần suất – nhận dạng

3


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DỊ PHĨNG XẠ
1.1. Cơ sở vật lý của phương pháp thăm dò phóng xạ.
1.1.1. Hiện tượng phóng xạ.
Q trình phóng xạ là quá trình phân rã hạt nhân nguyên tử một cách
tự phát, hạt nhân nguyên tử có sự thay đổi về thành phần, cấu tạo và trạng
thái năng lượng để biến thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác.
Trong quá trình phân rã kèm theo sự phát ra các hạt 𝛼, 𝛽, 𝛾.
Các ngun tố có hạt nhân khơng ổn định thường xảy ra quá trình biến
đổi hạt nhân để trở thành hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố khác. Q
trình hạt nhân bị biến đổi như vậy có kèm theo sự phát ra các bức xạ
phóng xạ.
Những nguyên tố có hạt nhân khơng bền vững, tự phân rã và biến đổi
trạng thái năng lượng như vậy gọi là các nguyên tố phóng xạ.
Căn cứ vào loại hạt được hạt nhân phát ra hay bị hạt nhân hấp thụ, có
thể chia q trình biến đổi hạt nhân thành các dạng phân rã anpha (𝛼),
beta (𝛽), bức xạ gamma (𝛾).
- Sự phân rã anpha (𝛼): Q trình phóng xạ thường xảy ra với các
nguyên tố có số Z từ 58 (Ce) trở nên để tạo ra các hạt có số Z thấp
hơn và một số nguyên tố. Khi có sự phân rã 𝛼, hạt nhân nguyên tử
phát ra hạt 𝛼 gồm 2 proton và 2 nơtron, số thứ tự nguyên tử giảm đi
2 và trọng lượng nguyên tử giảm đi 4 đơn vị. Hạt 𝛼 chính là hạt
nhân của nguyên tử Heli ( 42𝐻𝑒).
Tốc độ chuyển động của hạt 𝛼 nằm trong khoảng (1,42 ÷ 2,05).109
cm/s. Một gam Radi nguyên chất phát ra 3,68.1010 hạt 𝛼 trong một

4


giây. Năng lượng một hạt 𝛼 khi tách khỏi hạt nhân rất lớn (khoảng
8 ÷ 10 MeV). Khi đi ra khỏi hạt nhân, hạt 𝛼 đi vào khơng khí làm
ion hóa chất khí và chiếm 2 điện tử tự do tạo thành Heli trung hòa.
Đặc điểm của các hạt 𝛼 là khả năng ion hóa rất mạnh, vì vậy tốc độ
giảm rất nhanh và khả năng đâm xuyên yếu. Trong khơng khí,
chúng chỉ đi qua được 3 ÷ 10 cm và một tờ giấy mỏng cũng không
ngăn được tia 𝛼. Trong đất đá, tia 𝛼 không vượt qua được lớp rất
mỏng vài chục micron.
- Sự phân rã beta (𝛽): sự phân rã hạt nhân phát ra tia 𝛽 xảy ra khi
trong hạt nhân có sự biến đổi từ nơtron thành proton hoặc ngược
lại. Khi chuyển từ nơtron thành proton thì phát ra điện tử (𝑒− ) và
khi chuyển từ proton thì phát ra hạt pozitron (𝑒+ ).
Phân rã electron (𝛽 −): số thứ tự của nguyên tố khi đó tăng 1 đơn vị
cịn khối lượng trên thực tế khơng đổi vì khối lượng của electron
rất bé.
Phân rã pozitron (𝛽 +): số thứ tự của nguyên tố giảm đi một đơn vị.
Nói chung, khi phân rã 𝛽 thì điện tích của hạt nhân tăng hoặc giảm
1 đơn vị, còn khối lượng thì khơng thay đổi. Chùm các hạt điện tử
và pozitron gọi là tia 𝛽. Năng lượng hạt 𝛽 thay đổi trong phạm vi
rộng, tốc độ chuyển động xấp xỉ tốc độ ánh sáng.
Tia 𝛽 cũng có khả năng ion hóa chất khí song kém hơn so với tia 𝛼,
do đó mà khả năng đâm xun lớn hơn. Trong khơng khí, tia 𝛽 có
thể đi qua 1,2 m, cịn trong đất đá thường chúng không xuyên qua
được 1 cm.
- Bức xạ gamma (𝛾): khi hạt nhân chuyển từ mức năng lượng không
ổn định trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, ổn định hơn thì phát

