Tia Beta I Định nghĩa Tia Beta gặp trường hợp hạt nhân không ổn định không nặng lại có nhiều proton hay notron Khi có nhiều notron biến đổi notron thành proton phát sinh điện tử(-), tốc độ cao, hạt ß (-) Khi có nhiều protron, biến đổi ngược lại phát sinh điện tử (+) hay positron hạt ß (+) Như vậy, tia ß chùm điện tử, phát sinh từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo tượng hạt nhân trung hoà (nơtron) biến thành hạt mang điện (protron) ngược lại II Nguồn gốc 1.Phân rã Là hạt electron (e) với khối lượng m = 9,1.10-31 kg, điện tích điện tích electron e = -1,6.10 -19 Phân rã beta xảy hạt nhân phóng xạ thừa neutron Tức tỉ sốquá cao đường cong bền hạt nhân Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu zXA chuyển thành hạt nhân z+1 YA phát hạt electron phản hạt neutrino V Trong M(Z,A), M(Z+1,A) me khối lượng hạt nhân , khối lượng electron Tuy nhiên thực tế người ta không đo khối lượng hạt nhân mà đo khối lượng nguyên tử, thay khối lượng hạt nhân thành khối lượng nguyên tử trước phân rã sau phân rã sau: = M(Z, A) + = M(Z +1, A) + ( Khi điều kiện phân rã ß- thành: > 2.Phân rã ß+ Là hạt positron có khối lượng khối lượng electron song có điện tích dương + 1e Phân rã positron xảy hạt nhân có tỉ số thấp phân rã alpha không xảy không thỏa mãn điều kiện lượng theo công thức: Khác với electron, hạt positron không tồn lâu tự nhiên Positron gặp electron nguyên tử hai hạt hủy cho hai tia gamma có lượng 0,511 Mev Đối với phân rã ß+ điều kiện khối lượng hạt nhân là: M ( Z, A) > M ( Z -1, A) + me Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mị > Mf + 2me Mi = M(Z, A) + Zme Mf = M(Z -1, A) + (Z - 1) me III Tính chất 1.Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên chế tương tác với vật chất tương tác tĩnh điện với electron quỹ đạo làm kích thích ion hóa nguyên tử môi trường Trong trường họp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta phần lượng E t để đánh bật electron quỹ đạo Động E k electron bị bắn liên hệ với lượng ion hóa nguyên tử E độ lượng E t sau: Ek = Et-E Trong đố lượng ion hóa E xác định theo công thức: E = Rh( -1) = -Rh Trong nhiều trường hợp electron bắn có động đủ lớn để ion hóa nguyên tử tiếp theo, electron thứ cấp (delta electron) Do hạt beta phần lượng để ion hóa nguyên tử, nên dọc theo đường mình, gây thêm số lớn cặp ion Năng lượng trung bình để sinh cặp ion thường gấp đến lần lượng ion hóa Bởi vì, trình ion hóa, hạt beta lượng kích thích nguyên tử Do hạt beta có khối lượng khối lượng electron quỹ đạo nên va chạm chúng làm hạt beta chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu Do đó, hạt beta chuyền động theo đường cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm môi trường hấp thụ cuối dừng lại hết lượng Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng số cặp ion tạo hạt beta chuyển động centimet môi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng cao đối vối hạt beta lượng thấp, giảm dần tăng lượng hạt beta đạt cực tiểu lượng khoảng MeV, sau tăng chậm( hình 1.1 ) Độ ion hóa riêng xác định qua tốc độ lượng tuyến tính hạt beta ion hóa kích thích, thông số quan trọng dùng để thiết kế thiết bị đo liều xạ tính toán hiệu ứng sinh học xạ Tốc độ lượng tuyến tính hạt beta tuân theo công thức: ={ln -} MeV/cm Trong đó: q = l,6.C, điện tích electron N số nguyên tử chất hấp thụ cm3 Z số nguyên tử chất hấp thụ NZ = 3,88.102 / số electron không khí nhiệt độ 0°c áp suất 76 cm thủy ngân = 0,51 MeV, lượng tĩnh electron động hạt beta β = v/c , v vận tốc hạt beta c = 3.1010cm/s I = 8,6.MeV không khí I=l,36.Z (MeV) chất hấp thụ khác, lượng ion hóa kích thích nguyên tử chất hấp thụ Nếu