Bài 23. Hiện tượng phóng xạ

I. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

1. Định nghĩa 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 (Hình 23.1). 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.

Ngoài quặng uranium còn có rất nhiều chất có thể phát ra tia phóng xạ. Tia phóng xạ không nhìn thấy được bằng mắt thường, nhưng có thể có những tác dụng như: ion hoá không khí, gây ra các hiệu ứng quang điện, phát xạ thứ cấp, làm đen kính ảnh, xuyên thấu lớp vật chất mỏng, phá huỷ tế bào, kích thích một số phản ứng hoá học,...

Hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát biến đổi thành một hạt nhân khác đồng thời phát ra tia phóng xạ gọi là hiện tượng phóng xạ. Quá trình biến đổi hạt nhân này còn được gọi là phân rã phóng xạ hoặc phân rã hạt nhân. Hạt nhân không bền vững, tự phân rã được gọi là hạt nhân mẹ. Hạt nhân được tạo thành, bền vững hơn được gọi là hạt nhân con.

2. Tính ngẫu nhiên của phân rã phóng xạ

Bằng nhiều thí nghiệm khá, người ta đã thấy quá trình phóng xạ là ngẫu nhiên. Với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân rã của nó là không xác định.

3. Các dạng phóng xạ

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 (Hình 23.3). Người ta thường phân loại phóng xạ thành 3 dạng như sau: phóng xạ alpha (kí hiệu α), phóng xạ beta (có hai loại kí hiệu là β^- và β⁺) và phóng xạ gamma (kí hiệu là γ).

a) Phóng xạ alpha

Tia phóng xạ α là hạt nhân He phóng ra từ hạt nhân mẹ có tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s. Tia α làm ion hoá 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 (Hình 23.4). 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:

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

b) Phóng xạ beta

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 (\(_1^0e\)) phóng ra từ hạt nhân mẹ với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không. Tia β làm lon hoá 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 23.4).

Hạt nhân thực hiện phân rã tạo ra tia phóng xạ β, ngoài sản phẩm là hạt nhân con, các \(_{-1}^0e\) và \(_1^0e\) còn có hạt cơ bản khác là phản hạt neutrino (V) và hạt neutrino (v) không mang điện, có khối lượng nghỉ vô cùng nhỏ.

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

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

Tương tự, đối với phóng xạ β⁺:

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

c) Phóng xạ 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 y có bước sóng rất ngắn, cỡ nhỏ hơn 10^-11 m, còn gọi là tia γ. Các tia γ có năng lượng cao, dễ dàng xuyên qua các vật liệu thông thường, ví dụ lớp bê tông dày hàng chục cm. Muốn cản trở được tia γ, 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 23.4).

Phương trình của phân rã phóng xạ γ có dạng:

\(_Z^AY^{\cdot}\rightarrow_Z^AY+\gamma\)

II. ĐỊNH LUẬT PHÓNG XẠ. ĐỘ PHÓNG XẠ

1. Định luật phóng xạ

Các quá trình phân rã phóng xạ đã nêu ở trên là quá trình ngẫu nhiên. Mặc dù, với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân rã của nó là không xác định, nhưng khi xét một mẫu chất phóng xạ bao gồm một số lượng rất lớn các hạt nhân phóng xạ thì ta có thể khảo sát sự biến đổi mang tính quy luật của các hạt nhân đó.

Khi thực hiện thí nghiệm phân rã phóng xạ một mẫu chất phóng xạ \(_{86}^{220}Rn\) với số hạt nhân ban đầu N₀, người ta thấy rằng cứ sau mỗi khoảng thời gian T = 55 s, chỉ còn một nửa số hạt nhân của mẫu chất phóng xạ chưa bị phân rã. Trong quá trình phân rã phóng xạ, số hạt nhân mẹ sẽ giảm theo thời gian.

Thực nghiệm với các chất phóng xạ khác cũng 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.

Điều đó có nghĩa là sau các 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 là:

\(N_t=N_02^{-\dfrac{t}{T}}\) (23.1)

Công thức (23.1) 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 bản rã T khác nhau.

2. 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 becoren (được lấy theo tên nhà bác học Becquerel), kí hiệu là Bq.

1 Bq = 1 phân rã/1 giây.

Trong thực tế, độ phóng xạ còn có đơn vị khác là curi (Curie, được lấy theo tên của hai nhà bác học: Marie Curie và chồng là Pierre Curie), kí hiệu là Ci.

1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq, xấp xỉ bằng độ phóng xạ của một gam \(_{88}^{226}Ra\).

Độ phóng xạ có thể được đo nhờ các thiết bị đo phóng xạ.

Vì số hạt nhân của một lượng chất phóng xạ giảm dần, nên độ phóng xạ H của chất phóng xạ cũng giảm theo thời gian. Xét một mẫu chất phóng xạ có N_t hạt nhân tại thời điểm t. Tại thời điểm t + Δt, số hạt nhân đó giảm đi và trở thành N_t + ΔN, với ΔΝ < 0.

Số hạt nhân đã phân rã trong khoảng thời gian Δt là -ΔN, do đó theo định nghĩa độ phóng xạ thì \(H_t=-\dfrac{\Delta N}{\Delta t}\). Xét khoảng thời gian Δt rất bé và sử dụng biểu thức (23.1) ta có độ phóng xạ H_t tại thời điểm t bất kì là:

\(H_t=-\dfrac{dN_t}{dt}=-N'_t=\dfrac{ln2}{T}N_02^{-\dfrac{t}{T}}\)

\(H_t=\lambda N_t\)   (23.2)

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 λ là s^-1. Với định nghĩa này, phương trình (23.1) và (23.2) có dạng: 

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

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

Trong đó H₀ là độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu t = 0.

III. ẢNH HƯỞNG CỦA TIA PHÓNG XẠ. BIỂN CẢNH BÁO PHÓNG XẠ

1. Ảnh hưởng của tia phóng xạ

Các tia phóng xạ có thể gây tác động mạnh tới tế bào của con người cũng như sinh vật. Vì vậy khi bị phơi nhiễm tia phóng xạ với liều lượng lớn trong một khoảng thời gian dài, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ cũng như di truyền.

Trong một số trường hợp, với nguồn phóng xạ mạnh dù chỉ tiếp xúc thời gian ngắn nhưng cảm giác bỏng rát xuất hiện ngay, còn gọi là bỏng phóng xạ. Sau đó, nạn nhân xuất hiện các triệu chứng buồn nôn, nôn mửa, suy nhược thần kinh,... Các triệu chứng này còn gọi là nhiễm độc phóng xạ, ảnh hưởng lâu dài đến sức khoẻ, gây đột biến trong di truyền, ung thư...

Ảnh hưởng của tia phóng xạ lên cơ thể người phụ thuộc vào cường độ, khả năng ion hoá, 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 hoá 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 hoá và khả năng đâm xuyên ở mức trung bình, khỉ 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 γ: khả năng ion hoá kém hơn tia α, tia β nhưng khả năng đâm xuyên mạnh, khi nguồn phóng xạ γ ở trong hay ở ngoài cơ thể đều có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng nếu cơ thể phơi nhiễm tia γ có cường độ lớn trong thời gian dài.

2. 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.

IV. 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, từ các tia vũ trụ, từ đá và vật liệu xây dựng có chứa đồng vị phóng xạ, trong thực phẩm....

a) 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.

b) 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.

c) Cần giảm thiểu thời gian phơi nhiễm phóng xạ.