TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƢ PHẠM TÌM HIỂU HIỆN TƯỢNG PHĨNG XẠ TRONG TỰ NHIÊN Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÝ-CÔNG NGHỆ Gv hướng dẫn: ThS Hoàng Xuân Dinh Sinh viên: Phạm Thanh Dũng Lớp: Sư Phạm Vật Lý-Công Nghệ K34 Mã Số SV : 1080314 Cần Thơ /2012 Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên Lời cảm ơn - Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết phóng xạ Đến tơi hồn thành báo cáo Tơi xin chân thành cảm ơn: Thầy Hoàng Xuân Dinh bỏ nhiều công sức hướng dẫn thực luận văn - Tôi xin cảm ơn quý thầy cô mơn vật lý tận tình giúp đỡ hướng, tập thể lớp SP Vật Lý_Công Nghệ K34 có đóng góp giúp đỡ tơi Sinh viên thực Phạm Thanh Dũng GVHD: Hoàng Xuân Dinh i SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên MỤC LỤC Trang Phần MỞ ĐẦU………………………………………………………….1 Lý chọn đề tài ………………………………………………………………1 Mục đích đề tài …………………………………………………………….1 Phƣơng pháp phƣơng tiện nghiên cứu …………………………………….1 Các bƣớc thực đề tài ……………………………………………………1-2 Phần NỘI DUNG …………………………………………………… 1.1 Hiện tƣợng phân rã phóng xạ …………………………………………….3-4 1.2 Quy luật phân rã phóng xạ ………………………………………………….4 1.2.1 Hệ thức ……………………………………………………………4 1.2.2 Chu kỳ phân rã ………………………………………………………… 1.2.3 Chu kỳ bán rã ………………………………………………………….5-6 1.2.4 Độ phóng xạ ………………………………………………………………6 1.2.5 Mật độ phóng xạ ……………………………………………………….6-7 1.2.6 Cường độ xạ …………………………………………………………7 1.3 Các định luật bảo toàn tƣợng phóng xạ ………………………7 1.3.1 Định luật bảo tồn lượng toàn phần ……………………………7-8 1.3.2 Định luật bảo toàn động lượng ………………………………………….8 1.3.3 Định luật bảo tồn điện tích …………………………………………… 1.3.4 Định luật bảo toàn số khối ……………………………………………….8 1.3.5 Định luật bảo tồn spin ……………………………………………… 8-9 TĨM TẮT CHƢƠNG …………………………………………………………9 CHƢƠNG 2: CÁC DẠNG PHÂN RÃ PHÓNG XẠ ………………………… 10 2.1 Khái niệm tia phóng xạ …………………………………………………….10 2.2 Các dạng tia phóng xạ ………………………………………………………10 GVHD: Hồng Xn Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên 2.2.1 Phân rã alpha (  ) ………………………………………….10-11 2.2.2 Phân rã bêta (  ).……………………………………………… 11 2.2.2.1 Các dạng phân rã bêta (  ) …………………………… 11-12 2.2.2.2 Quy tắc dịch chuyển phân rã bêta (  ) ………………… 12-14 2.2.3 Phân rã gamma (  ) ………………………………………….14-16 TÓM TẮT CHƢƠNG …………………………………………………………16 CHƢƠNG 3: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN ……………………….17 3.1 Các họ phóng xạ tự nhiên ………………………………………………….17 3.1.1 Định nghĩa phóng xạ tự nhiên …………………………………………17 3.2 Họ phóng xạ …………………………………………………………………17 3.2.1 Họ Thơrium ………………………………………………… ……17-19 3.2.2 Họ Neptunium ……………………………………………………… 19 3.2.3 Họ Uranium …………………………………………………………20-21 3.2.4 Họ Actinium …………………………………………………………21-24 3.3 Các đồng vị phóng xạ tầng sinh …………………………… 24 3.3.1 Phóng xạ đất đá ………………………………………………….24 3.3.1.1 Đá kết tinh … ……………………………………………………24 3.3.1.2 Đá trầm tích ……………………………………………………….25 3.3.1.3 Đá phiến sét (diệp thạch) giàu hữu than đá …………… 25 3.3.1.4 Sa thạch (đá cát kết tinh) …………………………………………25 3.3.1.5 Đá carbonate …………………………………………………… 26 3.3.1.6 Các loại đất khác …………………………………………………26 3.3.2 Tia vũ trụ ……………………………………………………………… 26 3.3.2.1 Nguồn gốc thành phần tia vũ trụ… …………………26-32 3.4 Phóng xạ tự nhiên môi trƣờng ngƣời ………………….32 3.4.1 Các nhân phóng xạ tự nhiên có vật liệu xây dựng nhà 32-33 GVHD: Hoàng Xuân Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên 3.4.2 Các nhân phóng xạ có nước biển ……………………………….33 3.4.3 Phóng xạ thực phẩm …………………………………………33-34 3.4.4 Các nhân phóng xạ có thể người ……………………………34 TĨM TẮT CHƢƠNG …………………………………………………….34-35 CHƢƠNG 4: CÁC ĐẠI LƢỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO LIỀU LƢỢNG PHĨNG XẠ 4.1.Hoạt độ phóng