5


ra bức xạ gamma (𝛾). Bức xạ 𝛾 là bức xạ điện tử tần số cao, chúng
vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt, khơng mang điện và
khơng có khối lượng khí đứng n. Năng lượng của bức xạ 𝛾 thay
đổi tùy thuộc vào hạt nhân của các nguyên tố khác nhau
(từ 0,05 ÷ 3 MeV). Căn cứ vào sự khác nhau về năng lượng của
bức xạ 𝛾 mà có thể dùng phương pháp phổ gamma để xác định các
nguyên tố khác nhau.
Bức xạ 𝛾 có khả năng ion hóa nhưng khả năng đâm xuyên lớn,
chúng có thể đâm xun qua lớp khơng khí hàng trăm mét và lớp
đất đá dày không quá 1m[7].
1.1.2. Quy luật phân rã phóng xạ - Dãy phóng xạ.
1.1.2.1. Quy luật phân rã phóng xạ.
Phân rã phóng xạ là q trình tự phân rã của hạt nhân nguyên tử
nên quy luật phân rã phóng xạ khơng phụ thuộc vào các điều kiện khách
quan như điều kiện hóa học hay vật lí bên ngồi (nhiệt độ, áp suất, …).
Trong q trình phân rã phóng xạ, số lượng nguyên tử của nguyên
tố giảm dần theo một quy luật nhất định. Số nguyên tử bị phân rã dN
trong khoảng thời gian từ t đến t + dt tỉ lệ với số nguyên tử N có ở thời
điểm t, với khoảng thời gian phân rã dt.
Dạng vi phân của định luật phân rã phóng xạ được xác định là:
dN = - 𝜆𝑁𝑑𝑡
Trong đó dấu (-) thể hiện sự giảm dần số nguyên tử của nguyên tố.
Viết phương trình dưới dạng tích phân ta có:
𝑁 𝑑𝑁

∫𝑁

0 𝑁

𝑡

= - ∫0 𝜆𝑑𝑡

Trong đó 𝑁0 và N là số nguyên tử có ở thời điểm ban đầu t = 0 và ở thời
điểm t.

6


Sau khi lấy tích phân ta có:
N = 𝑁0 𝑒 −𝜆𝑡
Biểu thức này biểu diễn quy luật hàm mũ của sự phân rã các nguyên tố
phóng xạ theo thời gian.
Quy luật phân rã phóng xạ phụ thuộc vào hằng số 𝜆. Hằng số này
của các nguyên tố khác nhau là khác nhau, nó đặc trưng cho xác suất
phân rã một nguyên tử của nguyên tố trong một đơn vị thời gian và gọi là
hằng số phân rã phóng xạ. Hằng số phân rã λ càng lớn thì tốc độ phân rã
càng nhanh và ngược lại.
Để đặc trưng cho quá trình phân rã phóng xạ, người ta cịn đưa vào
khái niệm chu kì bán rã T và thời gian sống trung bình của nguyên tử 𝜏.
Thời gian sống trung bình của nguyên tử 𝜏 là đại lượng tỉ lệ nghịch
1

với hằng số phân rã λ. 𝜏 = .
𝜆

Chu kì bán rã T là khoảng thời gian để số nguyên tử của một

nguyên tố giảm đi còn một nửa. Gọi 𝑁0 và 𝑁𝑇 là số hạt nhân nguyên tử
của nguyên tố có ở thời điểm ban đầu t = 0 và ở thời điểm t = T. Ta có:
𝑁𝑇 =

𝑁0

T=

2

= 𝑁0 𝑒 −𝜆𝑡

𝑙𝑛2
𝜆

=

0,693
𝜆

Các chất khác nhau có chu kì bán rã T rất khác nhau, ví dụ: 212
84𝑃𝑜
có chu kì bán rã T = 2,09.10−7 giây,

232
90 𝑇ℎ

có T = 1,4.1010 năm.

1.1.2.2. Các dãy phóng xạ.

Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có khối lượng lớn phân rã liên tiếp
tạo thành các dãy các nguyên tố phóng xạ.
Trong tự nhiên có 3 dãy phóng xạ, các dãy này bắt đầu bởi các
235
nguyên tố 232
90 𝑇ℎ , 92 𝑈 (còn gọi là dãy Actini), và

7

238
92 𝑈.

