Bài 3. Phóng xạ

I. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

Năm 1896, Becquerel (Béc-cơ-ren) đã tình cờ tìm ra hiện tượng muối uranium phát ra những tia có thể tác dụng lên kính ảnh. Những nghiên cứu sau đó của Marie Cuire (Ma-ri Quy-ri) cho thấy, ngoài uranium thi polonium và radium cũng có thể phát ra những tia có tính chất tương tự. Các tia này được gọi là tia phóng xạ. Uranium, polonium và radium được gọi là các chất 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.

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.

1. Tia α

Tia α là dòng các hạt nhân \(_2^4He\) (hạt \(\alpha\)), chuyển động với tốc độ khoảng 2.10⁷ m/s. Tia α làm ion hoá mạnh các nguyên tử trên đường đi của nó và mất năng lượng rất nhanh. Vì vậy, tia α chỉ đi được vài centimet trong không khí và không xuyên qua được tờ bìa dày 1 mm.

Trong Hình 3.2, hạt nhân \(_{92}^{238}U\) phóng xạ α và biến đổi thành hạt nhân \(_{90}^{234}Th\).

2. Tia β

Có hai loại tia β:

• Tia \(\beta^-\) là dòng các hạt electron (kí hiệu là \(_{-1}^0e\)). Đồng vị \(_6^{14}C\) là chất phóng xạ \(\beta^-\) (Hình 3.3).

• Tia \(\beta^+\) là dòng các hạt positron (kí hiệu là \(_1^0e\)). Positron có khối lượng bằng khối lượng hạt electron và có điện tích +e. Nó được gọi là phản hạt của electron. Đồng vị \(_{11}^{22}Na\) là chất phóng xạ \(\beta^+\) (Hình 3.4).

Tia β chuyển động với tốc độ rất lớn, có thể đạt gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không. Tia β cũng làm ion hoá môi trường nhưng yếu hơn tia α. Vì vậy, tia β có thể đi vài mét trong không khí và có thể bị chặn lại bởi lá kim loại dày vài milimet.

Trong các quá trình phóng xạ β, các nhà khoa học đã tiên đoán và chứng minh được sự tồn tại của các hạt mới trong sản phẩm. Đó là hạt neutrino \(_0^0v\) và phản neutrino \(_0^0\overset{\sim}{v}\). Các hạt này đều có khối lượng rất nhỏ, không mang điện và chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không.

3. Tia γ 

Tia γ là sóng điện tử có bước sóng rất ngắn (nhỏ hơn 10^-11 m) hay chính là các hạt photon có năng lượng cao. Tia γ có khả năng đâm xuyên lớn. Nó có thể đi được khoảng một mét trong bê tông hoặc vài centimet trong chỉ trước khi bị hấp thụ hoàn toàn.

Tia γ thường là tia phóng xạ đi kèm theo phóng xạ α hoặc β. Hạt nhân sinh ra trong các quá trình phóng xạ α hoặc β có thể ở trạng thái kích thích và phóng xạ tia γ để trở về trạng thái cơ bản.

III. PHƯƠNG TRÌNH PHÓNG XẠ

Các quá trình phóng xạ và các quá trình biến đổi hạt nhân khác như phân hạch và nhiệt hạch được gọi chung là các phản ứng hạt nhân. Trong các phản ứng hạt nhân, số nucleon được bảo toàn, có nghĩa là: Tổng số nucleon của các hạt trước phản ứng bằng tổng số nucleon của các hạt sản phẩm. Đồng thời, tổng đại số điện tích của các hạt trước phản ứng bằng tổng đại số diện tích của các hạt sản phẩm.

Các phản ứng hạt nhân có thể biểu diễn bằng các phương trình phản ứng hạt nhân. Ví dụ: phương trình phản ứng của quá trình phóng xạ α trong Hình 3.2 có dạng:

\(_{92}^{238}U\rightarrow_{90}^{234}T+^4_2He\)   (3.1)

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

Phóng xạ α : \(_Z^AX\rightarrow_{Z-2}^{A-4}Y+_2^4He\)   (3.2)

Phóng xạ \(\beta^-\): \(_Z^AX\rightarrow_{Z+1}^AY+_{-1}^0e+_0^0\overset{\sim}{v}\)   (3.3)

Phóng xạ \(\beta^+\): \(_Z^AX\rightarrow_{Z-1}^AY+_1^0e+^0_0v\)   (3.4)

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, ta 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

Giả sử, một mẫu có N₀ hạt nhân chất phóng xạ tại thời điểm ban đầu (t = 0). Thực nghiệm đã chứng tỏ, cứ sau một khoảng thời gian T xác định thì số hạt nhân chất phóng xạ giảm chỉ còn bằng một nửa giá trị ban đầu của chúng. T được gọi là chu kì bán rã của chất phóng xạ. Hình 3.7 biểu diễn sự thay đổi số hạt nhân chất phóng xạ N theo thời gian t.

