Nội dung chính Vật lí 12 cánh diều Bài 3: Phóng xạ

CHỦ ĐỀ 4: VẬT LÍ HẠT NHÂN

BÀI 3: PHÓNG XẠ

I. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

- Tia phóng xạ: những tia có thể tác dụng lên kính ảnh.

- Chất phóng xạ: chất có thể phát ra tia phóng xạ. (Uranium, polonium và radium)

- Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững, phát ra các tia phóng xạ và biển đổi thành hạt nhân khác.

II. CÁC TIA PHÓNG XẠ

1. Tia 

- Tia  là dòng các hạt nhân 24He (hạt ), chuyển động với tốc độ khoảng 2.107 m/s. 

- Tính chất:

Tia  làm ion hoá mạnh các nguyên tử trên đường đi của nó và mất năng lượng rất nhanh. → Tia  chỉ đi được vài centimet trong không khí và không xuyên qua được tờ bìa dày 1 mm.

2. Tia 

- Có hai loại tia ẞ:

• Tia - là dòng các hạt electron (kí hiệu là -10e). 

Đồng vị 614C là chất phóng xạ - (Hình 3.3). 

• Tia +  là dòng các hạt positron (kí hiệu là 10e). Positron có khối lượng bằng khối lượng hạt electron và có điện tích +e. Nó được gọi là phản hạt của electron. 

Đồng vị 1122Na là chất phóng xạ + (Hình 3.4).

- Tính chất:

+ Tia  chuyển động với tốc độ rất lớn. 

+ Tia  làm ion hoá môi trường nhưng yếu hơn tia . 

 Tia có thể đi vài mét trong không khí và có thể bị chặn lại bởi lá kim loại dày vài milimet.

- Trong các quá trình phóng xạ , có sự tồn tại của các hạt mới trong sản phẩm, là hạt neutrino 00v và phản neutrino 00v. Các hạt này có khối lượng rất nhỏ, không mang điện và chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không.

3. Tia 

- Tia  là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (nhỏ hơn 10-11 m) hay chính là các hạt photon có năng lượng icao. 

- Tính chất:

+ Tia  có khả năng đâm xuyên lớn. Nó có thể đi được khoảng một mét trong bê tông hoặc vài centimet trong chì trước khi bị hấp thụ hoàn toàn.

- Tia  thường là tia phóng xạ đi kèm theo phóng xạ  hoặc . Hạt nhân sinh ra trong các quá trình phóng xạ  hoặc  có thể ở trạng thái kích thích và phóng xạ tia  để trở về trạng thái cơ bản.

III. PHƯƠNG TRÌNH PHÓNG XẠ

- Các quá trình phóng xạ và các quá trình biến đổi hạt nhân khác như phân hạch và nhiệt hạch được gọi chung là các phản ứng hạt nhân. 

- Trong các phản ứng hạt nhân, số nucleon được bảo toàn. Đồng thời, tổng đại số điện tích của các hạt trước phản ứng bằng tổng đại số điện tích của các hạt sản phẩm.

Phương trình phản ứng trong Hình 3.2
92238U90234Th+24He

- Phương trình mô tả các quá trình phóng xạ có dạng tổng quát:

Phóng xạ : ZAXZ-2A-4Y+24He

Phóng xạ -: ZAXZ+1AY+-10e+00v

Phóng xạ +: ZAXZ-1AY+10e+00v

IV. QUY LUẬT PHÓNG XẠ

1. Đặc tính của quá trình phóng xạ

- Là quá trình tự phát và không điều khiển được.

- Là một quá trình ngẫu nhiên.

Do đó, chỉ có thể tiến hành việc khảo sát có tính thống kê sự biến đổi của một số lớn hạt nhân phóng xạ.

