Trang chủVật lý THPTVật lý 12Chương VII: Vật lý hạt nhânPhóng xạ

Phóng xạ

[Sửa bài viết] [Thêm bài viết]

17/09/2016 04:42 CH | 48649

SỰ PHÓNG XẠ CỦA HẠT NHÂN

I. Hiện tượng phóng xạ

Phóng xạ là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững.

Nhắc lại: Hạt nhân ở đầu và ở cuối bảng tuần hoàn thường là các hạt nhân kém bền vững nhất.

Chú ý: Quá trình phóng xạ là một quá trình tự phát, không thể can thiệp vào quá trình phóng xạ.

Quá trình phóng xạ kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ (tia gamma)
Hạt nhân phóng xạ gọi là hạt nhân mẹ. Hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.

II. Các loại phóng xạ

1. Phóng xạ anpha ( $\fn_phv \alpha$ ) là quá trình một hạt nhân mẹ phóng ra một hạt nhân $\fn_phv _{2}^{4}\textrm{He}$ và biến đổi thành hạt nhân khác.

Ví dụ: Hạt nhân pôlôni Po210 phóng xạ $\fn_phv \alpha$ và biến đổi thành hạt nhân chì Pb206 theo phương trình sau:

$\fn_phv _{84}^{210}\textrm{Po}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{82}^{206}\textrm{Pb}$

Dạng phương trình của phóng xạ $\fn_phv \alpha$ là

$\fn_phv _{Z}^{A}\textrm{X}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{Z-2}^{A-4}\textrm{Y}$

Vậy:

Trong phóng xạ $\fn_phv \alpha$ , hạt nhân con có số khối giảm 4 và lùi 2 ô trong bảng tuần hoàn so với hạt nhân mẹ.

2. Phóng xạ bêta trừ ( $\fn_phv \beta ^{-}$ ) là quá trình một hạt nhân mẹ phóng ra một electrôn và biến đổi thành hạt nhân khác.

Ví dụ: Hạt nhân cácbon C14 phóng xạ $\fn_phv \beta ^{-}$ và biến đổi thành hạt nhân nitơ N14 theo phương trình sau:

$\fn_phv _{6}^{14}\textrm{C}\rightarrow _{-1}^{0}\textrm{e}+_{7}^{14}\textrm{N}$

Dạng phương trình của phóng xạ $\fn_phv \beta ^{-}$ là

$\fn_phv _{Z}^{A}\textrm{X}\rightarrow _{-1}^{0}\textrm{e}+_{Z+1}^{A}\textrm{Y}$

Vậy:

Trong phóng xạ $\fn_phv \beta ^{-}$ , hạt nhân con có số khối bằng số khối của hạt nhân mẹ nhưng tiến 1 ô trong bảng tuần hoàn so với hạt nhân mẹ.

3. Phóng xạ bêta cộng ( $\fn_phv \beta ^{+}$ ) là quá trình một hạt nhân mẹ phóng ra một pôzitrôn và biến đổi thành hạt nhân khác.

Ví dụ: Hạt nhân phôt-pho P30 phóng xạ $\fn_phv \beta ^{+}$ và biến đổi thành hạt nhân silic Si 30 theo phương trình sau:

$\fn_phv _{15}^{30}\textrm{P}\rightarrow _{+1}^{0}\textrm{e}+_{14}^{30}\textrm{Si}$

Dạng phương trình của phóng xạ $\fn_phv \beta ^{+}$ là

$\fn_phv _{Z}^{A}\textrm{X}\rightarrow _{1}^{0}\textrm{e}+_{Z-1}^{A}\textrm{Y}$

Vậy:

Trong phóng xạ $\fn_phv \beta ^{+}$ , hạt nhân con có số khối bằng số khối của hạt nhân mẹ nhưng lùi 1 ô trong bảng tuần hoàn so với hạt nhân mẹ.

4. Phóng xạ gamma ( $\fn_phv \gamma$ ) là loại phóng xạ đi kèm với các loại phóng xạ $\fn_phv \alpha$ , $\fn_phv \beta ^{-}$ , $\fn_phv \beta ^{+}$ .

Hạt nhân con Y sau phóng xạ $\fn_phv \alpha$ , $\fn_phv \beta ^{-}$ , $\fn_phv \beta ^{+}$ có thể ở trạng thái kích thích. Hạt nhân này sau đó sẽ trở về trạng thái bình thường và phát ra phôtôn có năng lượng cao. Các phôtôn này được gọi là tia gamma.
Không có biến đổi hạt nhân trong phóng xạ $\fn_phv \gamma$ .
Vì hạt phóng xạ trong phóng xạ $\fn_phv \gamma$ là phô tôn (không có điện tích và không có khối lượng nghỉ) nên ta ký hiệu hạt gamma là $\fn_phv _{0}^{0}\gamma$

III. Đặc điểm của các loại tia phóng xạ

1. Tia $\fn_phv \alpha$ :

Là dòng của các hạt nhân $\fn_phv _{2}^{4}\textrm{He}$ chuyển động với tốc độ vào khoảng 20000 km/s (tức là khoảng 2.10⁷ m/s hoặc khoảng $\fn_phv \frac{1}{15} c$ )
Làm iôn hóa không khí.
Bị lệch về bản âm của tụ điện (Do có khối lượng lớn - đến 4u - nên bị lệch ít hơn tia $\fn_phv \beta ^{-}$ và tia $\fn_phv \beta ^{+}$ .
Trong không khí đi được khoảng vài centimet.
Trong vật rắn đi được khoảng vài micrômet.