xạ ……………………………………………………………36 4.2 Liều lƣợng xạ ………………………………………………………….36 4.2.1 Liều hấp thụ …………………………………………………………36-37 4.2.2 Liều tương đương …………………………………………………37-38 4.2.3 Liều hiệu dụng……………………………………………………….38-39 4.2.4 Liều chiếu ……………………………………………………………….39 4.2.5 Xác suất hiệu ứng ngẫu nhiên xạ …………………………….39 4.2.6 Liều giới hạn cho phép …………………………………………… 39-40 TÓM TẮT CHƢƠNG …………………………………………………………40 CHƢƠNG 5: PHƢƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN XÁC ĐỊNH NIÊN ĐẠI ………………………………………………………………………41 5.1 Nguyên lý phƣơng pháp ……………………………………………………41 5.2 Phƣơng pháp Cacbon phóng xạ C14 ……………………………………… 41 5.2.1 Nguồn gốc C14 ………………………………………………….41-42 5.2.2 Xác định tuổi mẫu vật phương pháp Cacbon phóng xạ 42-44 5.3 Phƣơng pháp Uran- chì ….…………………………………………………44 5.3.1 Nguyên lý phương pháp Uran- chì ……………………………………44 5.3.2 Cách xác định tuổi theo phương pháp Uran- chì …………………44-46 5.4 Phƣơng pháp Kali-Argon ………………………………………………….46 5.4.1 Nguyên lý Phương pháp Kali-Argon ………………………………….46 5.4.2 Phương pháp Kali-Argon ………………………………………… 46-47 GVHD: Hoàng Xuân Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên 5.4.2.1 Cách xác định tuổi theo phƣơng pháp Kali-Argon …………47-48 TÓM TẮT CHƢƠNG …………………………………………………….48-49 CHƢƠNG 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP QUAN SÁT VÀ CÁC DỤNG CỤ ĐO LƢỜNG PHÓNG XẠ ………………………………………………………… 50 6.1.Nguyên tắc chung ………………………………………………………… 50 6.2 Buồng ion hóa ………………………………………………………… 50-51 6.3 Ống đếm tỉ lệ .…………………………………………………………51-52 6.4 Ống đếm Geiger …………………………………………………………52-54 6.5 Buồng Wilson ……………………………………………………………….54 TÓM TẮT CHƢƠNG …………………………………………………… 54-55 Phần KẾT LUẬN …………………………………………………… 56 Tài liệu tham khảo …………………………………………………………… 57 GVHD: Hoàng Xuân Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên Phần MỞ ĐẦU LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI  Vật lý hạt nhân học phần bắt buộc thuộc khung chương trình đào tạo cử nhân vật lý, phóng xạ tượng phóng xạ tự nhiên phần lý thuyết vật lý hạt nhân, tượng hạt nhân tự phát tia phóng xạ có mang lượng Chúng ta biết chất phóng xạ phận tách rời Trái Đất chúng ta, tồn Trái Đất Các chất phóng xạ tồn tự nhiên, có mặt đất, có khơng khí thực phẩm Chất phóng xạ tồn dạng khí khơng khí hít thở Cả thể bao gồm cơ, xương mô chứa nguyên tố phóng xạ có tự nhiên  Con người thường phải chịu chiếu xạ xạ tự nhiên từ Trái Đất, từ bên Trái Đất Bức xạ mà nhận từ bên Trái Đất gọi tia vũ trụ hay xạ vũ trụ Kể từ phát hiện, việc ứng dụng tượng phóng xạ phát triển nhanh chóng hầu giới mang lại nhiều hiệu to lớn  Phóng xạ số trường hợp vô hại, số trường hợp nguy hiểm ảnh hưởng đến sức khỏe người Phóng xạ mạnh làm bỏng làm cháy da vài tuần sau tiếp xúc, phóng xạ mạnh gây vết loét làm rụng tóc Dĩ nhiên ung thư phát triển nhiều năm sau chiếu xạ mô chữa lành Ở năm 20, nhà khoa học bắt đầu lý giải mối liên quan nồng độ khí Radon mỏ với tỷ lệ ung thư cao nhóm cơng nhân mỏ Vì việc tìm hiểu tượng phóng xạ nói chung phóng xạ tự nhiên nói riêng cần thiết Tuy nhiên hạn chế thời gian kiến thức nên đề tài cịn nhiều thiếu sót MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI GVHD: Hồng Xn Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên  Tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên, phân bố phóng xạ, số ứng dụng phóng xạ, đơn vị dụng cụ đo liều lượng phóng xạ PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu dựa sở phân tích tài liệu, thơng tin có liên quan sách, báo, đài, internet… Từ rút nhận xét, đánh giá Trao đổi với giáo viên hướng dẫn CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Trong trình nghiên cứu đề tài thực theo bước sau:  Bước 1: Nhận đề tài xác định nội dung cần đạt đề