biết trước đại lượng w, độ lượng trung bình sinh cặp ion, độ ion hóa riêng s tính theo công thức sau: s= Trong c.i cặp ion Hệ số truyền lượng tuyến tính Độ ion hóa riêng dùng xem xét độ lượng ion hóa Khi quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ lượng tuyến tính môi trường hạt beta qua Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ lượng nói hệ số truyền lượng tuyến tính Hệ số truyền lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) định nghĩa theo công thức sau: LET= Trong d lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ qua quãng đường dài dl Đơn vị đo thường dùng LET keV / μm 4.Bức xạ hãm Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu lượng dạng xạ điện từ, gọi xạ hãm, hay Bremsstrahlung Năng lượng xạ hãm phân bố liên tục từ đến giá trị cực đại động hạt beta Khó tính toán dạng phân bố lượng xạ hãm nên người ta thường sử dụng đường cong đo đạt thực nghiệm Để đánh giá mức độ nguy hiểm xạ hãm, người ta thường dùng công thức gần sau đây: f = 3,5 Z Trong f phần lượng tia beta chuyển thành photon, z số nguyên tử chất hấp thụ (MeV) lượng cực đại hạt beta 5.Quãng chạy hạt beta vật chất Do hạt beta lượng dọc theo đường nên quãng đường hữu hạn Như vậy, cho chùm tia beta qua vật chất, chùm tia bị dừng lại sau khoảng đường Khoảng đường gọi quãng chạy (range) hạt beta, quãng chạy hạt beta phụ thuộc vào lượng tia beta mật độ vật chất môi trường hấp thụ Biết quãng chạy hạt beta với lượng cho trước tính độ dày vật che chắn làm từ vật liệu cho trước Một đại lượng thường dùng tính toán thiết kế che chắn độ dày hấp thụ (absorber half thickness), tức độ dày chất hấp thụ làm giảm số hạt beta ban đầu lại 1/2 sau qua hấp thụ Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ nửa vào khoảng 1/8 quãng chạy Hình 1.2 trình bày phụ thuộc quãng chạy cực đại hạt beta vào lượng chúng số chất hấp thụ thông dụng Hình 1.2 cho thấy quãng chạy hạt beta với lượng cho trước giảm tăng mật độ chất hấp thụ Hình 1.2: Năng lượng hạt beta, MeV Ngoài bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet người ta dùng bề dày mật độ d m (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn vị g/cm2, xác định sau: dm(g/cm2) = p(g/cm3).d (cm) Trong đó: p mật độ khối chất hấp thụ tính theo g/cm3 Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính toán bề dày không phụ thuộc vào vật liệu cụ thể Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả phụ thuộc quãng chạy hạt beta tính theo đon vị bề dày mật độ vào lượng Đường cong dùng thay cho đường cong hình 1.2 tính quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ Đường cong quãng chạy - lượng hình 1.3 biểu diễn công thức sau đây: Đối với miền lượng beta 0,01 ≤ E ≤ 2,5 MeV Trong R quãng chạy, tính theo mg/cm2 E lượng cực đại tia beta, tính theo đơn vị MeV 6.Phổ lượng β Khác với phân rã alpha, phân rã beta có hai hạt bay electron phản neutrino Do phân bố lượng phân rã beta quan tâm đến lượng tổng cộng mà phân bố lượng hai hạt bay Ở bỏ qua lượng giật lùi bé hạt nhân Do tính chất thống kê trình phân rã nên phân chia lượng electron phản neutrino phân rã ngẫu nhiên, lượng electron có giá trị từ đên lượng cực đại Emax Tuy nhiên với số lớn phân rã beta phân bố lượng electron ngẫu nhiên mà có dạng xác định Phân bố lượng gọi phổ electron phân rã beta Khác với phổ alpha phổ vạch, tất hạt alpha nhóm có lượng Trong phổ beta liên tục có dạng hình vẽ: 0,5 1,0 1,5 Năng lượng hạt beta, MeV Hình 1.4: Phổ lượng electron phân rã beta đồng vị phóng xạ P32 Tính đâm xuyên Tia beta điện tử, sức xuyên thấu mạnh so với tia alpha bị chặn lại kính mỏng kim loại Sẽ nguy hiểm hấp thụ vào thể chất phát tia beta