SGK Vật Lí 12 - Bài 37. Phóng xạ
Phóng XẠ • . _ - • • _ . • • _ • • Ngay từ cuối thê' kỉ XIX, năm 1896 Béc-cơ-ren (Becquerel) tìm ra hiện tượng muối urani phát ra những tia có thể tác dụng lển kính ảnh. Béc-cơ-ren lại chứng minh được rằng đó không phải là hiện tượng phát tia Rơn-ghen và cũng không phải hiện tượng lân quang. Béc-cơ-ren đã đặt tên cho hiện tượng đó là phóng xạ. Tiếp theo đó, hai ông bà Pi-e Quy-ri (Curie) và Ma-ri Quy-ri lại tìm thêm được hai chất phóng xạ là pôlôni và rađi, trong đó rađi có tính phóng xạ mạnh hơn nhiều so với urani. Sau đó, người ta tìm ra hiện tượng phóng xạ nhân tạo. Vậy bản chất phóng xạ là gì ? Vai trò của nó trong khoa học và trong đời sống xã hội ra sao ? I - HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ Định nghĩa hiện tượng phóng xạ Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhàn không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhàn tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con. Các dạng phóng xạ Tuỳ theo các tia phát ra, người ta phân loại các dạng phóng xạ như sau : Phóng xạ a Hạt nhân mẹ X phân rã tạo thành hạt nhân con Y, đồng thời phát ra tia phóng xạ a theo phản ứng sau : t42Y+ ỉHe (37.1) Có thể viết gọn hơn : / X -—> ộ“4 Y L—L Tia a là dòng các hạt nhân 4 He chuyển động với tốc độ vào cỡ 20 000 km/s. Quãng đường đi được của tia a trong không khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micrômét. Phóng xạ p~ Phóng xạ /3" là quá trình phát ra tia p-. Tia /3~ là dòng các electron (Jje). (37.2) Dạng tổng quát của quá trình phóng xạ (3 như sau : c) Phóng xạ /3 Phóng xạ /3+ là quá trình phát ra tia /3+. Tia /3+ là dòng các pozitron tfe). Pozitron có điên tích +e và khối lượng bằng khối lượng electron. Nó là phản hạt của electron. Dạng tổng quát của quá trình phóng xạ (3+ như sau : í* p+ > Z-1Y (37.3) Trong hai quá trình trên có phát ra các hạt _®e và chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng, tạo thành các tia (3~ và /3+. Các tia này có thể truyền đi được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại. Ví dụ : 6 c -> ) N + _]e ; 7 N -> 6 c+ }e Tuy nhiên, khi đo đạc tính toán hai quá trình phóng xạ (3+và (3~, các nhà Vật lí thấy rằng, định luật bảo toàn momen động lượng chưa thoả mãn. Điều đó có nghĩa là khi tính toán đã bỏ qua sự xuất hiện một hạt trong phản ứng phóng xạ. Đó là hạt có tên là nơtrinô, có khối lượng rất nhỏ, không tích điện, kí hiệu qV chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Vậy ta phải viết phương trình mô tả quá trình phóng xạ (3+ : 12 XT . 12/—1 . 0 I 0 7 N-> 6 C + / + ov /V Với quá trình phóng xạ /3 - ta có : HC^14N+^+0~ r trong đó (oVlà phản hạt của nơtrinồ). d) Phóng xạ Y Một số hạt nhân con sau quá trình phóng xạ a hay /3+, [3 - được tạo ra trong trạng thái kích thích. Khi đó xảý ra tiếp quá trình hạt nhân đó chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn, và phát ra bức xạ điện từ y, còn gọi là tia y. Các tia y có thê’ đi qua được vài mét trong bê. tông và vài xentimét trong chì. II - ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ Đặc tính của quá trình phóng xạ Các quá trình phóng xạ đã nêu ở trên : Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân. Có tính tự phát và không điều khiển được, nó không chịu tác động của các yếu tố thuộc môi trường ngoài như nhiệt độ, áp suất... Là một quá trình ngẫu nhiên : với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân rã của nó là không xác định. Ta chỉ có thể nói đến xác suất phân rã của hạt nhân đó. Như vậy ta ■không thể khảo sẩt sự biến đổi của một hạt nhân đơn lẻ. Tuy nhiên ta có thể khảo sát sự biến đổi thống kê của một số lớn hạt nhân phóng xạ. Định luật phóng xạ Ta xét một mẫu phóng xạ có N hạt nhân tại thời điểm t. Tại thời điểm t + dz, số hạt nhân đó giảm đi và trở thành N + d/V với dV < 0. Số hạt nhân đã phân rã trong khoảng thời gian dr là - dN ; số này tỉ lệ với khoảng thời gian dz và cũng tỉ lệ với số hạt nhân N có trong mẫu phóng xạ : - dV = ẢNdt (37.4) trong đó Ẳ là một hằng số dương gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho chất phóng xạ đang xét. Vậy ta có : ^ = -Âd/ (37.5) Gọi Nq là số hạt nhân của mẫu phóng xạ tồn tại vào lúc t = 0, muốn tìm số hạt nhân N tồn tại vào lúc t > 0 ta phải tích phân phương trình trên (tích phân theo t