tài  Bước 2: Sưu tầm tài liệu nghiên cứu tài liệu dựa sở nội dung xác định lập đề cương sơ  Bước 3: Viết báo cáo, sửa chữa theo hướng dẫn giáo viên  Bước 4: Báo cáo đề tài GVHD: Hoàng Xuân Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên Phần NỘI DUNG CHƢƠNG 1: HIỆN TƢỢNG PHĨNG XẠ 1.1 Hiện tƣợng phân rã phóng xạ - Năm 1896, Henri Becquerel quan sát thấy muối Uranium hợp chất phát tia gồm ba thành phần tia alpha tức hạt Hêli (2He4), tia  tức hạt electron, tia  tức xạ điện từ bước sóng ngắn Chúng có tính chất kích thích số phản ứng hóa học, ion hóa chất khí, xun qua vật chất thơng thường Hình 1.1: Atoine Henri Becquerel (1852-1908) Giải thưởng Nobel 1903 - Về sau cơng trình nghiên cứu hai vợ chồng Marie Curie Pierre Curie chứng tỏ chùm tia phát từ hạt nhân khơng phải lớp vỏ ngun tử tính chất chung ngun tố khơng riêng Uranium Họ gọi ngun tố có tính chất nguyên tố phóng xạ tia phát có tên tia phóng xạ - Ngày nay, người ta định nghĩa tượng phóng xạ tượng hạt nhân nguyên tử tự phát tia phóng xạ biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử nguyên tố khác, từ trạng thái có lượng cao trạng thái lượng thấp - Nguyên tố hóa học mà hạt nhân mang tính phóng xạ gọi đồng vị phóng xạ, người ta chia loại đồng vị phóng xạ: Đồng vị phóng xạ tự nhiên đồng vị phóng xạ nhân tạo Ở ta khảo sát tìm hiểu phóng xạ tự GVHD: Hồng Xn Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên nhiên, điều đặc biệt tính phóng xạ khơng phụ thuộc vào tính chất hóa- lý như: áp suất, nhiệt độ… Nên khơng thể thay đổi cách 1.2 Quy luật phân rã phóng xạ  Quy luật phân rã phóng xạ q trình mang quy luật thống kê Tuy nhiên, ta thường sử dụng số lớn nguyên tử nguyên tố phóng xạ, nên ta dự đốn phân rã chúng với độ xác cao Nghiên cứu tượng phóng xạ, ta thấy có số đại lượng đặc trưng tuân theo số định luật sau: 1.2.1 Hệ thức  Trong nguồn phóng xạ, số hạt nhân có tính phóng xạ giảm dần theo thời gian Giả sử thời điểm t, số hạt nhân có tính phóng xạ N(t) Sau khoảng thời gian dt, số hạt nhân giảm là: dN (t )  N (t )dt (1.1)  Trong đó,  số phân rã, xác suất để hạt nhân phân rã đơn vị thời gian,  có giá trị khác chất phóng xạ khác Nhưng số chất phóng xạ cho trước, có nghĩa xác suất để hạt nhân phân rã không phụ thuộc vào tuổi - Từ (1.1) ta có: dN (t )  dt N (t ) (1.2) - Giải phương trình vi phân (1.2) với điều kiện ban đầu t=0, số hạt nhân có tính phóng xạ N : - Ta có :  t N (t )  N e (1.3)  Đây hệ thức tượng phóng xạ Ta thấy quy luật phân rã theo thời gian quy luật giảm theo hàm số mũ 1.2.2 Chu kỳ phân rã GVHD: Hoàng Xuân Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên T=5730 năm Cacbon phóng xạ hình thành tương tác tia vũ trụ khí tầng cao Proton lượng cao, thành phần chủ yếu tia vũ trụ sơ cấp, bắn phá hạt khí tầng cao, tạo tia vũ trụ thứ cấp, có nhiều nơtron  Nơtron tương tác với hạt N14, sinh C14 theo phản ứng: n N 14 6 C 14  P  0,6MeV  Hiệu suất tạo thành C14 độ cao chừng 15 đến 20km tầng bình lưu có giá trị cực đại  Sự quang hợp đưa phần C14 vào sinh (đưa cacbon vào thực vật) từ vào thể sống theo chu trình thức ăn Phần lại hòa tan vào bề mặt đại dương, sau lại thâm nhập vào vỏ sinh vật biển Do đó, hàm lượng C14 trì không đổi phần lớn tầng sinh  Khi sản sinh cacbon phóng xạ C14 đạt đến mức độ coi trạng thái cân ổn định, hàm lượng cacbon phóng xạ quan sát mẫu vật dựng lại để đặc trưng cho độ phóng xạ ban đầu C14 môi trường chứa cacbon tương ứng Khi sinh vật chết đi, chu trình sinh học ngừng lại tàn tích động vật thực vật không hấp thụ cacbon tách khỏi trao đổi, chuyển hóa với mơi trường xung quanh Từ lượng cacbon phóng xạ xác sinh vật giảm theo quy luật phân rã phóng xạ với chu kì bán rã T=5730 năm 5.2.2 Xác định tuổi mẫu vật phương pháp cacbon