Phóng xạ SVIP

I. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

Thí nghiệm buồng sương: Khi đặt mẫu quặng uranium vào trong buồng sương, chúng ta thấy có nhiều vết sương màu trắng có dạng như các tia đi ra từ mẫu phóng xạ ở các hướng và các thời điểm ngẫu nhiên khác nhau. Các vết sương dạng tia này chính là đường đi của các hạt phóng ra từ mẫu quặng uranium, gọi là các tia phóng xạ.

Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác.

Hạt nhân không bền vững, tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành, bền vững hơn được gọi là hạt nhân con.

II. CÁC TIA PHÓNG XẠ

Khảo sát tia phóng xạ do các chất phóng xạ phát ra, người ta thấy có ba loại tia phóng xạ có bản chất khác nhau.

• Phóng xạ alpha (kí hiệu α);
• Phóng xạ beta (có hai loại kí hiệu là β⁺ và β^-);
• Phóng xạ gamma (kí hiệu là \(\gamma\)).

1. Tia 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.

2. Tia β

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. 

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.

3. Tia \(\gamma\)

Một số hạt nhân con sau quá trình phóng xạ α hay β được tạo ra trong trạng thái kích thích \(_Z^AY\)*. Khi đó, xảy ra tiếp quá trình hạt nhân đó chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn \(_Z^AY\) và phát ra bức xạ điện từ \(\gamma\) có bước sóng rất ngắn, cỡ nhỏ hơn 10^-11 m, còn gọi là tia \(\gamma\).

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).

III. PHƯƠNG TRÌNH PHÓNG XẠ

Phương trình mô tả các quá trình phóng xạ có dạng tổng quát:

Phương trình của phân rã phóng xạ α có dạng:

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

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

\(_Z^AX\rightarrow_{Z+1}^AY+_{-1}^0e+_0^0\overset{\sim}{\nu}\)

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

\(_Z^AX\rightarrow_{Z-1}^AY+_1^0e+_0^0\nu\)

IV. QUY LUẬT PHÓNG XẠ

1. Đặc tính của quá trình phóng xạ

Quá trình phân rã của một khối chất phóng xạ có hai đặc tính quan trọng sau đây:

• Là quá trình tự phát và không điều khiển được: nó hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thuộc môi trường ngoài như nhiệt độ, áp suất,...
• Là một quá trình ngẫu nhiên: thời điểm phân rã của một hạt nhân cho trước là không xác định. Do đó, ra không thể khảo sát sự biến đổi của một hạt nhân riêng lẻ, mà chỉ có thể tiến hành việc khảo sát có tính thống kê sự biến đổi của một số lớn hạt nhân phóng xạ.

2. Chu kì bán rã và hằng số 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.

3. 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, \(H_0=\lambda N_0\) là độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu t = 0.

V. ỨNG DỤNG CỦA PHÓNG XẠ VÀ AN TOÀN PHÓNG XẠ

1. Ứng dụng của phóng xạ

Ngoài các đồng vị phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, con người cũng chế tạo được nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống.

Trong y học:

• Người ta trộn lẫn đồng vị phóng xạ với đồng vị bền không phóng xạ của một nguyên tố X và đưa vào cơ thể để theo dõi sự thâm nhập và di chuyển của nguyên tố đó trong cơ thể người. Nhờ các thiết bị ghi phóng xạ, ta sẽ nhận diện được chúng và có thể biết tình trạng bệnh lí ở các bộ phận khác nhau của cơ thể.
• Sử dụng chùm tia phóng xạ để tiêu diệt tế bào ung thư, điều trị khối u hoặc thu nhỏ khối u.

Trong nông nghiệp:

• Phóng xạ được sử dụng trong việc lai tạo giống cây mới có thể cho sản lượng cao hơn, chống chịu tốt hơn với điều kiện thiên nhiên và sâu bệnh.
• Các nông sản và thực phẩm có thể được chiếu xạ với liều lượng thích hợp để khử trùng, chống dịch hạu và bảo quản lâu dài hơn.

Trong nghiên cứu khoa học:

• Các nhà khảo cổ học sử dụng phương pháp xác định tuổi bằng đồng vị carbon 14 để xác định niên đại của các cổ vật gốc sinh vật khai quật được.

2. An toàn phóng xạ

Ảnh hưởng của phóng xạ

Các tia phóng xạ có thể gây tác động mạnh tới tế bào của con người cũng như sinh vật. Ảnh hưởng của tia phóng xạ lên cơ thể người phụ thuộc vào cường độ, khả năng ion hóa, khả năng đâm xuyên, thời gian chiếu,... của tia phóng xạ.

