Đáp án Vật lí 12 cánh diều Chủ đề 4 Bài 3: Phóng xạ

BÀI 3: PHÓNG XẠ

Mở đầu: Quá trình nào xảy ra khiến cho lượngtrong xác sinh vật giảm dần theo thời gian?

Hướng dẫn chi tiết:

+ Tất cả các loại carbon đều chứa 6 proton trong hạt nhân, nhưng số lượng neutron có thể khác nhau.

+ Trong trường hợp của carbon-14 có 8 neutron trong hạt nhân.

+ Tuy nhiên, carbon-14 là một đồng vị không ổn định, và nó trải qua quá trình phân rã tự nhiên, gọi là phân rã phóng xạ.

Trong quá trình phân rã phóng xạ, carbon-14 phân rã thành một nguyên tử khác với việc phát ra hạt beta (một electron) và một antineutrino. Phản ứng này diễn ra theo phương trình:

III. PHƯƠNG TRÌNH PHÓNG XẠ

Câu 1. Giải thích sự lệch khác nhau của các tia phóng xạ trong điện trường ở hình 3.5.

Hình 3.5. Sự lệch của các tia phóng xạ trong điện trường giữa hai bản kim loại song song tích điện trái dấu.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta thấy các tia , và  bản chất đều là các dòng hạt mang điện do đó các tia này đều bị lệch trong điện trường với:

- Khối lượng và điện tích:

+ Tia α: mang điện tích dương (+2e) và khối lượng lớn nhất, do đó bị lệch ít nhất về phía bản âm của tụ điện.

+ Tia β-: mang điện tích âm (-e) và khối lượng nhỏ hơn nhiều so với tia α, do đó bị lệch nhiều hơn về phía bản dương của tụ điện.

+ Tia β+: mang điện tích dương (+e) và khối lượng tương đương với tia β-, do đó bị lệch về phía bản âm của tụ điện nhưng ít hơn so với tia α.

+ Tia γ: không mang điện tích và có bản chất là sóng điện từ, do đó không bị lệch bởi điện trường.

- Tốc độ:

+ Tia α: có tốc độ thấp nhất, do đó bị ảnh hưởng bởi điện trường nhiều hơn so với các tia khác.

+ Tia β: có tốc độ cao hơn tia α, do đó bị ảnh hưởng bởi điện trường ít hơn so với tia α.

+ Tia γ: có tốc độ cao nhất (tốc độ ánh sáng), do đó hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện trường.

Câu 2: Trong Hình 3.6. điền tên các tia phóng xạ theo khả năng đâm xuyên của chúng qua các chất.

Hình 3.6. Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ qua các chất

Hướng dẫn chi tiết:

Từ tính chất của các tia ta có thể xác định được :

+ Tia  không xuyên qua được tờ bìa dày 1mm.

+ Tia  có thể xuyên qua tờ bìa dày 1mm nhưng không xuyên qua được là nhôm dày vài mm

+ Tia  có thể xuyên qua tờ bìa dày 1mm và lá nhôm dày vài mm nhưng không xuyên qua được tấm chì dày vài cm.

IV. QUY LUẬT PHÓNG XẠ

Luyện tập 1: Hoàn thành các phương trình phóng xạ sau đây và chỉ ra phương trình đó biểu diễn quá trình phóng xạ nào.

1. a)
2. b)
3. c)

Hướng dẫn chi tiết:

1. a)

Phóng xạ tia beta -

1. b)

Phóng xạ tia alpha

1. c)

Phóng xạ tia beta +

Câu 2: Sau khoảng thời gian là bao nhiêu chu kì bán rã thì số hạt nhân chất phóng xạ còn lại bằng  số hạt nhân ban đầu?

Hướng dẫn chi tiết:

Công thức tính số phóng xạ còn lại: . Theo đề bài ta có:

  do đó  => t=4T.

Vậy sau 4 chu kì bán rã thì số phóng xạ còn lại bằng  số hạt nhân ban đầu.

Câu 3: Độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ phụ thuộc vào yếu tố nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố chính:

* Tỷ lệ phóng xạ tự nhiên (hoặc hằng số phóng xạ):

+ Đây là tỷ lệ mà một số hạt phóng xạ phân rã trong một đơn vị thời gian.

+ Mỗi loại izotope có một hằng số phóng xạ riêng, và nó quyết định tốc độ phóng xạ tự nhiên của mẫu.

+ Các izotop không ổn định sẽ phóng xạ với tốc độ khác nhau, dựa trên độ không ổn định của hạt nhân của chúng.

* Khối lượng và loại chất phóng xạ:

+ Khối lượng của mẫu phóng xạ ảnh hưởng đến tỷ lệ phóng xạ.

+ Một mẫu có khối lượng lớn hơn sẽ chứa nhiều hạt phóng xạ hơn, do đó, tỷ lệ phóng xạ sẽ cao hơn.

+ Loại chất phóng xạ cũng quan trọng, vì một số loại đồng vị có tỷ lệ phóng xạ tự nhiên cao hơn so với những loại khác.