phóng xạ  Để xác định tuổi mẫu vật, người ta đo độ phóng xạ cịn dư C14 mẫu, so sánh với độ phóng xạ C14 mẫu tương ứng coi tuổi ban đầu không Mẫu phân tích phải có nguồn gốc từ thể sống, tức hấp thụ 14CO2 Các mẫu gốm, có chứa số chất hữu cịn sót lại xác định tuổi chúng phương pháp C 14 Sự đo hàm lượng C14 mẫu hữu cho phép xác định xác tuổi mẫu thừa nhận giả thuyết sau : GVHD: Hoàng Xuân Dinh 42 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên - Lượng C14 tia vũ trụ sinh coi không đổi thời gian dài để thiết lập tỷ số đồng vị C14/ C12 ổn định khí - Trong có pha trộn nhanh trọn vẹn tồn mơi trường khác chứa cacbon - Tỷ số đồng vị C14/C12 thể sống không bị biến đổi Khi chết tỉ số giảm C14 phân rã phóng xạ - Lượng cacbon tồn phần mơi trường không bị biến đổi Ở bề mặt Trái Đất, 1cm2, trung bình giây có nguyên nhân tử cacbon C14 tạo thành tác dụng nơtron thành phần tia vũ trụ Đối với thể sống, 1gam cacbon cho 15,3 phân rã phút Về mặt kỹ thuật, phải có khả đo hàm lượng C14, hay nói khác đi, đo độ phóng xạ nhỏ cacbon phóng xạ, với độ xác cao  Với giả thiết trên, vào năm 1940, giáo sư Willard Libby nhóm đồng nghiệp trường đại học Chicago đưa phương pháp xác định tuổi (niên đại) dựa vào độ phóng xạ cacbon C14 vật cổ từ vài trăm đến vài chục ngàn năm  Theo phương pháp kinh điển Libby: - Từ định luật phân rã phóng xạ NC 14 (t)= NC 14 (0).e  t Trong NC 14 (0) số nguyên tử (hạt) C14 thời điểm sinh vật ngừng trao đổi chất với mơi trường xung quanh,  số phóng xạ, t thời gian sinh vật chết đến thời điểm đo t xác định theo hệ thức: t  ln N C14 ( 0) N C14 (t )  5730 N C14 ( 0) ln (năm) 0,693 N C14 (t )  Ví dụ: - Khi gỗ bị chặt để làm vật cổ, NC 14 (t) số nguyên tử C14 thời điểm GVHD: Hoàng Xuân Dinh 43 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên - Với  số phóng xạ, t thời gian sinh vật chết đến thời điểm đo - Khi t xác định theo hệ thức: t  ln N C14 ( 0) N C14 (t )  5730 N C14 ( 0) ln (năm) 0,693 N C14 (t ) Để thử nghiệm, Libby áp dụng phương pháp cho vật biết trước tuổi Với phương pháp Libby trao giải thương Nobel hóa học 1960, theo phương pháp Libby người ta xây dựng Mỹ Châu Âu nhiều phịng thí nghiệm đo cacbon phóng xạ  Hạn chế Libby: - Vì độ phóng xạ C14 yếu, 1gam cacbon cho khoảng 15 hạt bêta phút nên hệ đo phải có phơng thấp - Kĩ thuật đòi hỏi thời gian đo tương đối dài Nhờ tiến khoa học kĩ thuật đo độ phóng xạ mà tuổi mẫu vật xác định theo phóng xạ C14 ngày xác Vào năm cuối thập kỉ 70 kỉ trước, người ta dựng tổ hợp máy gia tốc liên kết với khối phổ kế để xác định trực tiếp số nguyên tử C14 mẫu Phương pháp gọi phương pháp khối phổ kế gia tốc AMS (Accelerator Mass Spectrometry) 5.3 Phƣơng pháp Uran- chì 5.3.1 Nguyên lý phương pháp Uran- chì  Đây phương pháp phổ biến địa chất thường áp dụng, dựa vào đặc tính hai dẫy phóng xạ tự nhiên Uran 235 Uran 238 - U238 có T=4,5.109 năm đồng vị bền cuối dẫy Pb206 - U235 có T=7.108 năm đồng vị bền cuối dẫy Pb207 5.3.2 Cách xác định tuổi theo phương pháp Uran- chì  Phương pháp có hai cách áp dụng:  Cách 1: Dựa vào tỉ số U/Pb - Như ta biết, tỉ số số hạt nhân bền n206Pb số hạt nhân phóng xạ n238U tính là: GVHD: Hồng Xn Dinh 44 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên n206Pb  0,693t   exp   1  n238U  4,5.10  Trong t tính năm Nếu tính theo tỉ số khối lượng m đồng vị có mẫu tỉ số trở thành: m206Pb 206   0,693t      1 exp  m238U 238   4,5.10    Nhưng có trường hợp đặc biệt: Nếu mẫu quặng xác định lượng đồng vị khơng có nguồn gốc phóng xạ, tức khơng thuộc dẫy phóng xạ tự nhiên cần vào độ phổ cặp tất đồng vị chì: Pb204 (1,38%), Pb206 (23,96%), Pb207 (22,07%), Pb208 (52,59%) để tính xác lượng Pb206 mẫu  Cách 2: Dựa vào tỉ số Pb206/ Pb207 - Vì chu kì bán rã U238 U235 khác