Ví dụ trong dãy


Uran, 𝑈238 khi phân rã 𝛼 trở thành 𝑇ℎ234 , chất này bị phân rã 𝛽 trở
thành 𝑃𝑎234. Qua nhiều lần phân rã biến thành chất đồng vị của Radi, đó
là một loại nguyên tố rất quan trọng trong thăm dị phóng xạ. 𝑅𝑎226 phân
rã 𝛼 biến thành Radon 𝑅𝑛222, đây là chất khí trơ. Rn tiếp tục các biến đổi
cho đến hạt nhân bền vững của chì 𝑃𝑏206.
Sự phân rã phóng xạ của 3 dãy này có những tính chất chung:
- Các nguyên tố đứng đầu mỗi dãy là các ngun tố nặng có chu kì
bán rã (T) rất lớn khoảng 108 đến 1010 năm. Trong quá trình
phân rã các nguyên tố sau có khối lượng nhỏ dần.
- Ở khoảng giữa mỗi dãy đều có các đồng vị phóng xạ ở dạng khí
như Radon (Rn), Actinon (An), Thoron (Tn). Các khí phóng xạ
này cịn có tên gọi là khí eman. Q trình thốt khí này ra khỏi
quặng gọi là quá trình eman.
- Cuối mỗi dãy là những chất bền vững khơng phóng xạ, đó là
những đồng vị của chì.

Trong mỗi dãy phóng xạ đều có sự biến đổi phát ra tia 𝛼 và 𝛽 liên
tiếp làm cho khối lượng A của nguyên tử và các đồng vị trong cùng một
dãy thay đổi theo quy luật A = 4n + c, trong đó n là số nguyên, c = 2 với
dãy Uran, c = 3 với dãy Actini và c = 0 với dãy Thori. Ngồi các ngun
tố phóng xạ trong các dãy phóng xạ nêu trên, cịn có những đồng vị
phóng xạ khơng nằm trong dãy như Kali (𝐾 40)….[7].

8


1.2. Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ.
1.2.1. Sự phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, nước và khơng
khí.
Các ngun tố phóng xạ phân bố rộng rãi trong tự nhiên thường là
Uran, Thori, Kali, radon, …, chúng thường tồn tại trong môi trường đất
đá, không khí, nước.
Trong đá macma, hàm lượng các ngun tố phóng xạ tăng dần theo
tính axit, các đá mafic và siêu mafic có tính phóng xạ yếu. Các ngun tố
Uran, Thori có phổ biến trong đá macma dạng xâm tán.
Các thể xâm nhập nhỏ và trẻ có tính phóng xạ cao, ở các vùng tiếp
xúc, đai cơ, những đới biến đổi nhiệt dịch, đới cà nát, đứt gãy… thường
nồng độ các ngun tố phóng xạ cao.
Tính phóng xạ của đá macma phụ thuộc chủ yếu vào thành phần
thạch học của đá. Cùng một loại đá thì loại nào có tuổi tuyệt đối cao hàm
lượng phóng xạ càng nhỏ. Đá macma axit có hàm lượng nguyên tố phóng
xạ lớn và thay đổi trong phạm vi rộng.
- Trong đất đá trầm tích, hàm lượng các nguyên tố phóng xạ thay
đổi trong một phạm vi rộng. Đá phiến sét, sét có tính phóng xạ
cao hơn cả. Các loại trầm tích thủy hóa, cacbonat, than, cát, thạch
anh, … có tính phóng xạ yếu. Cát kết có hàm lượng phóng xạ

thay đổi trong phạm vi rộng.
- Tính phóng xạ trong đá biến chất và quy luật phân bố của chúng
cho đến nay chưa được nghiên cứu đầy đủ. Nói chung quy luật
phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đá biến chất khá phức tạp,
phụ thuộc vào mức độ biến chất, thành phần đất đá trước khi biến
chất.

9


- Trong quá trình phân hủy và vận chuyển của các ngun tố phóng
xạ, một lượng đáng kể tích tụ trong các lớp đất trống. Nồng độ
các nguyên tố phóng xạ trong lớp đất trồng phụ thuộc vào nhiều
yếu tố khác nhau: bản chất đá gốc bị phong hóa, tính chất nứt nẻ,
hình dạng địa hình, điều kiện tự nhiên và khí hậu. Trong lớp đất
trồng ở khu vực gần các mở Uran, Thori, Kali, … thường phát
hiện vành phân tán phóng xạ.
- Trong nước nói chung có hàm lượng phóng xạ thấp. Đối với các
loại nước trên mặt như nước biển, hồ, sơng (trừ các sơng chảy
qua mỏ phóng xạ) có tính phóng xạ yếu. Nước trên mặt có độ
phóng xạ nhỏ hơn hàng ngàn lần so với đất đá.
Những mạch nước ngầm chảy qua các mỏ phóng xạ thường có nồng
độ phóng xạ cao hơn hẳn những vùng xung quanh tạo nên vành phân tán
thủy phóng xạ. Việc nghiên cứu vành phân tán này có ý nghĩa quan trọng
giúp chúng ta phát hiện thân quặng gốc ở dưới sâu. Hàm lượng cao của
nguyên tố phóng xạ trong nước là một trong những tiền đề để tìm kiếm
quặng phóng xạ[7].
1.2.2.Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất khơng phóng xạ.
Ngồi việc tìm kiếm thăm dị các mỏ phóng xạ, phương pháp phóng
xạ cịn được sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ địa chất khơng phóng xạ.