2. Tia $\fn_phv \beta ^{-}$ :

Là dòng của các electrôn $\fn_phv _{-1}^{0}e^{-}$ chuyển động với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng.
Làm ion hóa không khí yếu hơn tia $\fn_phv \alpha$ .
Bị lệch về bản dương của tụ điện.
Trong không khí đi được khoảng vài met.
Trong kim loại đi được khoảng vài milimet.

3. Tia $\fn_phv \beta ^{+}$ :

Là dòng của các pôzitrôn $\fn_phv _{+1}^{0}e^{+}$ chuyển động với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng.
Làm ion hóa không khí yếu hơn tia $\fn_phv \beta ^{-}$ , $\fn_phv \beta ^{+}$ nhưng mạnh hơn tia X.
Bị lệch về bản âm của tụ điện. (Mặc dù tia , $\fn_phv \beta ^{-}$ , $\fn_phv \beta ^{+}$ bị lệch theo hai phương khác nhau trong điện trường nhưng độ lệch - lấy trị tuyệt đối - là bằng nhau).
Trong không khí đi được khoảng vài met.
Trong kim loại đi được khoảng vài milimet.

4. Tia $\fn_phv \gamma$ :

Là dòng phôtôn có năng lượng cao mà mắt không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn hơn bước sóng của tia X.
Tia $\fn_phv \gamma$ có đầy đủ các đặc điểm như tia X nhưng có khả năng đâm xuyên cao hơn và có tác dụng sinh lý mạnh hơn.
Làm ion hóa không khí rất mạnh.
Trong bê tông có thể đi được vài met.
Trong chì có thể đi được vài centimet.

IV. Định luật phóng xạ:

1. Đặc tính của quá trình phóng xạ:

Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.
Phóng xạ là một phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.
Có tính tự phát và không điều khiển được.
Là một quá trình ngẫu nhiên.

2. Định luật phóng xạ:

Mỗi chất phóng xạ được đặc trưng bởi một khoảng thời gian gọi là chu kỳ bán rã. Sau mỗi chu kỳ bán rã, lượng chất phóng xạ còn lại chỉ bằng một nửa so với ban đầu.

Gọi

N_o là số nguyên tử chất phóng xạ lúc t = 0
N là số nguyên tử chất phóng xạ còn lại lúc t.
T là chu kỳ bán rã (cùng đơn vị với t)

Ta chứng minh được công thức sau:

$\fn_phv N = \frac{N_{o}}{2^{\frac{t}{T}}}$

Gọi

m_o là khối lượng của chất phóng xạ lúc t = 0
m là khối lượng chất phóng xạ còn lại lúc t.
T là chu kỳ bán rã (cùng đơn vị với t)

Ta cũng chứng minh được công thức sau:

$\fn_phv m = \frac{m_{o}}{2^{\frac{t}{T}}}$

Vì $\fn_phv 2 = e^{ln2}$ nên nếu đặt $\fn_phv \lambda =\frac{ln2}{T}$ gọi là hằng số phóng xạ (đơn vị là s - 1) ta có các công thức viết theo các cách khác nhau như sau:

$\fn_phv N=N_{o}2^{-t/T} = N_{o}e^{-\lambda t}$

$\fn_phv m=m_{o}2^{-t/T} = m_{o}e^{-\lambda t}$

Chú ý: Giữa N và m ta có quan hệ sau:

$\fn_phv \frac{N}{m}=\frac{N_{A}}{A}$

V. Ứng dụng của đồng vị phóng xạ

1. Dùng trong phương pháp nguyên tử đánh dấu.

Pha một ít phôt-pho phóng xạ (P30) vào chất phôt-pho thông thường (P31) rồi bón cho cây chẳng hạn. Cây sẽ hấp thụ chất phôt-pho mà không phân biệt loại phôt-pho nào. Như thế, nhờ một máy dò phóng xạ mà ta có thể theo dõi được quá trình hấp thụ chất lân của cây cối. Phương pháp này được gọi là phương pháp nguyên tử đánh dấu.

2. Phương pháp định tuổi cổ vật có nguồn gốc thực vật:

Trong không khí luôn tồn tại một lượng nhất định đồng vị cacbon C14. Đồng vị này phóng xạ $\fn_phv \beta ^{-}$ với chu kỳ bán rã vào khoảng 5730 năm. Thực vật hấp thụ đi ôxit cacbon trong không khí nên cũng hấp thụ luôn C14. Khi thực vật còn sống thì tỉ lệ giữa C14 và C12 là không đổi. Nhưng khi thực vật chết đi thì tỉ lệ này giảm dần. Như vậy bằng cách đo tỉ lệ C14 và C12 trong các di vật cổ ta có thể tính ra tuổi của chúng. Phép định tuổi cổ vật này cho phép đo được tuổi các cổ vật từ 500 năm đến 5500 năm.

Bài trước Lên đầu trang Bài kế tiếp Trở về trang chủ

[Sửa bài viết] [Thêm bài viết]