Hiện tượng phóng xạ SVIP

I. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

1. Định nghĩa hiện tượng phóng xạ

Thí nghiệm buồng sương: Khi đặt mẫu quặng uranium vào trong buồng sương, chúng ta thấy có nhiều vết sương màu trắng có dạng như các tia đi ra từ mẫu phóng xạ ở các hướng và các thời điểm ngẫu nhiên khác nhau. Các vết sương dạng tia này chính là đường đi của các hạt phóng ra từ mẫu quặng uranium, gọi là các tia phóng xạ.

Hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát biến đổi thành một hạt nhân khác đồng thời phát ra tia phóng xạ gọi là hiện tượng phóng xạ. Quá trình biến đổi hạt nhân này còn được gọi là phân rã phóng xạ hoặc phân rã hạt nhân.

Hạt nhân không bền vững, tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành, bền vững hơn được gọi là hạt nhân con.

2. Tính ngẫu nhiên của phân rã phóng xạ

Thí nghiệm đếm tia phóng xạ

Chuẩn bị dụng cụ:

• (1) Nguồn phóng xạ;
• (2) Đầu thu phóng xạ Gai-gơ Muy-lơ;
• (3) Thiết bị chuyển đổi tín hiệu;
• (4) Loa;
• (5) Màn hình.

Tiến hành thí nghiệm:

Nguồn phóng xạ (1) được đặt gần một đầu thu phóng xạ (2) theo một phương xác định. Mỗi khi có tia phóng xạ từ nguồn đến đầu thu, nó sẽ gửi tín hiệu đến thiết bị chuyển đổi tín hiệu (3) làm loa (4) phát ra một xung âm thanh đồng thời số đếm tia phóng xạ được hiển thị trên màn hình (5) sẽ nhảy lên 1 đơn vị.

Kết quả thí nghiệm:

Nhận xét:

Quá trình phóng xạ là ngẫu nhiên. Với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân rã của nó là không xác định.

3. Các dạng phóng xạ

Khi cho các tia phóng xạ đi qua điện trường hoặc từ trường, các tia phóng xạ có thể lệch theo các cách khác nhau, gồm 3 dạng như sau:

• Phóng xạ alpha (kí hiệu α);
• Phóng xạ beta (có hai loại kí hiệu là β⁺ và β^-);
• Phóng xạ gamma (kí hiệu là $\gamma$).

a) Phóng xạ alpha

Tia phóng xạ α là hạt nhân $_2^4He$ phóng ra từ hạt nhân mẹ có tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s.

Tia α làm ion hóa mạnh môi trường vật chất, do đó nó chỉ đi được khoảng vài cm trong không khí và dễ dàng bị tờ giấy dày 1 mm chặn lại.

Hạt nhân mẹ X thường là các hạt nhân nặng, có số khối A > 190, phân rã tạo thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ α.

Phương trình của phân rã phóng xạ α có dạng:

$_Z^AX\rightarrow_{Z-2}^{A-4}Y+_2^4He$

b) Phóng xạ beta

Phóng xạ β gồm 2 loại: phóng xạ β^- và phóng xạ β⁺. Hai loại tia phóng xạ β^- và β⁺ có bản chất tương ứng là hạt electron ($_{-1}^0e$) và hạt positron (phản hạt của electron, có cùng khối lượng với electron nhưng mang điện tích +e) ($_1^0e$) phóng ra từ hạt nhân mẹ với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không. 

Tia β làm ion hóa môi trường vật chất ở mức trung bình, nó có thể xuyên qua tờ giấy khoảng 1 mm nhưng có thể bị chặn bởi tấm nhôm dày khoảng 1 mm (Hình 1).

Hạt nhân thực hiện phân rã tạo ra tia phóng xạ β, ngoài sản phẩm là hạt nhân con, các $^0_{-1}e$ và $_0^1e$ còn có hạt cơ bản khác là phản hạt neutrino ($\overset{\sim}{\nu}$) và hạt neutrino ($\nu$) không mang điện, có khối lượng nghỉ vô cùng nhỏ.