Các tiền đề địa chất gồm có:
- Nhiều mỏ chứa khống sản có ích liên quan cộng sinh với mở
phóng xạ.
- Dưới tác động của các hoạt động kiến tạo, một số mỏ khống
nằm trong đới dập vỡ có thể có bất thường phóng xạ do sự lan
truyền của khí phóng xạ.

10


- Các thể địa chất có hàm lượng phóng xạ khác nhau, xác định hàm
lượng phóng xạ của chúng có cơ sở để vẽ bản đồ địa chất.
- Có thể xác định tuổi địa chất của đất đá trên cơ sở hàm lượng các
nguyên tố phóng xạ biến đổi theo thời gian, tuổi đất đá càng cao
thì hàm lượng các nguyên tố phóng xạ càng thấp.
- Sử dụng tương tác bức xạ phóng xạ với hạt nhân các nguyên tố
tạo đá để xác định phần vật chất của đất đá[7].
1.3. Máy thăm dị phóng xạ.
Để đo cường độ phóng xạ, thường sử dụng các loại máy phóng xạ,
có nhiệm vụ phát hiện các tia phóng xạ và đo được cường độ của chúng.
Tùy thuộc vào điều kiện làm việc mà có thể sử dụng các máy phóng xạ
khác nhau như: máy đo tham số trong phịng thí nghiệm, đo trong giếng
khoan, đặt trên ô tô, máy bay hoặc xách tay.
Nguyên tắc chung cấu tạo của máy phóng xạ gồm bộ phận ghi nhận
bức xạ và bộ phận khuếch đại ghi. Bộ phận ghi nhận bức xạ có nhiệm vụ
thu nhập các bức xạ phóng xạ và biến đổi chúng thành tín hiệu điện. Bộ
phận khuếch đại ghi có nhiệm vụ khuếch đại, lọc tín hiệu từ đó xác định
loại, số lượng và năng lượng của bức xạ[7].
1.3.1. Bộ phận ghi nhận bức xạ.
Các dụng cụ ghi bức xạ thường được chế tạo dựa vào hiện tượng ion

hóa chất khí (buồng ion hóa, ống đếm chứa khí) hoặc dựa vào hiện tượng
nhấp nháy (ống đếm nhấp nháy).
- Ống đếm chứa khí Geiger Muller: nguyên tắc hoạt động của loại
ống đếm chứa khí này dựa vào hiện tượng ion hóa chất khí. Ống
đếm chứa khí có mặt trong phủ một lớp mỏng chất dẫn điện và
được nối với cực âm của nguồn điện (katot), ở giữa của ống là

11


một sợi dây kim loại được nối với cực dương của nguồn điện
(anot).
Trong ống chứa khí Acgon và hơi rượu hoặc halogen có áp suất
thấp. Hiệu thế giữa 2 điện cực khoảng 1000 vol. Khi có bức xạ 𝛽 hoặc 𝛾
xuyên qua ống làm bật điện tử từ mặt kim loại ra, các điện tử này làm ion
hóa chất khí chứa trong ống và chất khí trở nên dẫn điện. Nhờ có điện thế
giữa các điện cực mà điện tử tạo nên các xung dịng. Khi bức xạ tăng lên
thì tạo thành các xung liên tiếp. Sau khi khuếch đại xung bằng bộ khuếch
đại và ghi được chúng thì có thể xác định cường độ bức xạ. Ống đếm
Geiger – Muller dùng để ghi bức xạ 𝛽 hoặc 𝛾. Khi đo bức xạ 𝛽 hiệu suất
có thể đạt 70%, hiệu suất ghi bức xạ 𝛾 là 1 – 2%.
- Ống đếm nhấp nháy: ống đếm nhấp nháy gồm một tinh thể phát
quang và nhân quang điện.
Tinh thể phát quang có khả năng phát sáng dưới tác dụng của bức xạ
gamma. Khi tia phóng xạ đập vào mặt tinh thể phát quang (chất nhấp
nháy) thì các phần tử của chất phát quang bị ion hoặc kích thích để phát
sáng. Ánh sáng này đập vào katot của nhân quang điện làm bật ra các
điện tử, các điện tử này được hút về điện cực mang điện thế dương. Do
các điện cực được bố trí có điện thế cao dần, nên dịng điện tử thứ cấp
phát ra tăng theo cấp số nhân và cuối cùng dòng điện tử đập vào anốt của