đồng vị bền tương ứng cuối hai dẫy tạo thành với hai tốc độ khác nhau, mẫu địa chất có hai dẫy phóng xạ Trong điều kiện cân phóng xạ, tỉ số hạt nhân hai đồng vị mẫu địa chất thay đổi giá trị tỉ số hàm thời gian Độ phổ cập U238 so với U235 gần 138/1 có nghĩa có 138 hạt nhân Uran 238 có hạt nhân Uran 235 Giả sử, ta thời điểm 7.108 năm trước tức chu kỳ bán rã U235,  0,693t  238 238   154 hạt nhân U Số hạt nhân U  44,7  có hạt nhân U235 138 exp  thời gian 7.108 năm đó, tất nhiên trở thành hạt nhân chì tương ứng  Như vậy, quặng có tuổi 7.108 năm tỉ số hạt nhân Pb206 Pb207 là: 154  138 16  1 - Tương tự, quặng có tuổi 2x7 108 năm tỉ số Pb206/ Pb207 tính là: GVHD: Hồng Xn Dinh 45 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên 171,6  138 33,6   11,1 1 - Như vậy, quặng cổ tỉ số thấp - Ngồi phương pháp Uran-Chì, dựa vào dẫy phóng xạ tự nhiên Uran 235 Uran 238 người ta phương pháp khác dựa vào trình phân rã đồng vị sống dài Đó phương pháp Kali-Argon, dựa vào phân rã bêta K40 5.4 Phƣơng pháp Kali-Argon 5.4.1 Nguyên lý Phương pháp Kali-Argon  Nguyên lý phương pháp Kali-Argon đơn giản, theo K40 đồng vị phóng xạ K với chu kỳ bán rã 125.109 năm phóng xạ Ar40 5.4.2 Phương pháp Kali-Argon  Quá trình phóng xạ K40 phức tạp, bao gồm trình phóng xạ   thành Ca40 chiếm 88,8% q trình phóng xạ Ar40 chiếm 11,2% Q trình phóng xạ Ar40 xảy theo phương thức sau: 1) Một điện tử lớp K bị bắt hạt nhân, nơtron tạo proton Sau nguyên tử Argon chuyển lên trạng thái kích thích nhanh chóng trạng thái phóng xạ tia gamma 2) Là q trình bắt điện tử khơng có phóng xạ tia gamma Nó thường phổ biến chiếm 0,16% Tuy đủ tạo sai số việc đo số phóng xạ K40, xác định cách tính tia bêta gamma 3) Cơ chế thứ ba q trình phóng xạ tia positron   , biến proton thành nơtron Kiểu thứ ba xẩy chiếm khoảng 0,001%  Như vậy, có hai cặp đồng vị sử dụng để xác định tuổi K-Ar K-Ca, cặp K-Ca sử dụng rộng rãi đồng vị Ca40 đồng vị phổ biến Ca K40 đồng vị phổ biến K GVHD: Hoàng Xuân Dinh 46 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên  Trong tự nhiên Kali có ba đồng vị với độ phổ biến là: K39 = 93,2581%, K40 = 0,01167% K41 = 6,7302 % Khối lượng nguyên tử K 39,0983u Thành phần đồng vị Ar khí Trái đất: Ar 40 = 99,60%, Ar38 = 0,063% Ar36 = 0,337%; khối lượng nguyên tử Ar = 39,9476u, Ar40/Ar36 = 295,5 (giá trị xác định Steige Jaeger 1977) 5.4.2.1 Cách xác định tuổi theo phƣơng pháp Kali-Argon  Việc xác định K40 hệ biết đơn giản thành phần đồng vị K đồng Trong trường hợp cần xác định nồng độ tổng cộng K Ar40 mẫu Vì K có khối lượng nhẹ nên việc giả sử thành phần đồng vị đồng hợp lí Các phép đo thành phần đồng vị K đất đá vũ trụ (thiên thạch) Trái Đất rằng, chúng đồng Ta có phương trình tuổi K-Ar: Ar *40  Ca *40  K 40 (e t  1) Trong đó, giá trị Ar *40 , Ca*40 Ar40 Ca40 sinh phóng xạ tự nhiên K40,  số phóng xạ tổng cộng K40 (      ,  số phóng xạ K40 tới Ar40,  số phóng xạ K40 tới Ca40) Từ phương trình ta có : Ar *40  Ar *40 Ar *40  K 40 t   K 40 (e (   ).t  1)      (e (    ).t  1)  Ar *40     log e  40  1      K   Đây phương trình tuổi phương pháp K-Ar, để tuổi địa chất có ý nghĩa cần điều kiện sau: 1)   phải số 2) Thành phần đồng vị K phải 3) Cần hiệu chỉnh để loại trừ khối lượng Ar40 khí mẫu GVHD: Hồng Xn Dinh 47 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên 4) Khơng có Ar lẫn thâm nhập Ar vào hệ sau q trình kết tinh (các đá hay khống vật) 5) Khơng có Ar tàn dư, hay nói cách khác Ar40 ban đầu không đáng kể  Hạn chế phương pháp: Việc xác định tuổi theo phương pháp có số giới hạn sau: - Giới hạn trên: Phương pháp khơng có giới hạn tích tụ Ar vơ tận - Giới hạn dưới: Giới hạn phần lớn mức độ hỗn nhiễm Ar40 khí Phương pháp phù hợp để xác định tuổi cho đá trẻ TÓM TẮT CHƢƠNG