Bài 23: Hiện tượng phóng xạ | Vật Lí 12 | CHƯƠNG IV: HẠT NHÂN - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 104)

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 (Hình 23.1). 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.

Hình 23.1. Các vết sương dạng tia xuất hiện quanh mẫu quặng uranium

Ngoài quặng uranium còn có rất nhiều chất có thể phát ra tia phóng xạ. Tia phóng xạ không nhìn thấy được bằng mắt thường, nhưng có thể có những tác dụng như: ion hoá không khí, gây ra các hiệu ứng quang điện, phát xạ thứ cấp, làm đen kính ảnh, xuyên thấu lớp vật chất mỏng, phá huỷ tế bào, kích thích một số phản ứng hoá học,...

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 được gọi là hạt nhân mẹ. Hạt nhân được tạo thành, bền vững hơn được gọi là hạt nhân con.

(Trang 105)

2. Tính ngẫu nhiên của phân rã phóng xạ

Xét thí nghiệm được bố trí như Hình 23.2: Nguồn phóng xạ (1) được đặt gần một đầu thu phóng xạ Geiger-Müller (Gai-gơ Muy-lơ) (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 sau mỗi 5 s liên tiếp được thể hiện trong Bảng 23.1.

Hình 23.2. Thí nghiệm đếm tia phóng xạ

Bảng 23.1. Kết quả ghi nhận số tia phóng xạ theo thời gian

Bằng nhiều thí nghiệm khác nữa, người ta đã thấy 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 (Hình 23.3). Người ta thường phân loại phóng xạ thành 3 dạng như sau: phóng xạ alpha (kí hiệu α), phóng xạ beta (có hai loại kí hiệu là β⁺ và β⁻) và phóng xạ gamma (kí hiệu là γ).

a) Phóng xạ alpha

Tia phóng xạ α là hạt nhân  phóng ra từ hạt nhân mẹ có tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s. Tia α làm ion hoá 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 (Hình 23.4). 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 phản rã phóng xạ α có dạng:

Hình 23.4. Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ qua vật chất

(Trang 106)

a) Phóng xạ alpha

Tia phóng xạ α là hạt nhân phóng ra từ hạt nhân mẹ có tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s. Tia α làm ion hoá 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 (Hình 23.4). Hạt nhân mẹ X thường là các hạt nhân nặng, có số khối A > 190, phân rã thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ α. Phương trình của phân rã phóng xạ α có dạng:

Tia α; Tia β; Tia γ; Bìa giấy; Nhôm; Chì

Hình 23.4. Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ qua vật chất

?

1. Hãy nếu các tính chất của tia phóng xạ α.

2. Hãy viết phương trình phân rã  của hạt nhân .

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 () và hạt positron(*) () phóng ra từ hạt nhân mẹ với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không. Tia β làm ion hoá 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 23.4).

Hạt nhân thực hiện phân rã tạo ra tia phóng xạ β, ngoài sản phẩm là hạt nhân con, các và

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

Tương tự, đối với phóng xạ β⁺:

?

1. Hãy nêu các tính chất của phóng xạ β.

2. Viết phương trình phân rã β⁻ và β⁺ tương ứng của các đồng vị và

. 

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 . 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 và phát ra bức xạ điện từ γ có bước sóng rất ngắn, cỡ nhỏ hơn 10⁻¹¹ m, còn gọi là tia γ. Các tia γ có năng lượng cao, dễ dàng xuyên qua các vật liệu thông thường, ví dụ lớp bê tông dày hàng chục cm. Muốn cản trở được tia γ, 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 23.4).

Phương trình của phân rã phóng xạ γ có dạng:

^(*) Positron là phản hạt của electron, có cùng khối lượng với electron nhưng mang điện tích +e.

(Trang 107)

?

1. Hãy nêu các tính chất của phóng xạ .

2. Technetium () là đồng vị phóng xạ , được sử dụng rất phổ biến trong y học hạt nhân để chụp ảnh cơ quan bên trong cơ thể người. Viết phương trình phân rã của đồng vị này.

II.  ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ. ĐỘ PHÓNG XẠ

1. Định luật phóng xạ

Các quá trình phân rã phóng xạ đã nêu ở trên là quá trình ngẫu nhiên. Mặc dù, với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân rã của nó là không xác định, nhưng khi xét một mẫu chất phóng xạ bao gồm một số lượng rất lớn các hạt nhân phóng xạ thì ta có thể khảo sát sự biến đổi mang tính quy luật của các hạt nhân đó.

Khi thực hiện thí nghiệm phân rã phóng xạ một mẫu chất phóng xạ

Thực nghiệm với các chất phóng xạ khác cũng 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.