nhân quang điện tạo nên một xung điện. Bức xạ đến càng nhiều thì số
xung trong một đơn vị thời gian càng lớn, tức là bức xạ càng mạnh thì tốc
độ đếm càng cao. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của ống đếm mà tinh
thể này làm bằng các chất khác nhau. Để đo cường độ bức xạ gamma,
thường dùng tinh thể Iotnatri (NaI), hiệu suất ghi của nó tương đối cao
(70 ÷ 80%), nếu để đo cường độ tia 𝛽 thì dùng các chất hữu cơ đặc biệt.

12


Ngồi các loại ống đếm chứa khí, ống đếm nhấp nháy như đã nêu,
trong thăm dị phóng xạ người ta còn sử dụng các dụng cụ phát hiện sử
dụng các chất bán dẫn (Detecter bán dẫn), chất điện môi (Detecter vết).
- Detecter bán dẫn là dụng cụ phát hiện sử dụng chất bán dẫn, khác
với buồng ion hóa là giữa các điện cực khơng dùng chất khí mà
dùng chất bán dẫn. Do năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn
nhỏ hơn so với chất khí nên có độ phân giải năng lượng cao hơn.
- Detecter vết là dụng cụ phát hiện sử dụng chất điện môi (chất
dẻo, thủy tinh, mica, …) cho phép xác định các “vết” trên chất
điện môi khi có hạt 𝛼 hoặc các bức xạ khác đi qua. Khi chất điện
mơi có “vết” do bức xạ gây ra được ngâm trong dung dịch axit
hoặc kiềm mạnh thì các “vết” bị ăn mịn và đường kính các “vết”
có thể rộng cỡ micromet. Bằng kính hiển vi quang học có thể
quan sát được số lượng các vết phản ảnh cường độ bức xạ. Đây là
cơ sở của phương pháp đo vết phóng xạ[7].
1.3.2. Bộ phận khuếch đại ghi.
Các tín hiệu điện nhận được từ bộ phận phát hiện do các bức xạ gây
ra thường rất yếu nên cần khuếch đại lên để tạo thành các xung với biên
độ đủ lớn, giá trị biên độ các xung tỉ lệ với năng lượng bức xạ. Ngồi ra
cịn sử dụng bộ lọc để có thể thu nhận được các xung trong phạm vi một

khoảng điện áp nhất định.
Tín hiệu sau khi khuếch đại và chọn lọc được đưa đến bộ đếm xung.
Số lượng xung ghi được tỉ lệ với cường độ bức xạ trong một thời gian xác
định. Kết quả ghi số có thể dùng tinh thể lỏng hiện số[7].

13


1.3.3. Các loại máy thăm dị phóng xạ.
Dựa vào đặc điểm các loại bức xạ, có thể phân chia ra các máy đo
bức xạ gamma (𝛾), anpha (𝛼) hoặc beta (𝛽). Dựa vào phương thức ghi có
thể phân chia ra loại máy ghi số xung (có độ chính xác cao) hoặc máy đo
tốc độ đếm phóng xạ (độ chính xác thấp hơn). Dựa vào sự khác nhau của
dụng cụ phát hiện có thể phân chia loại máy phóng xạ dùng ống đếm
Geiger – Muller, ống đếm nhấp nháy, dùng chất bán dẫn. Dựa vào các bộ
lọc mà phân chia loại máy phóng xạ đo bức xạ tổng cộng (đo tích phân)
hoặc máy đo phổ (một kênh, nhiều kênh, …). Tùy vào nhiệm vụ cần giải
quyết mà có thể sử dụng các máy phóng xạ đo trên mặt đất, trên máy bay,
trong giếng khoan.
Các loại máy đo gamma thường dùng ở nước ta hiện nay là CRP 68
– 01, CRP 88 – H (Nga), máy đo phổ gamma đơn kênh GAD – 1 và 4
kênh GAD – 6, GAD – 12 (Canada)[7].
1.4. Các phương pháp đo phóng xạ.
Trong thăm dị phóng xạ, có thể nghiên cứu tính phóng xạ tự nhiên
của đất đá hoặc các hiện tượng phóng xạ nhân tạo.
1.4.1. Phương pháp đo mẫu phóng xạ.
Đây là phương pháp trong phịng thí nghiệm nhằm xác định hàm
lượng các ngun tố phóng xạ trong các mẫu đất đá và quặng. Nguyên tắc
chung của phương pháp này là so sánh độ phóng xạ của các mẫu quặng,
mẫu đá, mẫu nước với mẫu chuẩn đã biết trước hàm lượng[7].