CHƢƠNG 5: PHƢƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN XÁC ĐỊNH NIÊN ĐẠI 5.1 Nguyên lý phƣơng pháp 5.2 Phƣơng pháp cacbon phóng xạ C14 5.2.1 Nguồn gốc C14 5.2.2 Xác định tuổi mẫu vật phương pháp cacbon phóng xạ 5.3 Phƣơng pháp Uran- chì 5.3.1 Nguyên lý phương pháp Uran- chì 5.3.2 Cách xác định tuổi theo phương pháp Uran- chì 5.4 Phƣơng pháp Kali-Argon 5.4.1 Nguyên lý Phương pháp Kali-Argon 5.4.2 Phương pháp Kali-Argon 5.4.2.1 Cách xác định tuổi theo phƣơng pháp Kali-Argon GVHD: Hoàng Xuân Dinh 48 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên CHƢƠNG 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP QUAN SÁT VÀ CÁC DỤNG CỤ ĐO LƢỜNG PHÓNG XẠ 6.1 Nguyên tắc chung  Việc ghi đo phóng xạ dựa phản ứng- hiệu ứng hóa- lý tương tác tia phóng xạ với vật chất hấp thụ Khi khảo sát phóng xạ ta cần ý yếu tố sau đây: - Dạng vật chất hấp thụ - Bản chất hiệu ứng vật lý - Cách thể kết ghi đo  Dưới tác dụng tia phóng xạ, nguyên tử phân tử cấu tạo nên vật chất kích thích ion hóa, từ gây hiệu ứng Mức độ hiệu ứng xẩy tùy thuộc vào chất lượng chùm tia Vì vậy, dựa vào hiệu ứng để đo phóng xạ  Mỗi máy đo phóng xạ có hai phận bản: - Bộ phận phát tia phóng xạ - Bộ phận đếm thiết bị điện tử để khuếch đại, từ phân tích đếm tín hiệu xung điện phát hiện.Trong thiết bị đo, phận phát đóng vai trị quan trọng, làm nhiệm vụ chuyển tia phóng xạ thành dạng đo đếm ( thường xung điện chuyển sang phận đếm) 6.2 Buồng ion hóa - Buồng ion hóa có hiệu điện làm việc khoảng 100V-200V Vỏ buồng đóng vai trị cực âm, làm vật liệu có thành phần giống khơng khí khối lượng riêng lớn Trong thực tế, graphit thường dùng để làm buồng ion hóa tương đương khơng khí vùng lượng 100KeV Chất khí buồng ion hóa tinh khiết khơ, chất khí buồng ẩm (có thể lẩn nước) lượng trung bình cần thiết để tạo cặp ion hóa khác thực tế Biên độ tín hiệu buồng ion hóa phụ thuộc GVHD: Hoàng Xuân Dinh 49 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên vào số ion sinh buồng Do đó, sử dụng buồng ion hóa để phân biệt tia phóng xạ theo khả ion hóa chúng - Ưu điểm : + Cho phép đảm bảo độ nhạy cực đại việc đo phóng xạ đồng thời đảm bảo ổn định phép đo có thăng gián điện áp hai cực - Nhược điểm : + Thường dùng buồng ion hóa để đo hạt hạt alpha,  Đối với phóng xạ có khả ion hóa thấp tia  buồng ion hóa khơng thuận lợi tín hiệu q bé Đó hạn chế buồng ion hóa 6.3 Ống đếm tỉ lệ - Có nhiều loại ống đếm tỉ lệ, chúng thường dùng để đo tia  ,  Loại đơn giản gồm vỏ thủy tinh có dây Vonfram làm cực dương, lớp kim loại tráng mặt ống làm cực âm Sau rút hết khơng khí bên ống, người ta nạp vào ống chất khí trung hịa - Các ống đếm tỉ lệ có điện làm việc khoảng 200V-600V Trong vùng điện áp này, số cặp ion sơ cấp sản sinh cặp ion thứ cấp trình va chạm chúng với nguyên tử hay phân tử trung hòa Điện tăng số cặp ion hóa thứ cấp tăng hệ số tăng cặp ion hóa theo chế gọi hệ số khuếch đại K : K i ibh - Hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào U: K  f (U ) đạt đến trị số 106 Nhờ đó, ta đo tia phóng xạ có lượng thấp mà buồng ion hóa khơng đo - Ưu điểm : + Phân biệt xung tạo tia phóng xạ có khả ion hóa khác GVHD: Hoàng Xuân Dinh 50 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên + Xác định phổ lượng tất hạt toàn lượng chúng thể tích nhạy ống đếm - Hạn chế : + Do biên độ tín hiệu phụ thuộc vào U nên ống đếm tỉ lệ đòi hỏi hiệu điện làm việc phải ổn định Trong trình sử dụng, ống đếm tỉ lệ bị hư hỏng sản phẩm ion hóa chất khí chứa ống đếm + Tuổi thọ ống đếm tỉ lệ chứa cồn khoảng 108 xung, chứa khí Bromine khoảng 1010 xung 6.4 Ống đếm Geiger - Ống đếm Geiger cấu tạo gồm ống kín thủy tinh kim loại chứa khí trơ : Argon, helium áp suất 100- 200mmHg Ở ống căng sợi dây tungten làm cực