- - -   - - - SÁCH VẬT LÍ HẠT NHÂN Vật lý hạt nhân ứng dụng Phạm Quốc Hùng NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007, 101 Tr Từ khố: Phóng xạ, phóng xạ tự nhiên, tia vũ trụ, phổ gamma, ứng dụng phóng xạ, phóng xạ, phóng xạ nhân tạo, ứng dụng phóng xạ nhân tạo, đồng vị phóng xạ, phương pháp nơtron, phương pháp gamma, Mệssbauer, hấp thụ, phát xạ, vạch phổ gamma, trường bền vật lý rắn, đo hiệu ứng Mệssbauer Tài liệu Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác khơng chấp thuận nhà xuất tác giả Mục lục Chương 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.4 1.4.1 1.4.2 Phóng xạ tự nhiên ứng dụng Các đồng vị phóng xạ tầng sinh (biosphere) Phóng xạ đất Tia vò trụ 11 Các đại lượng đơn vị đo liều xạ 14 Hoạt độ 14 Liều xạ 14 Liều tương đương sinh học liều hiệu dụng 14 Xác suất hiệu ứng ngẫu nhiên xạ 16 Liều giới hạn cho phép 16 Phóng xạ tự nhiên môi trường người 16 Chiếu xạ 16 Chiếu xạ 18 Liều hiệu dụng tổng cộng(chiếu xạ chiếu xạ trong) 21 Đo hoạt độ phóng xạ nhỏ 22 Khái niệm hoạt độ phóng xạ nhỏ 22 Phổ kế gamma phông thấp 24 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.7 1.7.1 1.7.2 Chương 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 2.6.1 2.6.2 2.7 Chương 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Phân tích nguyên tố phóng xạ theo phổ gamma 27 Nguyên tắc phương pháp 27 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác kết phân tích 31 Phân tích mẫu khơng cân phóng xạ 32 Phương pháp phóng xạ tự nhiên xác định niên đại 33 Nguyên lý 33 Phương pháp uran-chì 34 Phương pháp cacbon phóng xạ 36 Phương pháp nhiệt huỳnh quang xác định niên đại 41 Hiện tượng nhiệt huỳnh quang (thermoluminescence) 41 Cơ sở phương pháp nhiệt huỳnh quang xác định niên đại 41 Phóng xạ nhân tạo ứng dụng 43 Chế tạo đồng vị phóng xạ nhân tạo 43 Dùng máy gia tốc 43 Chiếu xạ nơtron lò phản ứng 43 Từ sản phẩm phân hạch 45 Ứng dụng nguồn xạ gamma, nơtron có hoạt độ lớn 46 Chụp ảnh gamma (Gammagraphy) 46 Chiếu xạ gamma (Gamma Irradiation) 47 Ứng dụng hiệu ứng hoá học, vật lý xạ 48 Phương pháp đồng vị đánh dấu 49 Xác định độ hư mòn 50 Phương pháp đánh dấu ứng dụng y, sinh, nông học, thủy văn 51 Ứng dụng đồng vị phóng xạ phép đo, kiểm tra liên tục 52 Phép đo bề dày 52 Phép đo mức, thể tích, lưu lượng chất lỏng 53 Phương pháp nơtron 54 Các nguồn đồng vị thông thường 54 Xác định độ ẩm đất phương pháp nơtron 55 Ứng dụng nơtron thăm dị, tìm kiếm dầu 56 Phương pháp gamma xác định mật độ 57 Xác định mật độ xạ gamma truyền qua 57 Xác định mật độ gamma tán xạ 61 Một vài ứng dụng đặc biệt 62 Hiệu ứng Mệssbauer ứng dụng .65 Phát xạ hấp thụ 65 Bề rộng vạch phổ gamma (bề rộng tự nhiên) 65 Hấp thụ cộng hưởng 66 Hiệu ứng Mệssbauer 67 Hệ số Debye - Waller 68 Hiệu ứng Doppler 69 Các hạt nhân Mửssbauer 70 Kỹ thuật thực nghiệm đo hiệu ứng Mửssbauer 71 3.6.1 3.6.2 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.8 