1.4.2. Các phương pháp gamma tổng.
Phương pháp đo bức xạ gamma (𝛾) tự nhiên của đất đá được áp
dụng phổ biến trong thăm dị phóng xạ, chúng có thể tiến hành trên máy
bay, trên mặt đất hoặc trong giếng khoan.

14


- Phương pháp đo gamma hàng không: phương pháp này được
tiến hành bằng các máy đo có độ nhạy cao và quán tính nhỏ đặt
trên máy bay. Cường độ bức xạ gamma (𝛾) thu được trên máy
bay phụ thuộc vào thành phần và hàm lượng các yếu tố phóng
xạ, bề dày lớp phủ, chiều cao bay và dạng địa hình, … Chiều
cao bay càng lớn thì cường độ bức xạ thu được càng nhỏ vì vậy
cần dùng máy bay thấp (50 ÷ 100 m) và tốc độ chậm.
- Phương pháp gamma mặt đất: phương pháp này được sử dụng
để đo bức xạ tổng của đá, đất hoặc quặng phục vụ khảo sát lập
bản đồ địa chất, thăm dị khống sản có ích và nghiên cứu mơi
trường. Phương pháp gamma (𝛾) mặt đất chỉ được áp dụng có
kết quả tốt ở những vùng đá lộ hoặc có lớp phủ mỏng (< 1m),
nếu lớp phủ dày hơn thì chỉ đo ở các vết lộ, sông suối, thung
lũng, …
Cường độ bức xạ gamma thu nhận được chỉ phụ thuộc vào hàm
lượng nguyên tố phóng xạ của đất đá mà cịn chịu ảnh hưởng của nhiều
yếu tố khác như hình dạng địa hình, sự hấp thụ của môi trường. Do sự
hấp thụ của môi trường nên chỉ ghi được các bức xạ gamma (𝛾) ở phần
trên của lát cắt, vì vậy diện tích bề mặt có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo.
Khi khảo sát ở tỉ lệ trung bình, quá trình đo gamma được tiến hành
theo lộ trình địa chất, ven sơng suối hoặc đường mòn, ở tỉ lệ cần đo theo
điểm trên mạng lưới đo đã được xác định. Khi đo, khoảng cách giữa

phóng xạ kế và mặt đất khơng qua 5 cm. Ở vùng có triển vọng mỏ phóng
xạ có thể đo trong hố đào có chiều sâu 0,3 – 3 m. Các điểm đo kiểm tra
chiếm 5 – 10% tổng số các điểm đo.

15


Việc bố trí mạng lưới tuyến và điểm đo cần dựa vào đặc điểm cấu
tạo địa chất, thường các tuyến trục được bố trí theo phương cấu tạo địa
chất và đường phương của thân quặng, các tuyến ngang bố trí vng góc.
Kết quả đo đạc được biểu diễn dưới dạng bản đồ thị cường độ
gamma theo mạng lưới tuyến hay lộ trình địa chất, bản đồ đẳng trị
gamma. Gam màu biểu diễn hàm lượng phóng xạ thay đổi từ màu vàng
gạch (hàm lượng thấp), màu xanh lá mạ, xanh đậm, xanh da trời (hàm
lượng trung bình), màu nâu, tím, hồng (hàm lượng cao), màu đỏ (hàm
lượng rất cao)[7].
1.4.3. Phương pháp phổ gamma.
Phương pháp gamma chỉ ghi được tổng bức xạ gamma của các
nguyên tố mà không tách riêng được hàm lượng của các loại Uran, Thori,
Kali, do đó việc xác định thành phần hóa học, hàm lượng và các chỉ tiêu
địa hóa có khó khăn. Để giải quyết vấn đề này cần dùng phương pháp phổ
gamma.
Phương pháp phổ gamma đo bức xạ gamma tự nhiên theo các mức
năng lượng khác nhau để xác định hàm lượng U, Th, K có trong đất đá và
quặng phục vụ điều tra địa chất, thăm do khống sản và khảo sát mơi
trường.
Các ngun tố phóng xạ khác nhau có mức năng lượng bức xạ
gamma khác nhau đặc trưng cho nguyên tố đó.
Khi đo phổ gamma cần chọn các khoảng năng lượng thích hợp mà
trong khoảng đó bức xạ gamma của nguyên tố cần xác định trội hơn cả.