dương, thành ống đóng vai trị cực âm - Ống đếm Geiger có điện làm việc khoảng từ 900V- 1000V Khi tia phóng xạ vào ống gây nên tượng ion hóa sơ cấp, nghĩa biến số sơ cấp nguyên tử chất khí ống thành cặp ion dương electron Các electron ảnh hưởng điện trường dịch chuyển nhanh anode gây nên tượng ion hóa thứ cấp va chạm sinh hàng loạt electron ( 108- 1016 electron ) tất hút cực dương tạo nên thác electron Ta gọi tượng tượng “thác lũ” - Khi thác electron chuyển động anode, bên cạnh va chạm dẫn tới ion hóa, cịn có va chạm electron với phân tử, nguyên tử khí trơ dẫn tới kích thích chúng Những phân tử, nguyên tử bị kích thích trở trạng thái phát photon phía bề mặt điện cực Nếu lượng photon lớn công vật liệu làm điện cực bề mặt chúng xuất hiệu ứng quang điện Các photoelectron sau bay khỏi cathode đến lượt lại gây nên q trình thác lũ Ngồi ra, ion dương đến cathode bứt ra, từ electron electron trở thành phân tử trung hịa Do ion dương có lượng lớn nên sau trung hịa trạng thái GVHD: Hoàng Xuân Dinh 51 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên kích thích phát photon Các photon đập vào cathode tạo photoelectron lại tạo nên trình thác lũ Q trình tiếp diễn, khơng có ngăn chặn tác nhân phóng xạ gây nên q trình phóng điện liên tục ống Geiger - Vấn đề quan trọng tượng miêu tả trên, trình thác lũ sau phát sinh phải dập tắt để ống Geiger tiếp tục nhận tia phóng xạ khác phát sinh xung điện Để làm điều này, người ta tạo ống đếm Geiger tự dập tắt cách bổ sung số khí đa nguyên tử vào thể tích khí trơ Chất khí bổ sung thường rượu ethylene( C2H4) - Quá trình dập tắt xảy sau: dịng thác electron kích thích phân tử khí trơ làm phát photon Bình thường photon đập vào cathode làm phát photoelectron Các khí bổ sung có tác dụng hấp thụ photon làm ngăn chặn việc xạ photoelectron từ thành ống đếm Do làm tắt trình thác lũ Ngồi cịn tác dụng nhận điện tích từ ion dương khí trơ (do va chạm) từ ngăn cản ion tách electron từ cathode - Một đặc trưng ống đếm Geiger thời gian chết Thời gian chết khoảng thời gian ống đếm ghi nhận hai xung liên tiếp - Nguyên nhân: Trong trình thác lũ phát triễn, electron có khối lượng nhỏ dịch chuyển nhanh cực dương ion dương có khối lượng lớn dịch chuyển chậm cực âm Trong thời gian định đó, ion dương tạo nên chắn xung quanh cực dương làm cho cường độ điện trường bị giảm Lúc này, có tia phóng xạ khác lọt vào ống đếm khơng ghi nhận Khi ion dương bị bứt hoàn toàn cực âm, điện trường hồi phục trở lại cũ ống đếm ghi nhận tia phóng xạ Thời gian chết vào khoảng 100- 300  s - Một đặc trưng khác ống đếm Geiger hệ số đếm Nó xác suất để tia phóng xạ lọt vào ống ghi nhận Hệ số đếm tia  gần GVHD: Hoàng Xuân Dinh 52 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên tuyệt đối, tia  gần 1%, ion hóa trực tiếp phân tử khí tia  nhỏ - Ống đếm Geiger dùng để đếm hạt phóng xạ riêng biệt Tuy nhiên, tín hiệu có biên độ khơng đổi, khơng phụ thuộc vào lượng tia phóng xạ vào nên ống Geiger phân biệt lượng tia phóng xạ 6.5 Buồng Wilson - Buồng Wilson, buồng khuếch tán, buồng bọt buồng ghi lại dấu vết phóng xạ qua Buồng Wilson buồng có lâu đời nhất, điển hình cho loại hình nói Ngun tắc buồng Wilson dựa vào tượng ngưng tụ chất lỏng bảo hịa có tâm ngưng tụ ion Cấu tạo buồng Wilson gồm buồng hình trụ pittông - Trước hoạt động, buồng hình trụ chứa đầy bảo hịa (của nước cồn) Kéo nhanh pittơng xuống phía làm giản nở đột ngột thể tích buồng nên nhiệt độ buồng hạ thấp Khi bình trở thành q bảo hịa ( giống khí tầng cao) Nếu lúc có hạt tích điện bay qua buồng xung quanh ion xuất giọt nước li ti tạo thành vệt dọc theo đường bay hạt Vệt chụp ảnh nhìn mắt thường (hiện tượng xẩy tương tự vệt bay máy bay phản lực bầu khí tầng cao) TĨM TẮT CHƢƠNG CHƢƠNG 