Phương trình của phân rã phóng xạ β^- có dạng:

$_Z^AX\rightarrow_{Z+1}^AY+_{-1}^0e+\overset{\sim}{\nu}$

Phương trình của phân rã phóng xạ β⁺ có dạng:

$_Z^AX\rightarrow_{Z-1}^AY+_1^0e+\nu$

c) Phóng xạ gamma

Một số hạt nhân con sau quá trình phóng xạ α hay β được tạo ra trong trạng thái kích thích $_Z^AY$*. Khi đó, xảy ra tiếp quá trình hạt nhân đó chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn $_Z^AY$ và phát ra bức xạ điện từ $\gamma$ có bước sóng rất ngắn, cỡ nhỏ hơn 10^-11 m, còn gọi là tia $\gamma$.

Các tia $\gamma$ có năng lượng cao, dễ dàng xuyên qua các vật liệu thông thường, ví dụ lớp bê tông dày hàng chục cm. Vì vậy, muốn cản trở được tia $\gamma$, người ta thường dùng vật liệu có mật độ vật chất lớn và bề dày lớn, ví dụ tấm chì dày khoảng 10 cm (Hình 1).

Phương trình của phân rã phóng xạ $\gamma$ có dạng:

$_Z^AY$*$\rightarrow_Z^AY+\gamma$

II. ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ. ĐỘ PHÓNG XẠ

1. Định luật phóng xạ

Thực nghiệm với các chất phóng xạ cho thấy rằng, cứ sau một khoảng thời gian xác định T thì một nửa số hạt nhân hiện có sẽ bị phân rã, biến đổi thành hạt nhân khác; T được gọi là chu kì bán rã của chất phóng xạ.

Cứ sau các khoảng thời gian t bằng T, 2T, 3T,... kT (k là số nguyên dương), số hạt nhân (số nguyên tử) $N_t$ chưa phân rã tương ứng bằng $\dfrac{N_0}{2}$, $\dfrac{N_0}{4}$, $\dfrac{N_0}{8}$,... $\dfrac{N_0}{2^k}$. Tức là:

$N_t=N_02^{-k}$, trong đó $t=kT$

hay: 

$N_t=N_02^{-\dfrac{t}{T}}$   (*)

Công thức trên biểu diễn định luật phóng xạ: Trong quá trình phân rã, số hạt nhân chất phóng xạ còn lại giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ.

Các đồng vị phóng xạ khác nhau có chu kì bán rã T khác nhau.

2. Độ phóng xạ

Để đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, người ta dùng đại lượng độ phóng xạ (hay hoạt độ phóng xạ), kí hiệu là H, có giá trị bằng số hạt nhân phân rã trong một giây.

Đơn vị độ phóng xạ là becơren, kí hiệu là Bq.

1 Bq = 1 phân rã/1 giây

Trong thực tế, độ phóng xạ còn có đơn vị khác là curi, kí hiệu là Ci.

1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq

Độ phóng xạ $H_t$ tại thời điểm $t$ bất kì là:

$H_t=-\dfrac{dN_t}{dt}=-N_t'=\dfrac{ln2}{T}N_02^{-\dfrac{t}{T}}=\lambda N_t$ (**)

Trong đó, đại lượng $\lambda=\dfrac{ln2}{T}$ được gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho chất phóng xạ đang xét. Đơn vị của $\lambda$ là s^-1.

Từ đó, công thức (*) và (**) có dạng:

$N_t=N_0e^{-\lambda t}\\ H_t=H_0e^{-\lambda t}$

Trong đó, $H_0$ là độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu t = 0.

III. ẢNH HƯỞNG CỦA TIA PHÓNG XẠ. BIỂN CẢNH BÁO PHÓNG XẠ

1. Ảnh hưởng của tia phóng xạ

Các tia phóng xạ có thể gây tác động mạnh tới tế bào của con người cũng như sinh vật. Ảnh hưởng của tia phóng xạ lên cơ thể người phụ thuộc vào cường độ, khả năng ion hóa, khả năng đâm xuyên, thời gian chiếu,... của tia phóng xạ.