Khoảng năng lượng được chọn gọi là “cửa sổ” năng lượng. Trong đó phổ
gamma thường chọn 3 cửa sổ và đặt tên tương ứng với các nguyên tố trội
nhất trong khoảng năng lượng đó.

16


Tất nhiên trong mỗi “cửa sổ” ngoài nguyên tố đặc trưng có mức
năng lượng trội hơn cả cịn có sự tham gia của các nguyên tố khác nhưng
mức độ ít hơn.
Phương pháp phổ gamma có thể tiến hành trên khơng, biển, mặt
đất,…Khi khảo sát địa chất tỉ lệ trung bình và tỉ lệ lớn người ta thường áp
dụng phương pháp phổ gamma mặt đất để phân tầng đất đá theo giá trị
cường độ và hàm lượng các nguyên tố phóng xạ; tìm kiếm thăm dị các
mỏ phóng xạ, các mỏ có cộng sinh hoặc đồng hành của các nguyên tố
phóng xạ, phát hiện các đới dập vỡ, đứt gãy, …
Khi đo phổ gamma thường dùng các loại máy đo đơn kênh GAD – 1
và 4 kênh GAD – 6, GAD – 12 (Canada).
Căn cứ vào nhiệm vụ và đặc điểm cấu trúc địa chất mà có thể đo
phổ gamma theo lộ trình, đo chi tiết theo diện tích, theo tuyến hoặc trong
các hố đào ở vùng triển vọng có lớp phủ dày. Tỉ lệ và mật độ mạng lưới
quan sát tương tự như phương pháp gamma tổng tuy nhiên khoảng cách
các điểm đo thường dày hơn. Kết quả đo đạc được biểu diễn bằng các đồ
thị, các sơ đồ, bản đồ đẳng trị hàm lượng nguyên tố Uran, Thori, Kali. Bất
thường Uran được thể hiện bằng màu đỏ, Thori màu xanh và Kali màu
vàng. Trên các sơ đồ và bản đồ cần thể hiện các yếu tố địa chất như ranh
giới, thành phần các đá, đứt gãy, vành phân tán địa hóa, … Bất thường
phổ gamma được chia thành 3 loại: bất thường mạnh (biên độ lớn hơn 3
lần giá trị phơng trung bình), trung bình (biên độ bằng 2 – 3 lần giá trị
phơng trung bình) và yếu (biên độ xấp xỉ phông)[7].

17


1.4.4. Phương pháp gamma và phổ gamma cơng trình.
Phương pháp gamma và phổ gamma cơng trình là đo gamma và phổ
gamma với màn chắn thích hợp trong các vỉa lộ hoặc các cơng trình khai
đào để xác định bề dày và hàm lượng các nguyên tố phóng xạ. Màn chắn
được làm bằng chì để bọc đầu dị, chỉ chứa một cửa sổ nhỏ ở vị trí trung
tâm nhằm tránh các bức xạ xung quanh ảnh hưởng đến kết quả đó.
Các cơng trình khai đào (hào, lị, giếng) trong tìm kiếm thăm dị
khoảng sản cũng như các cơng trình dân dụng như rãnh đặt ống uống,
đường hầm, … đều cần đo cường độ gamma ở thành hay ở đáy như đo
gamma trên mặt đất (khơng có màn chắn).
Phương pháp gamma và phổ gamma cơng trình chỉ khảo sát các
quặng phóng xạ và các quặng cộng phóng xạ ở giai đoạn tìm kiếm đánh
giá và thăm dò. Các máy và thiết bị được sử dụng tương tự như trên mặt
đất. Diện tích khảo sát là bề mặt vết lộ, đáy và vách của hào, giếng, nóc
vách của các gương lị có thân quặng cắt qua. Đo theo mạng lưới ơ vng
có kích thước (0,5 x 0,25 m). Sau khi phát hiện được bất thường cần khảo
sát trên một tuyến chi tiết cắt qua phần bất thường. Khoảng cách các điểm
trên tuyến là 10 – 20 cm. Các kết quả đo được xây dựng thành biểu đồ
dùng để xác định bề dày và hàm lượng quặng[7].
1.4.5. Phương pháp đo khí phóng xạ.
Phương pháp đo khí phóng xạ (cịn gọi là phương pháp eman) là
phương pháp đo tức thời nồng độ các chất khí phóng xạ như Radon (Rn),
Actinon (An), Thoron (Tr) trong các lớp đất nhằm phục vụ điều tra địa
chất, tìm kiếm khống sản và nghiên cứu mơi trường…
Phương pháp này được sử dụng để tìm kiếm các thân quặng Uran,
Thori và các khống sản có ích khác có cộng sinh hoặc đồng hành của các

