Hiện tượng phóng xạ SVIP

1. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

Định nghĩa

Hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành một hạt nhân khác được gọi là hiện tượng phóng xạ.

Quy ước hạt nhân phóng xạ là hạt nhân mẹ và hạt nhân sản phẩm của quá trình phân rã là hạt nhân con. Những đồng vị hạt nhân có tính chất phóng xạ được gọi là đồng vị phóng xạ.

Các tính chất cơ bản của hiện tượng phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ có hai tính chất cơ bản sau:

• Tính tự phát: Quá trình phân rã của hạt nhân phóng xạ xuất phát từ những biến đổi bên trong hạt nhân, hoàn toàn không chịu tác động của các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất môi trường,...
• Tính ngẫu nhiên: Chúng ta không thể dự đoán chính xác thời điểm mà một hạt nhân phóng xạ thực hiện phân rã. Do đó, không thể khảo sát hiện tượng phóng xạ cho một hoặc một vài hạt nhân đơn lẻ, mà chỉ có thể tiến hành việc khảo sát có tính thống kê cho một số lượng lớn hạt nhân trong mẫu chất phóng xạ.

2. BẢN CHẤT CỦA CÁC TIA PHÓNG XẠ

Phóng xạ alpha (α)

Tia phóng xạ α là hạt nhân \(_2^4He\) phóng ra từ hạt nhân mẹ có tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s.

Tia α làm ion hóa mạnh môi trường vật chất, do đó nó chỉ đi được khoảng vài cm trong không khí và dễ dàng bị tờ giấy dày 1 mm chặn lại.

Hạt nhân mẹ X thường là các hạt nhân nặng, có số khối A > 190, phân rã tạo thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ α.

Phương trình của phân rã phóng xạ α có dạng:

\(_Z^AX\rightarrow_{Z-2}^{A-4}Y+_2^4He\)

Phóng xạ beta (β)

Tia β là các hạt được phóng ra từ hạt nhân trong quá trình phân rã, tốc độ có thể đạt xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng trong chân không.

Tia β làm ion hóa môi trường vật chất ở mức trung bình, nó có thể xuyên qua tờ giấy khoảng 1 mm nhưng có thể bị chặn bởi tấm nhôm dày khoảng 1 mm (Hình 1).

Hạt nhân thực hiện phân rã tạo ra tia phóng xạ β, ngoài sản phẩm là hạt nhân con, các \(^0_{-1}e\) và \(_0^1e\) còn có hạt cơ bản khác là phản hạt neutrino (\(\overset{\sim}{\nu}\)) và hạt neutrino (\(\nu\)) không mang điện, có khối lượng nghỉ vô cùng nhỏ.

Phóng xạ β gồm 2 loại: phóng xạ β^- và phóng xạ β⁺. Hai loại tia phóng xạ β^- và β⁺ có bản chất tương ứng là hạt electron (\(_{-1}^0e\)) và hạt positron (phản hạt của electron, có cùng khối lượng với electron nhưng mang điện tích +e) (\(_1^0e\)) phóng ra từ hạt nhân mẹ với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không. 

Phương trình của phân rã phóng xạ β^- có dạng:

\(_Z^AX\rightarrow_{Z+1}^AY+_{-1}^0e+\overset{\sim}{\nu}\)

Phương trình của phân rã phóng xạ β⁺ có dạng:

\(_Z^AX\rightarrow_{Z-1}^AY+_1^0e+\nu\)

Phóng xạ gamma (\(\gamma\))

Tia \(\gamma\) là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, cũng là các hạt photon có năng lượng cao.

Các tia \(\gamma\) có năng lượng cao, dễ dàng xuyên qua các vật liệu thông thường, ví dụ lớp bê tông dày hàng chục cm. Vì vậy, muốn cản trở được tia \(\gamma\), người ta thường dùng vật liệu có mật độ vật chất lớn và bề dày lớn, ví dụ tấm chì dày khoảng 10 cm (Hình 1).