Điều đó có nghĩa là sau các 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 , , , ... . Tức là:

N_t = N₀2^−k, trong đó t = kT

hay là:

Công thức (23.1) 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.

Định luật này được minh hoạ bằng đồ thị trên Hình 23.5.

Các đồng vị phóng xạ khác nhau có chu kì bán rã T khác nhau (Bảng 23.2).

t: 0; T; 2T; 3T

Hình 23.5. Đồ thị minh hoạ sự thay đổi số hạt nhân chất phóng xạ còn lại theo thời gian

(Trang 108)

Bảng 23.2. Chu kì bán rã của một số đồng vị phóng xạ

Đồng vị phóng xạ	Chu kì bán rã T
Carbon ()	5,7.103 năm
Iodine ()	8,0 ngày
Oxygen ( )	1,2.102 giây
Polonium ()	1,4.102 ngày
Radium ()	1,6.103 năm
Radon ()	4,0 giây
Uranium ()	7,0.108 năm

?

1. Phát biểu định nghĩa chu kì bán rã?

2. Đồng vị phóng xạ  sau khoảng thời gian 244 s có 75% số hạt nhân ban đầu đã bị phân rã thành hạt nhân khác. Tính chu kì bán rã của .

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 (được lấy theo tên nhà bác học Becquerel), kí hiệu là Bq.

1 Bq = 1 phân rã/1 giây.

Trong thực tế, độ phóng xạ còn có đơn vị khác là curi (Curie, được lấy theo tên của hai nhà bác học: Marie Curie và chồng là Pierre Curie), kí hiệu là Ci.

1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq, xấp xỉ bằng độ phóng xạ của một gam

Độ phóng xạ có thể được đo nhờ các thiết bị đo phóng xạ.

Vì số hạt nhân của một lượng chất phóng xạ giảm dần, nên độ phóng xạ H của chất phóng xạ cũng giảm theo thời gian. Xét một mẫu chất phóng xạ có N_t hạt nhân tại thời điểm t. Tại thời điểm t + Δt, số hạt nhân đó giảm đi và trở thành N_t + ΔN, với ΔN < 0.

Số hạt nhân đã phân rã trong khoảng thời gian Δt là −ΔN, do đó theo định nghĩa độ phóng xạ thì . Xét khoảng thời gian Δt rất bé và sử dụng biểu thức (23.1) ta có độ phóng xạ H_t tại thời điểm t bất kì là:

Vậy H_t = λN_t (23.2)

(Trang 109)

trong đó, đại lượng được gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho chất phóng xạ đang xét. Đơn vị của λ là s^–1. Với định nghĩa này, phương trình (23.1) và (23.2) có dạng:

N= N₀ e^−λt (23.3)

H_t  = H₀ e^−λt (23.4)

Trong đó H₀ là độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu t = 0.

?

1. Nêu ý nghĩa của hằng số phóng xạ.

2. Dược chất phóng xạ Flortaucipir (chứa là đồng vị phóng xạ β⁺) được tiêm vào bệnh nhân nhằm chụp ảnh bên trong cơ thể ( chụp ảnh PET – Bài 24). Biết

có chu kì bán rã khảong 110 phút).

a) Sau khi tiêm bao lâu thì lượng giảm còn 10 % và 1% so với lúc đầu?

b) Mỗi mL dược chất phóng xạ Flortaucipir có độ phóng xạ ban đầu là 10⁹ Bq. Xác định số lượng hạt đồng vị có trong mỗi mL dược chất tại thời điểm ban đầu và sau đó 1 ngày.

EM CÓ BIẾT Đồng vị Carbon , đồng hồ của Trái Đất Năm 1947, Willand Frank Libby (Uy-lan Phờ-ranh Líp-bi) đã tìm ra phương pháp xác định niên đại của các cổ vật gốc hữu cơ, dựa vào các đặc tính của đồng vị phóng xạ carbon . Đồng vị    có chu kì bán rã là 5 730 năm. Sự phân rã này cân bằng với sự tạo ra   trong khí quyển (Hình 23.6), nên từ hàng vạn năm nay, mật độ của  trong khí quyển không đổi. Kí hiệu K(14) là tỉ số nguyên tử của tất cả đồng vị carbon và số nguyên tử đồng vị   của một mẫu chất. Trong không khí K(14) ≈ 1012, tỉ lệ này giữ không đổi trong các sinh vật còn sống. Tia vũ trụ → 14N → 14C → + O2 → 14CO2 ↔ Trao đổi Tầng khí quyển trên cao; Khoảng cách 15 km; Trao đổi trong khí quyển; Quang hợp; Động thực vật Hình 23.6. Quy trình hình thành   trên Trái Đất

(Trang 110)