18


ngun tố phóng xạ nằm dưới lớp phủ (khơng dày quá 20 m); phát hiện
các đứt gãy, ranh giới đất đá. Phương pháp đo khí phóng xạ có ưu điểm
so với phương pháp đo gamma là có thể phát hiện được quặng phóng xạ ở
sâu hơn, trong điều kiện thuận lợi có thể có độ sâu nghiên cứu tới 10 m,
nhược điểm của chúng là cần các dụng cụ phức tạp và phải hút khí.
Đối tượng đo khí phóng xạ là đo bức xạ 𝛼 của Radon (trong dãy
Uran – Radi) và Thoron (trong dãy Thori). Khả năng đâm xuyên của 𝛼 rất
yếu nhưng khả năng ion hóa và lan truyền đáng kể. Radon có chu kì bán
rã 3,8 ngày và có thể lan truyền cách xa đối tượng hàng chục mét, trong
điều kiện thuận lợi (có đới phá hủy, đứt gãy, …) có thể lan truyền xa hơn.
Khí Thoron có chu kì bán hủy 54,5 s nên thường khơng đi xa khỏi đối
tượng nghiên cứu.
Tại mỗi điểm đo, dùng khoan tay hoặc xà beng khoan lỗ sâu khoảng
0,5 ÷ 1 m cho ống hút khí vào trong lỗ, khí dưới đất được bơm hút lên và
đưa vào buồng ion hóa. Dùng máy đo khí phóng xạ để đo nồng độ khí
phóng xạ tại điểm quan sát.
Muốn đo nồng độ khí Thoron thì phải tiến hành đo ngay sau khi mới
hút khí vào buồng ion hóa. Cũng có thể nghiên cứu cả Rn và Tn bằng
cách đo nồng độ phóng xạ ở những thời điểm khác nhau.
Nồng độ của khí Radon trong lớp đất màu khoảng từ 5 – 50 Bq/l,
nồng độ tổng cộng của Radon và Thoron thì có thể đạt tới 10 ÷ 150 Bq/l.
Trên những vùng có vành phân tán phóng xạ hoặc trên thân quặng thì
nồng độ chất khí phóng xạ có thể thay đổi từ vài trăm đến hàng vạn Bq/l.
Trên cơ sở kết quả đo cần tính nồng độ khí phóng xạ, tính phơng,
sai số đo và xác định dị thường. Các kết quả được biểu diễn dưới dạng
các bản đồ thị trên các tuyến, bản đồ đẳng trị hàm lượng khí phóng xạ.

19


Các máy đo khí phóng xạ thường dùng là RADON – 82, PGA – 01P
(CHLCB Nga), RDA – 200 (Canada) và RADON (Việt Nam).
Phương pháp khí phóng xạ được dùng trong các giai đoạn tìm kiếm
dị ở các tỉ lệ trung bình và tỉ lệ lớn theo các mạng lưới như phương pháp
gamma mặt đất[7].
1.4.6. Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ.
Trong tự nhiên, cả nước ngầm lẫn nước trên mặt đều có thể chứa
Uran với hàm lượng khác nhau từ 10−8 đến n10−12g/l. Các nguồn nước
ngầm chảy qua các vùng có quặng phóng xạ có hàm lượng khá cao có thể
đến 10−5 - 10−3g/l.
Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ xác định hàm lượng phóng xạ (Uran,
Radi, Radon, …) trong nước ngầm và theo dõi ngược dòng đến nơi có
giàu quặng phóng xạ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các quặng
phóng xạ ở những khoảng cách khá xa theo vành phân tán thủy địa hóa
phóng xạ.
Việc nghiên cứu thủy địa phóng xạ gồm chọn mẫu nước, xác định
hàm lượng nguyên tố phóng xạ trong chúng và giải thích kết quả nhận
được. Trong các vùng tìm kiếm cần lấy mẫu nước ở các nguồn khác nhau
như sông suối, giếng, lỗ khoan, đới vỡ vụn, … Do hàm lượng các nguyên
tố phóng xạ thay đổi theo mùa trong năm nên cần chọn các mẫu nước ở
trong cùng một mùa và theo dõi sự thay đổi của chúng theo thời gian. Các
mẫu nước cần được xác định hàm lượng Uran, Radon. Khi phát hiện vùng
có hàm lượng Uran, Radon lớn thì phân tích cả hàm lượng Radi vì thường
Radi bị phân hủy khá nhanh.
Để xác định bất thường phóng xạ cần xác định hàm lượng bình
thường của Uran, gọi là “phơng thủy địa hóa tự nhiên”. Phơng tự nhiên

20