Đang tải... (xem toàn văn)
CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN
Bộ Giáo dục và Đào tạo Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM TIỂU LUẬN VẬT LÝ Đề Tài: Tp. Hồ Chí Minh 2 2010 MỤC LỤC I. Phân bố các nguồn phóng xạ tự nhiên: 3 II. Sự phân bố phóng xạ trong thạch quyển và địa quyển: .17 III. Những vùng có phông phóng xạ tự nhiên cao trên thế giới .21 3 Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại, gồm nguồn phóng xạ tự nhiên (natural radioactive source) và nguồn phóng xạ nhân tạo (artificial radioactive source). Nguồn phóng xạ tự nhiên, mà người ta thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên, là các chất đồng vị phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước và trong bầu khí quyển. Còn nguồn phóng xạ nhân tạo do người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. I. Phân bố các nguồn phóng xạ tự nhiên: I.1. Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình thành. Năm 1896 nhà bác học người Pháp Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến nay người ta biết các chất phóng xạ trên trái đất gồm các nguyên tố uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng một số nguyên tố phóng xạ khác. Uranium, thorium và con cháu của chúng tạo nên 3 họ phóng xạ cơ bản là họ thorium (Th 232 ), uranium (U 238 ) và actinium (U 235 ) (các bảng 3.1,3.3 và 3.4 tương ứng). Tất cả các thành viên của các họ này, trừ thành viên cuối cùng đều là các đồng vị phóng xạ. Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là U 238 , khoảng 0,7% là U 235 và khoảng 5.10 -3 % là U 234 . U 238 và U 234 thuộc cùng một họ, gọi là họ uranium, còn U 235 là thành viên đầu tiên của một họ khác, gọi là actinium. Th 232 là thành viên đầu tiên của họ thorium. Họ phóng xạ thứ tư là họ phóng xạ nhân tạo, được gọi là học neptunium (bảng 3.2). Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Lý do dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của trái đất. Điều này được minh họa bằng họ phóng xạ nhân tạo neptunium, trong đó thành viên thứ nhất là nguyên tố siêu uranium Pu 241 , được sinh ra khi chiếu Pu 239 trong trường neutron. Thời gian bán rã của Pu 341 là 13 năm, do đó một thế kỷ cũng đủ để đồng vị này rã hết. Ngay cả thành viên 4 sống dài nhất, là Np 237 với thời gian bán rã 2,2.10 6 năm, cũng là đủ ngắn để nó phân rã hết nếu nó được sinh ra cùng thời với các nguyên tố khác của trái đất. Đặc điểm chung thứ hai của ba họ phóng xạ tự nhiên là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon. Trong trường hợp họ uranium, khí 86 Rn 222 được gọi là radon, trong họ thorium, khí 86 Rn 220 được gọi là thoron, còn trong họ actinium khí 86 Rn 219 được gọi là actinon. Chú ý rằng trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ . Sự có mặt của các khí phóng xạ trong ba họ phóng xạ tự nhiên là một trong các lý do chính gây nên phông phóng xạ tự nhiên của môi trường. Trong ba loại khí phóng xạ thì radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian bán rã của thoron (52s) và actinon (3,92s). khí radon khuếch tán từ trái đất vào không khí và các con cháu radon phóng xạ, thường ở dạng rắn trong các điều kiện thông thường, bám vào các hạt bụi khí quyển. Đứng về phương diện an toàn bức xạ, sự chiếu ngoài cùa radon và con cháu nó lên người không tác hại bằng sự chiếu trong cơ thể khi con người hít thở bụi có các nhân phóng xạ bám vào vì chúng là các nhân phát hạt alpha. Hàm lượng radon trong không khí phụ thuộc vào hàm lượng uranium trong đất, do đó ở các vùng mỏ quặng uranium cần phải lưu ý ành hưởng của bụi khí phóng xạ lên sức khỏe con người. Ngoài ra, trong điều kiện tự nhiên hàm lượng radon trong nhà cao hơn ngoài trời vài ba lần, do đó cần kiểm tra liều bức xạ trong nhà do radon gây ra. Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alpha a Beta Gamma b 90 Th 232 1,39.10 10 năm 3,98 88 Ra 228 (MsTh1) 6,7 năm 0,01 89 Ac 228 (MsTh2) 6,13 h Sơ đồ phân rã phức tạp Nhóm beta cường độ cao nhất là 1,11 MeV 1,59(0,03) 0,966(0,2) 0,908(0,25) 90 Th 228 1,91 năm 5,421 5 (RdTh) 88 Ra 224 (ThX) 3,64 ngày 5,681 0,084 (0,016) 36 Rn 220 (Tn) 52 s 6,278 0,241 (0,038) 84 Po 216 (ThA) 0,158 s 6,774 0,542 (0,0002) 82 Pb 212 (ThB) 10,64 h 0,35; 0,59 0,239 (0,40) 83 Bi 212 (ThC) 60,5 phút 6,086 (33,7%) c 2,25 (66,3%) c 0,04 nhánh 0,034) 84 Po 212 (ThC’) 3,04.10 -7 s 8,776 81 Tl 208 (ThC”) 3,1 phút 1,80; 1,29; 1,52 2,615 (0,997) 82 Pb 208 (ThD) Bền Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Bảng 3.2: Họ neptunium (4n + 1) a Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alpha b Beta Gamma c 94 Th 228 13,2 năm 0,02 95 Am 241 462 năm 5,496 0,060 (0,4) 93 Np 237 2,2.10 6 năm 4,77 91 Pa 233 27,4 ngày 0,26; 0,15; 0,57 0,31 (rất mạnh) 92 U 233 1,62.10 5 năm 4,823 0,09 (0,02) 0,056 (0,02) 0,042 (0,15) 90 Th 229 7,34.10 3 năm 5,02 90 Ra 225 14,8 ngày 0,32 89 Ac 225 10,0 ngày 5,80 89 Fr 221 4,8 phút 6,30 0,216 (1) 85 At 217 0,018 s 7,02 83 Bi 213 47 phút 5,86 (2%) d 1,39 (98%) d 84 Po 213 4,2.10 -6 s 8,336 81 Tl 209 2,2 phút 2,3 0,12 (yếu) e 82 Pb 209 3,32 h 0,635 83 Bi 209 Bền 6 Chú thích: a. Họ này không tồn tại trong tự nhiên mà được sản xuất nhân tạo; b. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; c. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; d. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn; e. Không biết cường độ chính xác. Bảng 3.3: Họ uranium (4n + 2) Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alpha a Beta Gamma b 92 U 238 4,51 năm 4,18 90 Th 234 (UX2) 24,10 ngày 0,193; 0,103 0,092 (0,04) 0,063 (0,03) 91 Pa 234m (UX2) 1,175 phút 2,31 1,0 (0,015) 0,76 (0,0063) Biến đổi nội 91 Pa 234 (UZ) 6,66 h 0,5 Rất yếu 92 U 234 (UII) 2,48.10 5 năm 4,763 90 Th 230 (I o ) 8,0.10 4 năm 4,685 0,068 ( 0,0059) 88 Ra 226 1.622 năm 4,777 86 Rn 222 (Rn) 3,825 ngày 5,486 0,51 (rất yếu) 84 Po 218 (RaA) 3,05 phút 5,998 (99,978%) c Không biết năng lượng (0,022%) c 0,186 (0,030) 85 At 218 (RaA’) 2 s 6,63 (99,9%) c Không biết năng lượng (0,1%) c 86 Rn 218 (RaA”) 0,019 s 7,127 82 Pb 214 (RaA”) 26,8 phút 0,65 0,352 (0,036) 0,295 (0,020) 0,242 (0,07) 83 Bi 214 (RaC) 19,7 phút 5,505 (0,04%) c 1,65; 3,7 (99,96%) c 0,609 (0,295) 1,12 (0,131) 84 Po 214 (RaC’) 1,64.10 -4 s 7,680 81 Tl 210 (RaC”) 1,32 phút 1,96 2,31 (1) 0,783 (1) 0,297 (1) 7 82 Pb 210 (RaD) 19,4 năm 0,0017 0,0467 (0,045) 83 Bi 210 (RaE) 5,00 ngày 1,17 84 Po 210 (RaF) 138,40 ngày 5,298 0,802 (0,000012) 82 Pb 206 (RaG) Bền Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Đặc điểm thứ ba của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì: Pb 206 trong họ uranium, Pb 