Một số yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến độ phóng xạ của mẫu chất phóng xạ:

+  Nhiệt độ: Ở nhiệt độ cao hơn, các nguyên tử có nhiều năng lượng hơn, do đó có khả năng phân rã cao hơn, dẫn đến độ phóng xạ cao hơn.

+  Áp suất: Áp suất cao có thể ảnh hưởng đến cấu trúc nguyên tử, dẫn đến thay đổi hằng số phóng xạ và độ phóng xạ.

+ Thành phần hóa học của môi trường: Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến tốc độ phân rã của các nguyên tử, dẫn đến thay đổi độ phóng xạ.

Câu 4: Vì sao độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ giảm theo thời gian với cùng quy luật như số hạt chất phóng xạ?

Hướng dẫn chi tiết:

Độ phóng xạ kí hiệu là H được xác định bằng số hạt nhân phân rã trong một giây:

H phụ thuộc vào lượng hạt nhân phân rã do đó nó cũng giảm theo thời gian với cùng quy luật như hạt chất phóng xạ theo công thức:

Câu 3: Một mẫu chất phóng xạ  là  có độ phóng xạ 2,80.10⁷ Bq. Biết rằng hằng số phóng xạ của là 5,67.10^-3s^-1 .

1. a) Xác định số hạt nhân chất phóng xạ có trong mẫu khi đó.
2. b) Xác định số hạt positron mẫu chất phát ra trong khoảng thời gian 1,00 ms. Coi gần đúng rằng độ phóng xạ của mẫu không thay đổi trong khoảng thời gian rất ngắn này.

Hướng dẫn chi tiết:

1. a) Ta có công thức tính độ phóng xạ:

Số hạt nhân chất phóng xạ có trong mẫu khi đó là:

 (hạt).

Vậy số hạt nhân chất phóng xạ có trong mẫu khi đó là0,494.10¹⁰ hạt

1. b) Ta có phương trình phóng xạ:

Công thức tính số hạt nhân chất phóng xạ còn lại: 

Số hạt nhân còn lại sau t = 10^-3s:

 = 4939971990 hạt

Do đó số hạt nhân đã bị phân rã là: 28010 hạt

Trong quá trình phóng xạ trên, mỗi hạt nhân bị phóng xạ sẽ phát ra một hạt positron, do đó số định số hạt positron mẫu chất phát ra trong khoảng thời gian trên là: 28010 hạt.

Vậy số hạt positron mẫu chất phát ra trong khoảng thời gian 1,00 ms là 28010 hạt

Vận dụng 1: Một mẫu chứa đồng vị  là chất phóng xạ 27 với chu kì bán rã 5,27 năm, được sử dụng trong điều trị ung thư. Độ phóng xạ của mẫu khi mới sản xuất là H₀. Mẫu đó sẽ hết hạn sử dụng khi độ phóng xạ của nó giảm còn 0,70H₀. Xác định thời hạn sử dụng của mẫu đó.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có công thức tính độ phóng xạ của mẫu chất:

Mẫu đó sẽ hết hạn sử dụng khi độ phóng xạ của mẫu đó giảm còn , do đó:

Với chu kì bán rã T=5,27 năm có. Ta có:

Vậy thời hạn sử dụng của mẫu đó khoảng 2,7118 năm.

V. ỨNG DỤNG CỦA PHÓNG XẠ VÀ AN TOÀN PHÓNG XẠ

Câu 5: Tính chất nào của các tia phóng xạ là cơ sở cho phương pháp trị liệu bằng bức xạ?

Hình 3.9. Máy chiếu xạ chiếu chùm tia phóng xạ vào khối u trong cơ thể người bệnh.

Hướng dẫn chi tiết:

Tính chất của các tia phóng xạ là cơ sở cho phương pháp trị liệu bằng bức xạ là khả năng của chúng để xâm nhập vào mô tế bào và gây ra sự tổn thương hoặc tiêu diệt tế bào sống. Các tia phóng xạ, bao gồm cả tia X và tia gamma, có thể tác động lên các tế bào ung thư hoặc tế bào khối u một cách hiệu quả.

Các tính chất sau đây của tia phóng xạ đóng vai trò quan trọng trong phương pháp điều trị:

+ Tia X: có khả năng xuyên thấu vừa phải, được sử dụng để điều trị các khối u ở độ sâu trung bình.

+ Tia gamma: có khả năng xuyên thấu cao, được sử dụng để điều trị các khối u ở độ sâu lớn.

+ Tia alpha: có khả năng xuyên thấu thấp, được sử dụng để điều trị các khối u ở bề mặt da hoặc gần bề mặt.

Tế bào ung thư thường nhạy cảm hơn với tác hại của bức xạ so với tế bào khỏe mạnh, do đó tia phóng xạ có thể tiêu diệt các tế bào ung thư mà không gây hại quá nhiều cho các tế bào khỏe mạnh xung quanh

Trong các phương pháp trị liệu bằng bức xạ như hóa trị liệu bằng bức xạ, các tia phóng xạ được sử dụng để hướng tới và tiêu diệt các tế bào ung thư mà không gây tổn thương lớn cho mô bình thường xung quanh. Các quá trình này dựa vào khả năng của bức xạ để tác động lên các tế bào ung thư một cách hiệu quả hơn so với tế bào khỏe mạnh.