2. Chu kì bán rã và hằng số phóng xạ

Giả sử, một mẫu có N0 hạt nhân chất phóng xạ tại thời điểm ban đầu (t = 0), cứ sau một khoảng thời gian T xác định thì số hạt nhân chất phóng xạ giảm chỉ còn bằng một nửa giá trị ban đầu của chúng. T được gọi là chu kì bán rã của chất phóng xạ. 

- Số hạt nhân chất phóng xạ còn lại N có trong mẫu giảm dần theo thời gian theo hàm số có dạng:

N = N0 2-tT  (3.5)

Công thức (3.5) còn có thể viết dưới dạng:

N=N0e-ln2 Tt=N0e-λt(3.6)

Với λ=ln2T gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho từng loại chất phóng xạ. Hằng số phóng xạ càng lớn thì chất phóng xạ phân rã càng nhanh.

Nếu chu kì bán rã (s) thì hằng số phóng xạ (s-1).

3. Độ phóng xạ

- Xét một mẫu chất phóng xạ có N hạt nhân tại thời điểm t. Độ phóng xạ đặc trưng cho tính mạnh hay yếu của mẫu chất phóng xạ đó. Kí hiệu H.

H=∆N∆t

Đơn vị: 1 Bq = 1 phân rã/giây

- Công thức liên hệ giữa H và : H=λN

- Công thức liên hệ giữa H và t:

H=λN=λNoe-λt=H0e-λt

Với H0=λN0 là độ phóng xạ của mẫu đó ở thời điểm ban đầu (t = 0).

Ví dụ  (SGK – tr.105)

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

1. Ứng dụng của phóng xạ

- Phương pháp nguyên tử đánh dấu, được ứng dụng trong các lĩnh vực: y học, dò tìm và phát hiện rò rỉ trong đường ống, theo dõi sự vận chuyển chất dinh dưỡng trong cây,….

- Điều trị bệnh, sử dụng chùm tia phóng xạ để tiêu diệt tế bào ung thư.

- Trong nông nghiệp: phóng xạ sử dụng trong lai tạo giống cây mới, chiếu xạ nông sản và thực phẩm.

- Trong khảo cổ học sử dụng phương pháp xác định tuổi bằng đồng vị carbon 14 để xác định niên đại của các cổ vật gốc sinh vật khai quật được.

2. An toàn phóng xạ

- Các tia phóng xạ xuất hiện trong môi trường tự nhiên được gọi là phóng xạ nền, có nguồn gốc từ các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có trong không khí, đất, đá và từ sự tương tác của các tia vũ trụ với bầu khí quyển Trái Đất. 

+ Phóng xạ có nguồn gốc từ các hoạt động của con người như: chất thải phân hạch từ các nhà máy điện hạt nhân, thử nghiệm vũ khí hạt nhân, các phóng xạ hạt nhân trong chẩn đoán và điều trị y tế,...

- Con người có thể bị phơi nhiễm chất phóng xạ qua da, hô hấp, ăn uống. Khi đi vào cơ thể, chất phóng xạ di chuyển đến các vị trí khác nhau và tiếp tục phát ra tia phóng xạ phá hủy mô, tế bào, cơ quan. Tuỳ thuộc vào liều lượng, tỉ lệ phơi nhiễm, loại tia phóng xạ và phần cơ thể bị phơi nhiễm mà cơ thể người khi bị nhiễm phóng xạ có các biểu hiện khác nhau.

- Nguyên tắc đảm bảo an toàn phóng xạ

- Các biện pháp để thực hiện an toàn phóng xạ:

+ Những người làm việc trong môi trường có nguy cơ hấp thụ liều lượng phóng xạ cao cần được trang bị máy đo liều lượng phóng xạ cá nhân và quần áo bảo hộ phù hợp (Hình 3.11 và Hình 3.12).

+ Biện pháp hành chính

• Xây dựng nội quy an toàn phóng xạ.
  • Gắn biển cảnh báo phóng xạ (Hình 3.13).
  • Thiết lập vùng kiểm soát và vùng giám sát.

Ví dụ (SGK – tr.108+109)