Theo đồ thị Hình 3.7, số hạt nhân chất phóng xạ còn lại N có trong mẫu giảm dần theo thời gian theo hàm số có dạng:

\(N=N_02^{-\dfrac{t}{T}}\)   (3.5)

Công thức (3.5) còn có thể viết dưới dạng:

\(N=N_0e^{-\dfrac{ln2}{T}t}=N_0e^{-\lambda t}\)   (3.6)

Với \(\lambda=\dfrac{ln2}{T}\)   (3.7)

được gọi là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho từng loại chất phóng xạ. Hằng số phóng xạ càng lớn thì chất phóng xạ phân rã càng nhanh.

Nếu chu kì bán rã có đơn vị đo là giây (s) thì hằng số phóng xạ có đơn vị đo là s^-1.

3. Độ phóng xạ

Xét một mẫu chất phóng xạ có N hạt nhân tại thời điểm t. Trong khoảng thời gian Δt, có ΔN hạt nhân chất phóng xạ bị phân rã. Để đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của mẫu chất phóng xạ đó, người ta dùng đại lượng độ phóng xạ, kí hiệu là H, được xác định bằng số hạt nhân phân rã trong một giây:

\(H=\dfrac{\Delta N}{\Delta t}\)   (3.8)

Đơn vị đo của độ phóng xạ là becoren (Bq),

1 Bq = 1 phân rã/giây

Độ phóng xạ H của một mẫu chất phóng xạ liên hệ với hằng số phóng xạ λ và số hạt nhân chất phóng xạ N của mẫu đó theo công thức:

\(H=\lambda N\)   (3.9)

Có thể thấy, với một chất phóng xạ nhất định, số hạt nhân trong mẫu chất càng nhiều thì độ phóng xạ của mẫu đó càng lớn.

Độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ cũng giảm theo thời gian với quy luật:

\(H=\lambda N=\lambda N_0e^{-\lambda t}=H_0e^{-\lambda t}\)   (3.10)

Với \(H_0=\lambda N_0\) là độ phóng xạ của mẫu đó ở 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.

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 qua đó, có thể biết tình trạng bệnh lí ở các bộ phận khác nhau của cơ thể. Đó là phương pháp nguyên tử đánh dấu. Ngoài lĩnh vực y học, phương pháp nguyên tử đánh dấu còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như dò tìm và phát hiện rò rỉ trong đường ống, theo dõi sự vận chuyển chất dinh dưỡng trong cây.

Trong điều trị bệnh, người ta sử dụng chùm tia phóng xạ để tiêu diệt tế bào ung thư, từ đó có thể điều trị khối u hoặc làm thu nhỏ khối u.

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 hại và bảo quản được lâu dài hơn. Phương pháp này không làm thực phẩm bị nhiễm phóng xạ, không làm giảm chất lượng dinh dưỡng của nông sản, thực phẩm.

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

Các tia phóng xạ xuất hiện trong môi trường tự nhiên được gọi là phóng xạ nền. Phóng xạ nền có nguồn gốc từ các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có trong không khí, đất, đá và từ sự tương tác của các tia vũ trụ với bầu khí quyển Trái Đất. Ngoài ra, phóng xạ cũng có nguồn gốc từ các hoạt động của con người như: chất thải phân hạch từ các nhà máy điện hạt nhân, thử nghiệm vũ khí hạt nhân, các phóng xạ hạt nhân trong chẩn đoán và điều trị y tế,...

Các tia phóng xạ mang năng lượng lớn, có khả năng ion hoá môi trường, gây tác hại đến con người và sinh vật khi liều lượng vượt quá ngưỡng nhất định.

Con người có thể bị phơi nhiễm chất phóng xạ qua da, hô hấp, ăn uống. Khi đi vào cơ thể, chất phóng xạ di chuyển đến các vị trí khác nhau và tiếp tục phát ra tia phóng xạ phá hủy mô, tế bào, cơ quan.

Tuỳ thuộc vào liều lượng, tỉ lệ phơi nhiễm, loại tia phóng xạ và phần cơ thể bị phơi nhiễm mà cơ thể người khi bị nhiễm phóng xạ có các biểu hiện khác nhau. Các biểu hiện cấp tính như bong tróc da, tự chảy máu, rụng tóc, mệt mỏi cực độ, ngứa rát cổ họng.... Người bị nhiễm phóng xạ với liều lượng lớn hoặc trong thời gian dài có thể bị bệnh máu trắng, ung thư thậm chí tử vong.

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. Trong đó, giảm thời gian tiếp xúc, tăng khoảng cách tới nguồn phát ra phóng xạ và sử dụng vật liệu che chắn giữa người và nguồn phóng xạ là các cách để giảm liều lượng phóng xạ chiếu tới cơ thể.

Những người làm việc trong môi trường có nguy cơ hấp thụ liều lượng phóng xạ cao như công nhân, kĩ thuật viên trong các ngành công nghiệp hạt nhân, nhà khoa học cần được trang bị máy do liều lượng phóng xạ cá nhân và quần áo bảo hộ phù hợp.

Bên cạnh đó, các biện pháp hành chính cần được thực hiện để đảm bảo an toàn cho người làm việc với phóng xạ cũng như những người không liên quan và môi trường như:

• Xây dựng nội quy an toàn phóng xạ.
• Gắn biển cảnh báo phóng xạ.
• Thiết lập vùng kiểm soát và vùng giám sát.