207 trong họ actinium và Pb 208 trong họ thorium.Trong khi đó thành viên cuối củng trong họ neptunium là Bi 209 . Bốn họ phóng xạ nêu trên thường được ký hiệu là các họ 4n, 4n+1, 4n+2 và 4n+3, do phép chia cho 4 còn dư của số khối lượng các thành viên của chúng. Họ 8 thorium bắt đầu bằng đồng vị Th 232 , có số khối lượng A=232, được chia tròn cho 4. Do các phân rã trong họ này đều thực hiện bằng cách phóng các hạt alpha, có số khối lượng bằng 4 hoặc các hạt beta có số khối lượng bằng 0 nên số khối lượng của tất cả các thành viên trong họ thorium cũng chia hết cho 4. Do đó họ thorium gọi là họ 4n. Cũng lập luận tương tự, họ uranium gọi là họ 4n+2 do số khối lượng của U 238 và các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 2, và họ actinium là họ 4n+3 do số khối lượng của U 235 va các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 3. Một họ còn thiếu đó là họ neptunium, gọi là họ 4n+1, có số khối lượng của Pu 241 và các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 1. Bảng 3.4: họ actinium (4n+3) Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Alpha a Belta Gamma b 92 U 235 7,13.10 8 năm 4,39 0,18(0.7) 90 Th 231 25,64 h 0,094; 0,302; 0,216 0,022 (0,7) 0,0085 (0,4) 0,061 (0,16) 91 Pa 231 3,43.10 4 năm 5,049 0,33 (0,05) 0,027 (0,05) 0,012 (0,01) 89 Ac 227 21,8 năm 4,94 (1,2%) a 0,0455 (98,8%) c 90 Th 227 (RdAc) 18,4 ngày 6,03 0,24 (0,2) 0,05 (0,15) 87 Fr 223 (AcK) 21 phút 1,15 0,05 (0,40) 0,08 (0,24) 88 Ra 223 (AcX) 11,68 ngày 5,750 0,270 (0,10) 0,155 (0,055) 86 Rn 219 (An) 3,92s 6,824 0,267 ( 0,086) 0,392 (0,048) 84 Po 215 1,83.10 -3 s 7,635 82 Pb 211 36,1 phút 1,14; 0,5 Phổ phức tạp, 0,065 đến 0,829 MeV 83 Bi 211 (AcC) 2,16 phút 6,619 (99,68%) c Không biết năng lượng (0,32%) c 0,35 (0,14) 84 Po 211 (AcC’) 0,52 s 7,434 0,88 (0,005) 0,56 (0,005) 81 TI 207 (AcC’’) 4,78 phút 1,47 0,87 ( 0,005) 9 82 Pb 207 Bền Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng 3.5. Bảng 3.5 Các đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Hạt nhân Độ giàu đồng vị (%) Thời gian bán rã ( năm) Các bức xạ chính Các hạt (MeV) Gamma K 40 0,0119 1,3.10 9 1,35 1,46 MeV Rb 87 27,85 5,0.10 10 0,275 Không có La 138 0,089 1,1.10 11 1,0 0,80; 1,43 MeV Sm 147 15,07 1,3.10 11 2,18 Không có Lu 176 2,6 3,0.10 10 0,43 0,20; 0,31 MeV Re 137 62,93 5,0.10 10 0,043 Không có Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K 40 , rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương khoảng 380mg/lít), trong thực vật, động vật, cơ thể con người (hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7g/kg). Đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là C 14 với thời gian bán rã 5600 năm. Nó không phải là đồng vị “tự nhiên” như các đồng vị sống dài nêu trên mà là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân N 14 . Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của C 14 trong khí quyển vào khoảng 1,5.10 11 MBq (4MCi), trong thực vật vào khoảng 4,8.10 11 MBq (13MCi) và trong đại dương vào khoảng 9.10 12 MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng C 14 . Tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân cho đến năm 1960 đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.10 MBq (3MCi). Carbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí C 14 O 2 do đó chúng được các con vật hít vào và cây cối hấp thụ trong quá trình quang hợp. Vì chỉ có 10 các thực vật còn sống mới hấp thụ C 14 cùng với carbon không phóng xạ nên có thể xác định tuổi thực vật bằng cách đo hoạt độ riêng của carbon hiện tại. Nếu giả thiết rằng tốc độ sinh C 14 , cũng như nồng độ của nó trong không khí, không đổi trong suốt vài chục nghìn năm trở lại đây, thì có thể đánh giá được tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ theo các số liệu đo hoạt độ riêng C 14 của chúng I.2. Các tia vũ trụ: Các bức xạ proton, alpha, … năng lượng cao rơi vào khí quyển Trái Đất từ không gian bên ngoài gọi là các tia vũ trụ. Tia vũ trụ có năng lượng cỡ từ hàng chục MeV đến 10 20 eV hay cao hơn. Trên đường đi đến mặt đất, tia vũ trụ xuyên qua lớp vật chất dày khoảng 10 3 g/cm 2 của khí quyển và do tương tác với vật chất nên hình thành các bức xạ khác với tia vũ trụ nguyên thủy. Tia vũ trụ nguyên thủy gọi là tia vũ trụ sơ cấp còn bức xạ sinh ra do vũ trụ sơ cấp tương tác với bầu khí quyển gọi là tia vũ trụ thứ cấp. I.2.1. Các tia vũ trụ sơ cấp: .a Thành phần các tia vũ trụ sơ cấp: Các tia vũ trụ sơ cấp gồm hai thành phần là thành phần thiên hà, chúng được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa Trái Đất, và thành phần Mặt Trời, sinh ra từ các vụ nổ Mặt Trời. Thành phần thiên hà gồm 79% các proton năng lượng cao, 20% các hạt alpha và các hạt ion nặng hơn, phần còn lại là các electron, photon, neutron,… Thành phần Mặt Trời gồm các proton và hạt alpha với năng lượng tương đối thấp, vào khoảng ≤ 400 MeV và có cường độ rất lớn ≈ 10 6 – 10 7 hạt/cm 2 .s. Cũng có những trường hợp đặc biệt, chúng có năng lượng một vài GeV. Các tia vũ trụ sơ cấp đẳng hướng và không đổi theo thời gian với cường độ khoảng 2-4 hạt/cm 2 .s. Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành các nhóm như sau: Nhóm p gồm proton, deutron và triton; nhóm α gồm alpha và 2 He 3 ; nhóm các hạt nhân nhẹ gồm lithium, beryllium và boron (Z = 3-5); nhóm các hạt nhân trung bình gồm carbon, oxygen, nitrogen và flourine (Z = 6-9); nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z ≥ 10; nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z ≥ 20 và nhóm các hạt nhân siêu [...]... 0,17 I.6 Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người: Cơ thể con người được cấu tạo nên từ các nguyên tố hóa học, vì vậy trong cơ thể người có các nhân phóng xạ Một số các nhân phóng xạ vào cơ thể do ăn thực phẩm và uống nước cũng như do hít thở hằng ngày Bảng 3.11 trình bày một số nhân phóng xạ chính trong cơ thể người lớn, nặng 70kg Bảng 3.11 Một số nhân phóng xạ chính trong cơ thể người Nhân phóng xạ Tổng... trong đó chủ yếu là các hạt muon Ngoài ra các hạt sơ cấp và các hạt thứ cấp nêu trên, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân bền Các hạt nhân phóng xạ gồm H 3, Be7, P32, S35,Cl39 Nói riêng, do bức xạ vũ trụ, nồng H3 trong nước của Trái Đất chiếm khoảng 10-16% Trong số các đồng vị bền, đáng... Li6, thành phần vũ trụ làm tăng độ phổ biến của nó trong tự nhiên là 0,03 % I.3 Các nhân phóng xạ tự nhiên có trong các vật liệu xây dựng nhà ở Trong các vật liệu xây dựng nhà có một số nhân phóng xạ Bảng 3.8 trình bày một số vật liệu xây dựng cơ bản và những số liệu ước tính về uranium, thorium và potassium Bảng 