Vận dụng 2: Hạt nhân  là chất phóng xạ  có chu kì bán rã là 5 730 năm. Trong cây có chất phóng xạ  do hấp thụ carbon dioxide từ không khí trong quá trình quang hợp. Độ phóng xạ của một mẫu gỗ tươi và một mẫu gỗ cổ đại đã chết cùng loài, cùng khối lượng lần lượt là 0,250 Bq và 0,215 Bq. Xác định xem mẫu gỗ cổ đại đã chết cách đây bao lâu.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có công thức tính độ phóng xạ của mẫu chất:

Trong đó theo bài, độ phóng xạ của mẩu gỗ tươi là , độ phóng xạ của mẫu gỗ cổ đại đã chết cùng loài:  

Từ đó ta có:

Với T = 5730 năm =>

Vậy mẫu gỗ cổ đại đã chết cách đây khoảng t = 1246,8 năm.

Luyện tập 4: Giải thích tác dụng của những việc làm:

1. Nhắc các nguồn phóng xạ bằng kẹp dài.
2. Cất giữ các nguồn phóng xạ trong các hộp có vỏ chỉ dày.
3. Luôn mặc quần áo bảo hộ khi làm việc với các nguồn phóng xạ.

Hướng dẫn chi tiết:

1. Nhắc các nguồn phóng xạ bằng kẹp dài: Khi làm việc với các nguồn phóng xạ, việc sử dụng kẹp dài giúp tạo ra khoảng cách an toàn giữa người làm việc và nguồn phóng xạ. Khoảng cách an toàn giúp giảm nguy cơ tiếp xúc trực tiếp với phóng xạ, giảm nguy cơ bị phơi nhiễm và bảo vệ sức khỏe của người làm việc.
2. Cất giữ các nguồn phóng xạ trong các hộp có vỏ chỉ dày: Các hộp có vỏ chỉ dày được thiết kế để chứa các nguồn phóng xạ một cách an toàn. Vỏ chỉ dày giúp làm giảm lượng phóng xạ bức xạ ra ngoài và giữ cho nguồn phóng xạ được bảo quản và vận chuyển một cách an toàn.
3. Luôn mặc quần áo bảo hộ khi làm việc với các nguồn phóng xạ: Quần áo bảo hộ được thiết kế để bảo vệ người lao động khỏi tiếp xúc trực tiếp với nguồn phóng xạ. Nó cũng có thể bao gồm các phụ kiện bảo hộ như găng tay, kính bảo hộ và mặt nạ để bảo vệ toàn diện. Sử dụng quần áo bảo hộ giúp giảm nguy cơ tiếp xúc với phóng xạ, ngăn chặn sự xâm nhập của chất phóng xạ vào cơ thể và bảo vệ sức khỏe của người lao động.

Vận dụng 3: Bạn đã gặp các biển báo như trong Hình 3.13 ở đâu? Bạn nên làm gì khi nhìn thấy những biển báo đó?

Hướng dẫn chi tiết:

- Biển báo nguy hiểm do phóng xạ thường được đặt tại các khu vực hoặc cơ sở nơi có nguy cơ tiếp xúc với phóng xạ, chẳng hạn như các phòng điều trị bệnh, phóng xạ công nghiệp, các nhà máy điện hạt nhân, hoặc các cơ sở xử lý chất phóng xạ.

- Các biển báo này thông thường có các ký hiệu hoặc hình ảnh đặc biệt để chỉ ra sự hiện diện của nguy cơ phóng xạ.

- Khi nhìn thấy các biển báo nguy hiểm do phóng xạ, bạn nên tuân thủ các hướng dẫn và biện pháp an toàn được liệt kê trên biển báo. Điều quan trọng là phải tuân thủ các hướng dẫn an toàn cụ thể cho khu vực đó, bao gồm:

+ Hạn chế thời gian tiếp xúc với khu vực hoặc vật liệu phóng xạ.

+ Sử dụng các thiết bị bảo hộ cá nhân như mặt nạ, găng tay, áo bảo hộ, kính bảo hộ, nếu cần thiết.

+ Theo dõi các hướng dẫn cụ thể của nhân viên an toàn hoặc nhân viên có kinh nghiệm trong lĩnh vực phóng xạ.

+ Nếu bạn không có sự đào tạo hoặc kinh nghiệm cần thiết để tiếp xúc với phóng xạ một cách an toàn, bạn nên tránh xa khu vực đó và thông báo cho nhân viên chuyên môn hoặc cơ quan quản lý an toàn về vấn đề đó.

+  Đừng bao giờ tự ý xâm nhập vào các khu vực có nguy cơ phóng xạ mà không có sự hướng dẫn hoặc giám sát của người có kinh nghiệm.