Phương trình của phân rã phóng xạ \(\gamma\) có dạng:

\(_Z^AY\)*\(\rightarrow_Z^AY+\gamma\)

Khi cho các tia phóng xạ đi qua điện trường hoặc từ trường, các tia phóng xạ có thể lệch theo các cách khác nhau:

3. ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ. ĐỘ PHÓNG XẠ

Định luật phóng xạ

Thực nghiệm với các chất phóng xạ cho thấy rằng, cứ sau một khoảng thời gian xác định T thì một nửa số hạt nhân hiện có sẽ bị phân rã, biến đổi thành hạt nhân khác; T được gọi là chu kì bán rã của chất phóng xạ.

Cứ sau các khoảng thời gian t bằng T, 2T, 3T,... kT (k là số nguyên dương), số hạt nhân (số nguyên tử) \(N_t\) chưa phân rã tương ứng bằng \(\dfrac{N_0}{2}\), \(\dfrac{N_0}{4}\), \(\dfrac{N_0}{8}\),... \(\dfrac{N_0}{2^k}\). Tức là:

\(N_t=N_02^{-k}\), trong đó \(t=kT\)

hay: 

\(N_t=N_02^{-\dfrac{t}{T}}\)   (*)

Công thức trên biểu diễn định luật phóng xạ: Trong quá trình phân rã, số hạt nhân chất phóng xạ còn lại giảm theo thời gian theo định luật hàm số mũ.

Các đồng vị phóng xạ khác nhau có chu kì bán rã T khác nhau.

Độ phóng xạ

Để đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, người ta dùng đại lượng độ phóng xạ (hay hoạt độ phóng xạ), kí hiệu là H, có giá trị bằng số hạt nhân phân rã trong một giây.

Đơn vị độ phóng xạ là becơren, kí hiệu là Bq.

1 Bq = 1 phân rã/1 giây

Trong thực tế, độ phóng xạ còn có đơn vị khác là curi, kí hiệu là Ci.

1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq

Độ phóng xạ \(H_t\) tại thời điểm \(t\) bất kì là:

\(H_t=-\dfrac{dN_t}{dt}=-N_t'=\dfrac{ln2}{T}N_02^{-\dfrac{t}{T}}=\lambda N_t\) (**)

Trong đó, đại lượng \(\lambda=\dfrac{ln2}{T}\) được gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho chất phóng xạ đang xét. Đơn vị của \(\lambda\) là s^-1.

Từ đó, công thức (*) và (**) có dạng:

\(N_t=N_0e^{-\lambda t}\\ H_t=H_0e^{-\lambda t}\)

Trong đó, \(H_0\) là độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu t = 0.

​1. Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Hiện tượng phóng xạ xảy ra có tính chất tự phát, không chịu tác động của các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất môi trường,... và hoàn toàn ngẫu nhiên.

2. Các loại tia phóng xạ chính:

• Tia α là các hạt nhân \(_2^4He\), có khả năng ion hóa mạnh và đâm xuyên kém.
• Tia β có hai loại: β^- là electron và β⁺ là positron. Tia β có khả năng ion hóa kém hơn và đâm xuyên mạnh hơn tia α.
• Tia \(\gamma\) là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, cũng là các hạt photon có năng lượng cao. Tia \(\gamma\) có khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều lần so với tia α và β.

3. Trong hiện tượng phóng xạ, chu kì bán rã là khoảng thời gian để một nửa số hạt nhân của một mẫu phóng xạ phân rã.

Hằng số phóng xạ đặc trưng cho từng chất phóng xạ, có mối liên hệ với chu kì bán rã theo công thức: \(\lambda=\dfrac{ln2}{T}\).

Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ còn lại giảm theo thời gian theo quy luật hàm số mũ theo công thức:

\(N_t=N_02^{-\dfrac{t}{T}}=N_0e^{-\lambda t}\)

4. Độ phóng xạ đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, được xác định bằng số hạt nhân phóng xạ phân rã trong một giây. Độ phóng xạ tại mỗi thời điểm bằng tích của hằng số phóng xạ và số lượng hạt nhân phóng xạ chứa trong chất đó tại thời điểm đang xét.

\(H_t=\lambda N_t=H_0e^{-\lambda t}\)