3.8 : hoạt độ các nhân phóng xạ có torng một số vật liệu xây dựng cơ bản Vật liệu Granite... gia thạch cao Thạch cao thiên nhiên Gỗ Gạch đất nung Uranium (Bq/kg) 63 6 46 11 14 186 Thorium (Bq/kg) 8 7 21 8,5 12 666 15 7,4 148 111 44 3330 666 K40 (Bq/kg) 1184 414 237 385 89 5,9 I.4 Các nhân phóng xạ có trong nước biển Toàn bộ nước trên trái đất, kể cả nước biển, đều chứa các nhân phóng xạ Bảng 3.9 hoạt độ các nhân phóng xạ có trong nước biển các đại dương Nhân phóng xạ Hoạt độ dùng để tính toán... học trong lòng chảo sông preto ở Brazil Với các loại đá mẹ khác nhau và dưới những điều kiện môi trường khác nhau các chuỗi nuclide phân rã có xu hương bị rửa trôi hoặc bị tích tụ III Những vùng có phông phóng xạ tự nhiên cao trên thế giới Mức phông phóng xạ được hình thành từ các nguồn thuộc vỏ trái đất (K 40, Th232, Ra226,…) và các tia vũ trụ hay bụi phóng xạ Mức phông thường gần như không đổi trên... giới với mật độ dân cư đông và mức phông phóng xạ tự nhiên cũng cao Mức phông cao nhất được tìm thấy ở Brazil, Ấn Độ, và Trung Quốc Mức phông phóng xạ cao chủ yếu do nồng độ các chất khoáng có các nguyên tố đất hiếm rất khó hòa tan có trong các bãi cát ven biển cùng với khoáng chất ilmenit, cát có màu đen đặc trưng Các nhân phóng xạ chính có trong monazit là các nhân trong dãy thorium và đôi khi cũng... mGy/năm Tại một vùng ở Trung Quốc có suất liều bức xạ tự nhiên cỡ 3-4 mGy/năm Kết quả này cũng do monazit chứa thorium gây nên Theo tài liệu của Hội đồng về các hiệu ứng sinh học do bức xạ ion hóa BEIR V (Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation), báo cáo về ảnh hưởng của các mức phóng xạ thấp đối với sức khỏe thì trong các vùng có phông phóng xạ cao có hiện tượng biến đổi nhiễm xác thể xảy... hạt tích điện với năng lượng một vài GeV trở xuống không thể bay vào cũng như bay ra khỏi chúng Các bẫy từ có dạng các hình xuyến bao quanh Trái Đất và là các đới tích tụ các hạt tích điện Các đới này chủ 13 yếu chứa các hạt proton và electron, được gọi là các vành đai bức xạ của Trái Đất Khoảng cách từ các vành đai này đến mặt đất phụ thuộc vào năng lượng tia sơ cấp, năng lượng càng cao thì chúng... vào quá trình sinh các hạt hadron Thành phần mềm của tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt electron, positron và gamma Tia gamma năng lượng cao được sinh ra đồng thời với các hạt hadron do quá trình phân rã pion trung hoà: π 0 → γ+γ Các gamma năng lượng cao này, khi đi xuyên qua môi trường, sinh các cặp electron-positron roi các cặp electron-positron phát ra các tia gamma hãm Quá trình sinh các electron, positron,... tích tụ các mỏ sa khoáng Theo thời gian, các điểm tích tụ này bị chôn vùi, ép sâu và bị biến chất thành các mỏ kết tủa sỏi cuội kết thạch anh Các mỏ kết tủa này là nguồn uran chính trong các vùng mỏ có tầm kinh tế quan trọng của Nam Phi và Canada 18 II.2 Đá trầm tích: Khoảng 1,4 tỷ năm trước hoặc sớm hơn, uranphong hóa từ các đá núi lửa, đá kết 2+ tinh hoặc đá trầm tích bị khuyếch tán dưới dạng các ion . tốc. I. Phân bố các nguồn phóng xạ tự nhiên: I.1. Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước. source) và nguồn phóng xạ nhân tạo (artificial radioactive source). Nguồn phóng xạ tự nhiên, mà người ta thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên, là các chất