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP QUAN SÁT VÀ CÁC DỤNG CỤ ĐO LƢỜNG PHÓNG XẠ 6.1.Nguyên tắc chung 6.2 Buồng ion hóa 6.3 Ống đếm tỉ lệ GVHD: Hoàng Xuân Dinh 53 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên 6.4 Ống đếm Geiger 6.5 Buồng Wilson GVHD: Hoàng Xuân Dinh 54 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên Phần KẾT LUẬN - Hiện tượng phóng xạ tượng hạt nhân tự phát tia phóng xạ biến đổi thành chất khác để trở trạng thái bền - Ngày nay, việc ứng dụng tượng phóng xạ đời sống đặc biệt rộng rãi ngày phổ biến như: Ứng dụng y tế chữa trị ung thư, chụp X quang, ứng dụng công nghiệp xác định mức hộp bia nước giải khát; xác định độ ẩm mật độ giấy nhà máy giấy Ưu điểm phương pháp hạt nhân không làm ảnh hưởng đến q trình làm việc hệ cơng nghệ, cho phép đo điều kiện nhiệt độ, áp suất cao với dung dịch hóa chất độc hại Kỹ thuật đồng vị phóng xạ đánh dấu sử dụng phổ biến, chẳng hạn, việc tối ưu hóa quy trình thời gian pha trộn phế liệu dây chuyền nhà máy Trong lĩnh vực khai thác dầu khí, kỹ thuật đánh dấu phóng xạ sử dụng để xác định mặt cắt nước bơm ép giếng bơm ép, tượng ngập lụt giếng khai thác mỏ dầu Bạch Hổ, nông nghiệp: Nghiên cứu sử dụng xạ gamma kết hợp với tác nhân khác để cải tạo giống trồng, sử dụng đồng vị đánh dấu để nghiên cứu trình sinh học vấn đề dinh dưỡng Vì việc tìm hiểu nghiên cứu chất tượng phóng xạ việc làm cần thiết - Chính sách phát triển lượng bền vững Đảng Nhà nước ta quan tâm Ngành hạt nhân tham gia nghiên cứu xây dựng nhà máy điện nguyên tử quy hoạch dài hạn Sau gần 25 năm hình thành phát triển, ngành hạt nhân nước ta phấn đấu để bước sang giai đoạn Với khả tiềm lực có, với nhu cầu đất nước khoa học kỹ thuật hạt nhân ngày cao; tương lai ngành hạt nhân nước ta có đóng góp ngày hữu hiệu thiết thực vào cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước - Tuy đề tài thú vị mang tính chất lý thuyết Thơng qua báo cáo tơi tích lũy thêm nhiều kiến thức cho thân GVHD: Hoàng Xuân Dinh 55 SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) Hoàng Xuân Dinh –Giáo trình vật lý nguyên tử hạt nhân, Trường Đại Học Cần Thơ 2001 2) Vũ Văn Tích, Giáo trình phương pháp xác định tuổi địa chất đồng vị phóng xạ, Nhà xuất giáo dục Việt Nam 2010 3) Cao Chi- Vật lý đại, Nhà xuất tri thức 2011 4) Nguyễn Văn Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học công nghệ đại, Nhà xuất giáo dục 2003 5) Phạm Quốc Hùng, Giáo trình vật lý hạt nhân ứng dụng, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội (2007) 6) Phan Sỹ An- Vật lý lý sinh y học, Trường Đại Học Y Hà Nội 7) Nguyễn Xuân Phách- Nguyễn Anh Tuấn, Y học hạt nhân chuẩn đoán, điều trị nghiên cứu khoa học 2005 8) Phạm Quốc Hùng- Vũ Thanh Mai- Vật lý neutron lò phản ứng, Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2009 9) Trần Đại Nghiệp- Xử lý xạ sở công nghệ xạ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội 2009 10) Mạng Internet GVHD: Hoàng Xuân Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng ... Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên  Tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên, phân bố phóng xạ, số ứng dụng phóng xạ, đơn vị dụng cụ đo liều lượng phóng xạ PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG... Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên CHƢƠNG 3: CÁC NGUỒN PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN 3.1 Các họ phóng xạ tự nhiên 3.1.1 Định nghĩa phóng xạ tự nhiên  Người ta thấy thiên nhiên có hạt nhân... TƢỢNG PHÓNG XẠ 1.1 Hiện tƣợng phân rã phóng xạ GVHD: Hồng Xn Dinh SVTH: Phạm Thanh Dũng Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu tượng phóng xạ tự nhiên - Hiện tượng phóng xạ tượng hạt nhân nguyên tử tự phát