từ 0 đến ộ: No 0 Kết quả tìm được : (37.6) N = Nữe~Ải Công thức (37.6) biểu diễn định luật phân rã phóng xạ. Ta nhận thấy số lượng các hạt nhân phóng xạ giảm theo hàm mũ. Quy luật phân rã này được biểu diễn bằng đồ thị trên Hình 37.1. Chu kì bán rã Một đại lượng khác đặc trưng cho chất phóng xạ là chu kì bán rã : Đó là thời gian qua đó số lượng các hạt nhân còn lại là 50% (nghĩa là phân rã 50%). Chu kì bán rã kí hiệu là T, được tính như sau : M) _ -A.T Chất Phóng xạ .Chu.kì bán rã (ĩ) pôlôni gị2Po a 3,0.10 “7 s nitơ ị6N p- 7,2 s rađon |g°Rn a 55 s tali 81°TZ p- 1,3 phút chì g)4Pb p- 26,8 phút rađon y2Rn a 3,8 ngày iôt f I p- 8,9 ngày natri ^Na p+ 2,6 năm triti 2H p- 12,3 năm cacbon g4C p- 5,7.1 o3 năm plutoni 289Pu a 2,4.1 o4 năm urani ^5U a 7,1.108năm urani 288u a 4,5.1 o9 năm RI Bàng 37.1. Chu kì bán rã của một số chất phóng xạ. RI Chứng minh rằng, sau thời gian f = xT thì số hạt nhân phóng xạ còn lại là : N = 2 = Noe Dođó : é?“XT =1 ; ẤT = ln2 = 0,693 Ill - ĐỔNG VỊ PHÓNG XẠ NHÂN TẠO Ngoài các đồng vị phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, người ta cũng chế tạo được nhiều đồng vị phóng xạ gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ. Phóng xạ nhân tạo và phương pháp nguyên tử đánh dấu Ngày 11 tháng 1 năm 1934, hai ông bà Quy-ri đã ìằm thí nghiệm chiếu rọi tia a (phát ra bởi pôlôni) trong 10 phút vào một tấm nhôm dày 1 mm. Hai ông bà nhận thấy từ tấm nhôm phát ra tia phóng xạ /3+. Đó là hiện tượng phóng xạ nhân tạo. Nguyên tố nhôm qua phản ứng trén biến thành nguyên tố phóng xạ phôtpho : ịHe + 5?Al->§P+ỉ« Nguyên tố phóng xạ nhân tạo đầu tiên 30 p phân rã phóng xạ [3 + với chu kì bán rã T = 3 phút 15 giây. Bằng phương pháp tạo ra phóng xạ nhân tạo, người ta đã tạo ra các hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố X bình thường, không phải là chất phóng xạ theo sơ đồ tổng quát sau : zX + bn-+ z+1x Z+1X là đồng vị phóng xạ của X. Khi trộn lẫn với các hạt nhân bình thường không phóng xạ, các hạt nhân phóng xạ Z+1X được gọi là các nguyên tử đánh dấu, cho phép ta khảo sát sự tồn tại, sự phân bố, sự chuyển vận của nguyên tố X. Phương pháp nguyên tử đánh dấu có nhiều ứng dụng quan trọng trong sinh học, hoá học, y học... Đồng vị 14c, đồng hồ của Trái Đất • Ớ tầng cao khí quyển, trong thành phần của tia vũ trụ có các nơtron chậm (tốc độ vào cỡ vài trăm mét trên giây). Một nơtron chậm khi gặp hạt nhân ị4N (có trong khí quyển) tạo nên phản ứng : Jn + ^N^C + lp J,4C là một đồng vị phóng xạ /3 ", chu kì bán rã 5 730 năm. • Trong khí quyển có cacbon điôxit : Trong số các hạt nhân cacbon ở đây có lẫn cả g2C và g4C (tỉ lệ không đổi: g4C chiếm 10_6%). Các loài thực vật hấp thụ CO9 trong không khí, trong đó có cacbon thường và cacbon phóng xạ với tỉ lệ 10_6%. Khi loài thực vật ấy chết, không còn sự hấp thụ coọ trong không khí và g4C không còn tái sinh trong thực vật đó nữa. Và vì g4C phóng xạ, nên số lượng *64c giảm dần trong thực vật đó. Nói cách khác, , _ I4C tỉ lệ trong loài thực vật đang xét giảm đi so với 6 c tỉ lệ đó trong không khí. So sánh hai tỉ lệ đó cho phép ta xác định thời gian từ lúc loài thực vật đó chết cho đến nay. Phương pháp này cho phép tính được các khoảng thời gian từ 5 đến 55 thế kỉ. Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững. Sô hạt nhân phân rã của một nguồn giậm theo quy luật hàm sô mũ : N = Noe~kt Chu kì bán rã cho bởi: T In2 0,693 - Ằ - Ả Các dạng phóng xạ : I - Phóng xạ a Phóng xạ p - Phóng xạ /J + Phóng xạ ỵ Phóng xạ y thường xảy ra trong phản ứng hạt nhân, hoặc trong phóng xạ a hay p-,p+. Phóng xạ tự nhiên và phóng xạ nhân tạo. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP $ Một hạt nhân phóng xạ a, p~, p+, Ỵ, hãy hoàn chỉnh bảng sau : Phóng xạ z A thay đổi không đổi thay đổi không đổi a p- p+ 7 Trong số các tia: a, p~, p+ và Ỵ, tia nào đâm xuyên mạnh nhất ? Tia nào đâm xuyên yếu nhất? Hãy chọn câu đúng. Quá trình phóng xạ hạt nhân thu năng lượng. toả năng lượng. c. không thu, không toả năng lượng. D. có trường hợp thu, có trường hợp toả năng lượng. Quá trình phóng xạ nào không có sự thay đổi cấu tạo hạt nhân ? A. Phóng xạ a. B. Phóng xạ c. Phóng xạ p +. D. Phóng xạ ỵ. Hãy chọn câu đúng. Trong quá trình phóng xạ, số lượng hạt nhân phân rã giảm đi với thời gian t theo quy luật -at + p (a,p > 0) | t D. e“Ất