Khi thực vật chết đi, không còn hấp thụ CO2 trong không khí và  không còn tái sinh trong thực vật đó nữa. Vì  phóng xạ nên số lượng  giảm dần trong thực vật đó. Nói cách khác, tỉ lệ K(14) trong thực vật đang xét giảm đi so với tỉ lệ đó trong không khí. So sánh hai tỉ lệ đó cho phép ta xác định thời gian từ lúc thực vật đó chết cho đến nay. Động vật ăn thực vật nên tỉ lệ K(14) trong cơ thể cũng giảm sau khi chết. Vì vậy, có thể xác định tuổi các mẫu xương động vật tìm được trong các di chỉ khảo cổ bằng phương pháp này. Ngoài phương pháp xác định tuổi các mẫu vật có nguồn gốc hữu cơ dựa vào tính chất phóng xạ , người ta còn sử dụng nhiều phương pháp khác để xác định tuổi các mẫu vật vô cơ dựa vào tính chất phóng xạ của  , , ,...

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. Vì vậy khi bị phơi nhiễm tia phóng xạ với liều lượng lớn trong một khoảng thời gian dài, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ cũng như di truyền (Hình 23.7).

Trong một số trường hợp, với nguồn phóng xạ mạnh dù chỉ tiếp xúc thời gian ngắn nhưng cảm giác bỏng rát xuất hiện ngay, còn gọi là bỏng phóng xạ. Sau đó, nạn nhân xuất hiện các triệu chứng buồn nôn, nôn mửa, suy nhược thần kinh,... Các triệu chứng này còn gọi là nhiễm độc phóng xạ, ảnh hưởng lâu dài đến sức khoẻ, gây đột biến trong di truyền, ung thư,...

Hình 23.7. Cà chua đột biến khi bị phơi nhiễm phóng xạ có hình dạng không bình thường

Ảnh hưởng của tia phóng xạ lên cơ thể người phụ thuộc vào cường độ, khả năng ion hoá, 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 α ở bên ngoài cơ thể thì nó không gây hậu quả đáng kể. Tuy nhiên, do khả năng ion hoá 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 hoá 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 γ: khả năng ion hoá kém hơn tia α, tia β nhưng khả năng đâm xuyên mạnh, khi nguồn phóng xạ γ ở trong hay ở ngoài cơ thể đều có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng nếu cơ thể phơi nhiễm tia γ có cường độ lớn trong thời gian dài.

(Trang 110)

2. Biển cảnh báo phóng xạ

Biển cảnh báo phóng xạ (Hình 23.8), 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.

a) PHÓNG XẠ NGUY HIỂM CHẾT NGƯỜI; b)

Hình 23.8. Biển cảnh báo phóng xạ

Hình 23.9. Biển cảnh báo phóng xạ xuất hiện trong nhiều trường hợp

a) DANGER NUCLEAR SITE

b)

c) PHÒNG ĐẶT MÁY GIA TỐC

d) KHOA CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH PHÒNG CHỤP PET/CT

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 (ví dụ ), từ các tia vũ trụ (ví dụ ), từ đá và vật liệu xây dựng có chứa đồng vị phóng xạ, trong thực phẩm (ví dụ đồng vị ),...

Hình 23.10. Tỉ lệ phơi nhiễm phóng xạ do các nguồn thụ động khác nhau

Không khí: 51%

Đá: 14%

Y học hạt nhân: 12%

Thức ăn: 12%

Tia vũ trụ: 10%

Nguồn khác: 1%

(Trang 112)

Hình 23.11 minh hoạ các nguyên tắc an toàn phóng xạ sau:

a) 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.

b) 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.

c) Cần giảm thiểu thời gian phơi nhiễm phóng xạ.

Hình 23.11. Ba nguyên tắc an toàn phóng xạ

Hình 23.12. Thiết bị bảo quản được chất phóng xạ

(Trang 113)

EM ĐÃ HỌC

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

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

◾ Các loại tia phóng xạ chính:

- Tia phóng xạ α là các hạt nhân 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 (hoặc

- Tia phóng xạ γ là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn cỡ nhỏ hơn 10⁻¹¹ m.

◾ Số hạt chưa phân rã của chất phóng xạ N_t tại thời điểm t và số hạt ban đầu N₀ của chất phóng xạ được liên hệ với nhau theo công thức:

trong đó được gọi là hằng số phóng xạ, T là chu kì bán rã.

◾ 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:

◾ 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.

EM CÓ THỂ

◾ Nêu được cách xác định niên đại của các di vật khảo cổ bằng phóng xạ.

◾ Biết cách phòng tránh khi thấy biển cảnh báo vị trí có phóng xạ nguy hiểm.

◾ Giải thích được tại sao chúng ta vẫn có thể tiếp xúc với các nguồn phóng xạ một cách an toàn.