• Với tia phóng xạ α: khả năng đâm xuyên của tia α kém nên khi nguồn phóng xạ ở bên ngoài cơ thể thì nó không gây hậu quả đáng kể. Tuy nhiên, do khả năng ion hóa mạnh nên nếu nguồn phóng xạ α xâm nhập vào cơ thể thì sẽ gây hậu quả rất nghiêm trọng.
• Với tia phóng xạ β: khả năng ion hóa và khả năng đâm xuyên ở mức trung bình, khi nguồn phóng xạ β ở trong hay ở ngoài cơ thể đều có thể gây ra các hậu quả đáng kể.
• Với tia phóng xạ \(\gamma\): khả năng ion hóa ké, hơn tia α, tia β nhưng khả năng đâm xuyên mạnh, khi nguồn phóng xạ \(\gamma\) ở trong hay ở ngoài cơ thể đều có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng nếu cơ thể phơi nhiễm tia \(\gamma\) có cường độ lớn trong thời gian dài.

Nguyên tắc an toàn phóng xạ

Ngoài các nguồn phóng xạ được kiểm soát trong các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng, con người có nguy cơ bị nhiễm phóng xạ thụ động như: phóng xạ có sẵn trong không khí (\(_{86}^{222}Rn\)), từ các tia vũ trụ (\(_6^{14}C\)), từ đá và vật liệu xây dựng có chứa đồng vị phóng xạ, trong thực phẩm (ví dụ đồng vị \(_{19}^{40}K\)),...

•  ​Giữ khoảng cách đủ xa đối với nguồn phóng xạ. Nếu tăng gấp đôi khoảng cách từ chúng ta đến nguồn phóng xạ thì liều hấp thụ phóng xạ giảm đi 4 lần.
• Cần sử dụng các tấm chắn nguồn phóng xạ đủ tốt. Tấm chắn càng dày và có khối lượng riêng càng lớn sẽ càng cản trở mạnh tia phóng xạ.
• Cần giảm thiểu thời gian phơi nhiễm phóng xạ.

Biển cảnh báo phóng xạ

Biển cảnh báo phóng xạ được đặt tại khu vực lắp đặt thiết bị phát ra tia phóng xạ và nguồn phóng xạ, hoặc trên chính thiết bị và vật chứa của nguồn phóng xạ.

Mục đích cảnh báo mọi người không nên tiếp cận hoặc làm hỏng thiết bị hoặc vật chứa thiết bị phóng xạ, vì điều này rất nguy hiểm.

1. Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát và ngẫu nhiên của một hạt nhân không bền vững.

2. Các phương trình biểu diễn các quá trình phóng xạ là:
Phóng xạ α: \(_Z^AX\rightarrow_{Z-2}^{A-4}Y+^4_2He\)
Phóng xạ β^-: \(_Z^AX\rightarrow_{Z+1}^AY+^0_{-1}e+_0^0\overset{\sim}{\nu}\)
Phóng xạ β⁺: \(_Z^AX\rightarrow_{Z-1}^AY+_1^0e+_0^0\nu\)

3. Hạt nhân sinh ra trong các quá trình phóng xạ α hoặc β có thể ở trạng thái kích thích và phóng ra tia \(\gamma\) để trở về trạng thái cơ bản.

4. Chu kì bán rã T là khoảng thời gian để số hạt nhân chất phóng xạ giảm còn một nửa số hạt nhân ban đầu. Đơn vị của T là s.

5. Hằng số phóng xạ \(\lambda\) đặc trưng cho chất phóng xạ và được xác định bằng công thức: \(\lambda=\dfrac{ln2}{T}\). Hằng số phóng xạ càng lớn thì chất phóng xạ phân rã càng nhanh. Đơn vị của \(\lambda\) là s^-1.

6. Độ phóng xạ H được xác định bằng số hạt nhân chất phóng xạ phân rã trong một giây. Đơn vị đo là Bq.

7. Độ phóng xạ liên hệ với hằng số phóng xạ và số hạt nhân chất phóng xạ trong mẫu theo công thức:

\(H=\lambda N\)

8. Số hạt nhân chất phóng xạ và độ phóng xạ của một mẫu đều giảm theo quy luật hàm số mũ:

\(N=N_0e^{-\lambda t}\) và \(H=H_0e^{-\lambda t}\)

9. Các nguyên tắc an toàn phóng xạ được thiết lập để đảm bảo con người nhận được liều lượng phóng xạ thấp, trong giới hạn an toàn. Ba nguyên tắc cơ bản khi tiếp xúc với nguồn phóng xạ là: giảm thời gian tiếp xúc, tăng khoảng cách và sử dụng vật liệu che chắn phù hợp.