Chương TIA PHÓNG XẠ 3.1 Các loại tia phóng xạ tính chất Các loại xạ Các chất phóng xạ chất có khả tự phát tia phóng xạ loại xạ có gây ion hoá Tia vũ trụ hạt Nơtron Sóng vô tuyến Bức xạ an pha bê ta Sóng vi ba Bức xạ gamma Bức xạ hồng ngoại xạ điện từ Tia X Bức xạ tử ngoại Bức xạ ion hóa Ánh sáng khả biến xạ không ion hóa Chương TIA PHÓNG XẠ 3.1 Các loại tia phóng xạ tính chất Các tia phóng xạ tia có tính chất sau: - Có khả tác dụng sinh lý hoá học phá huỷ tế bào, kích thích số phản ứng hoá học - Có khả ion hoá chất khí - Có khả làm cho số vật rắn lỏng phát huỳnh quang - Có khả xuyên qua số chất gỗ, vải, giấy, miếng kim loại mỏng - Toả nhiệt, làm cho khối lượng chất phóng xạ giảm dần làm cho chất biến thành chất khác 1 Bức xạ α: dòng hạt nhân hêli 2He4 tích điện dương, chuyển động với vận tốc cỡ 109cm/s bị lớp nhôm dầy vài micrôn hấp thụ (1micron=10-6 m), dễ dàng bị chặn lại tờ giấy điện áp người Tính phóng xạ α tính chất hạt nhân nặng có số khối lượng A >200 số điện tích Z> 82 Do lực hạt nhân có tính bão hoà, nên hạt nhân nặng có xuất tạo thành hạt α biệt lập, hạt gồm hai proton hai nơtron Nếu hấp thụ vào thể qua đường hô hấp hay đường tiêu hoá, tia alpha gây tác hại cho thể 2 Bức xạ β: dòng electron tích điện âm, chuyển động với vận tốc gần tốc độ ánh sáng bị lớp nhôm dầy trung bình 1mm hấp thụ Còn loại xạ β hạt phát hạt positron (e+) Tia beta có 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 3 Bức xạ γ Các quan sát thực nghiệm chứng tỏ xạ γ kèm theo xạ α β Bức xạ γ có khả xuyên thấu mạnh không bị lệch đường điện trường từ trường Bản chất xạ γ xạ điện từ có bước sóng ngắn không vượt 10-11m (bức xạ có bước sóng ngắn lượng cao) Người ta xác nhận nguồn gốc ba loại xạ từ hạt nhân nguyên tử Tia γ tia X tương tự sóng radio tia sáng, sóng điện từ có bước sóng ngắn Vì sức xuyên thấu lớn nên chặn lại vật liệu có nguyên tử lượng lớn chì, bêtông nước Sức xuyên thấu tia phóng xạ Ta thấy tượng phân rã β- (phát electron) hạt nhân nguyên tử có nơtron tự phát biến đổi thành proton: n → p + e- + v Còn tượng phân rã β+ (phát positron) hạt nhân nguyên tử có proton biến đổi thành nơtron: p → n + e+ + v Phân rã γ chuyển mức lượng hạt nhân mức cao xuống mức thấp Ngược lại, phân rã α xếp lại cấu hình hạt nhân nuclon hạt nhân 3.2 Định luật phân rã phóng xạ Khi có phóng xạ mật độ hạt nhân ban đầu giảm dần theo thời gian Giả sử thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã chất phóng xạ N Sau thời gian dt, số hạt nhân chất phóng xạ giảm lượng -dN Rõ ràng độ giảm -dN tỷ lệ với N với thời gian dt: -dN = λ N dt λ hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào chất phóng xạ gọi số phân rã Như : dN/N = -λdt Sau lấy tích phân ta có: ln N = -λt + ln C hay: ln (N/C)= -λt Từ đó: N = Ce-λt Gọi N0 = C số hạt nhân chưa phân rã thời điểm t = Thay vào ta có: N = N0e-λt dN Nếu gọi: H = − độ dt phóng xạ (tức số phân rã giây) ta có: H= λN0e-λt= H0e-λt H0= λN0 độ phóng xạ t=0 Hằng số λ có ý nghĩa xác suất chuyển trạng thái hạt nhân hạt nhân Nếu ta lấy nghịch đảo λ thời gian sống hạt nhân mức lượng cao hay gọi là: thời gian sống trung bình hạt nhân phóng xạ τ τ = 1/ λ Để phân biệt tốc độ phóng xạ nhanh hay chậm người ta đưa đại lượng gọi chu kỳ bán rã khoảng thời gian T1/2 mà sau khoảng thời gian mật độ hạt nhân ban đầu lại nửa Theo định nghĩa chu kỳ bán rã: NT1/2 / N0 = 1/2 = e-λT1/2 Vậy ta tính được: T1/2= ln2 / λ =0,693/ λ Nói chung chất phóng xạ có chu kỳ bán rã khác nhau, chẳng hạn urani có chu kỳ bán rã 4,5.109 Radi có chu kỳ bán rã 10-6s nên vừa sinh biến thành chất khác Poloni có chu kỳ bán rã 138 ngày Ví dụ : Chất phóng xạ iot (Z=53, A= 131) đựng y tế có chu kỳ bán rã T1/2 ngày đêm Nếu lúc đầu ta có 200 g chất này, sau hai tuần lễ ta lại gam? Lời giải: Nếu ta nhân khối lượng hạt nhân vào hai vế phương trình: N=N0e-λt ta có: m = m0e-λt = m0e-0,693.t/T1/2 =200g.e(0,693.14)/8 = 59,47g ν 3.3 Tương tác tia phóng xạ với vật chất Khi tia phóng xạ qua vật chất, hạt tia phóng xạ tương tác với nguyên tử vật chất đó, nghĩa tương tác với electron nuclon hạt nhân nguyên tử Nếu không tính đến tương tác hấp dẫn yếu khối vật chất, hạt tham gia vào ba loại tương tác nữa: tương tác mạnh, tương tác điện từ tương tác yếu Trong số hạt mà ta gặp (n, p, e-, e+ γ) có nơtron proton tham gia vào tương tác mạnh, tất hạt tham gia vào tương tác điện từ, tham gia vào tương tác yếu có tất hạt trừ lượng tử ánh sáng γ 3.4 Các ứng dụng tia phóng xạ Các tia phóng xạ có nhiều ứng dụng đời sống xã hội Trong y tế: Chụp X quang vùng ngực, dày, xương, Chụp X quang máy tính, Chụp X quang cắt lớp máy tính việc chuẩn đoán bệnh chụp cắt lớp Đầu tiên, chiếu tia X từ nhiều hướng vào thể sau đo đạc cường độ tia X vào thể máy đo kiểm nghiệm, sử dụng liệu với máy tính để tái qua hình theo chiều Chụp X quang máy tính sử dụng việc chuẩn đoán tổn thương mạch máu não, khối u não Việc chuẩn đoán bệnh cách cho vào thể người bệnh nguyên tố đồng vị phóng xạ dạng thuốc y tế, sau đo đạc tia phóng xạ phát phân tích máy tính đưa hình ảnh quan nội tạng Việc chữa bệnh ung thư chiếu xạ tia X, tia gamma, tia nơtron, tia proton triển khai mở rộng Ngoài người ta kiểm tra chức sinh lý máy chụp PET (Positron Emission Tomography) để từ hiểu tình trạng ổ bệnh 2 Trong công nghiệp Người ta sử dụng tia gamma, tia proton để đo đạc xác độ dày vật liệu, mật độ, hàm lượng nước Kiểm tra không phá huỷ sử dụng rộng rãi kiểm tra nứt vỡ phận quan trọng mà không làm phá hỏng đối tượng kiểm tra Phương pháp chiếu xạ vật liệu nhằm nâng cao cường độ, tính chịu nhiệt, khả chịu mài mòn vật liệu sử dụng rộng rãi Sát trùng, diệt khuẩn dụng cụ y tế tia γ cho phép tẩy khử trùng dụng cụ y tế 3 Trong nông nghiệp Cải thiện giống nông sản chiếu xạ tia gamma từ nguồn coban 60 xezi 137 tạo giống giống cũ khả chịu gió, chống sâu bệnh tốt hơn, đồng thời, xử lý chiếu xạ giống hoa gây đột biến để có loại hoa nhiều màu sắc đẹp hình dáng độc đáo Đối với việc diệt trừ sâu phá hoại mùa màng, người ta chiếu xạ vào sâu hại làm chúng khả sinh sản Chiếu xạ thực phẩm giúp ngăn chặn mọc mầm, bảo quản hoa quả, diệt khuẩn sát trùng 4 Trong bảo vệ môi trường Việc xử lý khói thải từ lò đốt than xử lý rác thải tia electron loại trừ loại khói gây ô nhiễm môi trường khí SO2, NO2 Các phương pháp chế biến thành phân bón amonium sulphat, amonium nitrat triển khai Ngoài ra, việc phát triển kỹ thuật chiếu tia electron vào bùn thải sinh từ nơi xử lý nước thải để diệt khuẩn làm thành phân bón tiến triển Còn ngành khảo cổ học, người ta chiếu xạ vào cổ vật để chụp rõ ràng hoa văn biết phân bố vết rạn nứt 3.5 An toàn tia phóng xạ Do tác dụng ghê gớm tia phóng xạ thể sống nên vấn đề an toàn phóng xạ đưa lên hàng đầu nhằm bảo vệ môi trường sống khu dân cư xung quanh nơi có nguồn phóng xạ vị trí đặt nhà máy điện hạt nhân Để có biện pháp che chắn thích hợp người ta phải đo cường độ nguồn phóng xạ, nghiên cứu khả xuyên thấu qua vật chất tác hại chúng gây thể người Để đo cường độ phóng xạ nguồn, người ta dùng ống đếm hạt nhân thiết bị điện tử tinh vi khác 3.5.1 Đơn vị đo phóng xạ Các đơn vị sau đơn vị đo phóng xạ: Becquerel (Bq) đơn vị đo độ phòng xạ H hệ SI, tớnh phân rã / 1giây Curi (Ci) đơn vị đo độ phóng xạ H Curi độ phóng xạ lượng chất phóng xạ mà diễn 3,7.1010 phân rã/giây C/kg độ ion hoá tia phóng xạ 1kg không khí tạo ion có tổng điện tích 1C R liều lượng xạ rơnghen (hoặc xạ gamma) 2,57976.10-4 [C/kg] 5 C/kgs độ ion hoá tia phóng xạ 1kg không khí tạo ion có tổng điện tích 1C/1s R/s = 2,57976.10-4 [C/kg.s] J/kg liều lượng hấp thụ xạ 1Jun/1kg vật bị rọi Rad liều lượng hấp thụ xạ 10-2 Jun/1 kg vật bị rọi liều lượng xạ bị hấp thụ 100erg lượng bị hấp thụ gam chất chiếu xạ Ber đương lượng sinh học Rơnghen - đơn vị đo liều lượng tương đương hệ