• Với tia phóng xạ α: khả năng đâm xuyên của tia α kém nên khi nguồn phóng xạ ở bên ngoài cơ thể thì nó không gây hậu quả đáng kể. Tuy nhiên, do khả năng ion hóa mạnh nên nếu nguồn phóng xạ α xâm nhập vào cơ thể thì sẽ gây hậu quả rất nghiêm trọng.
• Với tia phóng xạ β: khả năng ion hóa và khả năng đâm xuyên ở mức trung bình, khi nguồn phóng xạ β ở trong hay ở ngoài cơ thể đều có thể gây ra các hậu quả đáng kể.
• Với tia phóng xạ $\gamma$: khả năng ion hóa kém, hơn tia α, tia β nhưng khả năng đâm xuyên mạnh, khi nguồn phóng xạ $\gamma$ ở trong hay ở ngoài cơ thể đều có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng nếu cơ thể phơi nhiễm tia $\gamma$ có cường độ lớn trong thời gian dài.

2. Biển cảnh báo phóng xạ

Biển cảnh báo phóng xạ được đặt tại khu vực lắp đặt thiết bị phát ra tia phóng xạ và nguồn phóng xạ, hoặc trên chính thiết bị và vật chứa của nguồn phóng xạ.

Mục đích cảnh báo mọi người không nên tiếp cận hoặc làm hỏng thiết bị hoặc vật chứa thiết bị phóng xạ, vì điều này rất nguy hiểm.

IV. NGUYÊN TẮC AN TOÀN PHÓNG XẠ

Ngoài các nguồn phóng xạ được kiểm soát trong các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng, con người có nguy cơ bị nhiễm phóng xạ thụ động như: phóng xạ có sẵn trong không khí ($_{86}^{222}Rn$), từ các tia vũ trụ ($_6^{14}C$), từ đá và vật liệu xây dựng có chứa đồng vị phóng xạ, trong thực phẩm (ví dụ đồng vị $_{19}^{40}K$),...

Nguyên tắc an toàn phóng xạ

• ​Giữ khoảng cách đủ xa đối với nguồn phóng xạ. Nếu tăng gấp đôi khoảng cách từ chúng ta đến nguồn phóng xạ thì liều hấp thụ phóng xạ giảm đi 4 lần.
• Cần sử dụng các tấm chắn nguồn phóng xạ đủ tốt. Tấm chắn càng dày và có khối lượng riêng càng lớn sẽ càng cản trở mạnh tia phóng xạ.
• Cần giảm thiểu thời gian phơi nhiễm phóng xạ.

​1. Phân rã phóng xạ có tính tự phát và ngẫu nhiên.

2. Tia phóng xạ là tia không nhìn thấy được, nhưng có các tính chất như: ion hóa, gây ra các hiệu ứng quang điện, phát xạ thứ cấp, làm đen kính ảnh, xuyên thấu lớp vật chất mỏng, phá hủy tế bào, kích thích một số phản ứng hóa học,...

3. Các loại tia phóng xạ chính:

• Tia phóng xạ α là các hạt nhân $_2^4He$ được phóng ra từ hạt nhân bị phân rã, chuyển động với tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s.
• Tia phóng xạ β^- (hoặc β⁺) là dòng các hạt $_{-1}^0e$ (hoặc $_1^0e$) phóng ra từ hạt nhân bị phân rã, chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng.
• Tia phóng xạ $\gamma$ là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn cỡ nhỏ hơn 10^-11 m.

4. Số hạt chưa phân rã của chất phóng xạ $N_t$ tại thời điểm $t$ và số hạt ban đầu $N_0$ của chất phóng xạ được liên hệ với nhau theo công thức:

$N_t=N_02^{-\dfrac{t}{T}}=N_0e^{-\lambda t}$

trong đó $\lambda=\dfrac{ln2}{T}$ được gọi là hằng số phóng xạ, $T$ là chu kì bán rã.

5. Độ phóng xạ $H$ đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, có giá trị bằng số hạt nhân phân rã trong một giây. Độ phóng xạ $H_t$ của một mẫu chất phóng xạ tại thời điểm $t$ được xác định theo công thức:

$H_t=\lambda N_t=H_0e^{-\lambda t}$

6. Nguyên tắc an toàn khi làm việc với nguồn phóng xạ: giữ khoảng cách đủ xa đối với nguồn phóng xạ, cần sử dụng các tấm chắn nguồn phóng xạ đủ tốt và cần giảm thiểu thời gian phơi nhiễm phóng xạ.