3.9 Chương 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Chương 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Nguyên tắc 71 Phổ kế Mửssbauer 71 Nghiên cứu điện từ trường bên vật rắn 72 Tương tác đơn cực (monopole) 72 Tương tác điện tứ cực (quadrupole electric) 75 Tương tác từ lưỡng cực (dipole magnetic) 76 Nghiên cứu dao động nguyên tử tinh thể 77 Phân tích pha 78 Chuyển dời gamma nối tầng ứng dụng nghiên cứu trường bên vật rắn 79 Bức xạ gamma chuyển dời nối tầng 79 Nguyên tắc phương pháp đo tương quan góc gamma-gamma 80 Hàm tương quan góc 81 Tương quan góc gamma-gamma nhiễu loạn kiểu đo 83 Nhiễu loạn tương quan góc gamma - gamma điện trường tinh thể vật rắn 84 Nhiễu loạn tương quan góc gamma-gamma từ trường 87 Sự hủy pôzitron ứng dụng nghiên cứu vật rắn 93 Tương tác pozitron với vật chất 93 Pozitron vật chất 93 Hủy pozitron 94 Các phương pháp đo hủy pozitron nghiên cứu vật rắn 97 Nguyên tắc chung 97 Phương pháp đo thời gian sống pozitron 98 Đo phân bố góc xạ hủy 100 Đo độ nở rộng Doppler đỉnh hủy 102 Lời nói đầu Vật lý hạt nhân ứng dụng giáo trình bắt buộc thuộc khung chương trình đào tạo Cử nhân khoa học vật lý, chuyên ngành Vật lý hạt nhân cử nhân Công nghệ hạt nhân, chuyên ngành ứng dụng Năng lượng Trường Đại học KHTN thuộc ĐHQGHN Giáo trình mang tên thực cần phải chứa đựng nhiều nội dung, từ ứng dụng vi mô đến ứng dụng có quy mơ Cơng nghệ điện hạt nhân Tuy nhiên, giáo trình phải biên soạn phù hợp với thời lượng cho môn học theo quy định khung chương trình Mặt khác, theo khung có số giáo trình khác viết ứng dụng Vật lý hạt nhân như: Các phương pháp phân tích hạt nhân, Cơ sở điện hạt nhân, Máy gia tốc Do giáo trình “Vật lý hạt nhân ứng dụng” bao gồm nội dung sau đây: Chương 1- Trình bày vấn đề liên quan đến ứng dụng phóng xạ tự nhiên Chương - Một số ứng dụng liên quan đến phóng xạ nhân tạo Ba chương sau liên quan đến ứng dụng số hiệu ứng, trình hạt nhân nghiên cứu vật rắn lĩnh vực khác Chương - Hiệu ứng Mửssbauer ứng dụng Chương - Chuyển dời gamma nối tầng (cascade) ứng dụng nghiên cứu trường bên vật rắn Chương - Sự huỷ pozitron ứng dụng nghiên cứu vật rắn Giáo trình sửa chữa bổ sung sau số năm dùng để giảng dạy cho sinh viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên chắn cịn nhiều khiếm khuyết Tơi mong nhận ý kiến đóng góp xây dựng bạn đọc, đồng nghiệp em sinh viên để giáo trình hồn thiện Tác giả Chương Phóng xạ tự nhiên ứng dụng 1.1 Các đồng vị phóng xạ tầng sinh (biosphere) Từ tro bụi vụ nổ ngơi sao, khoảng 4,5 tỷ năm trước hình thành Mặt Trời hệ thống hành tinh chóng ta Trong đám tro bụi đó, có lượng lớn nguyên tố phóng xạ Theo thời gian, đa số nguyên tố phóng xạ phân rã trở thành nguyên tố bền, chóng thành phần hệ thống hành tinh chóng ta ngày Tuy nhiên, vỏ Trái Đất nguyên tố phóng xạ, nguyên tố phóng xạ có thời gian bán rã cỡ tuổi Trái Đất lớn Các đồng vị phóng xạ với sản phẩm phân rã chóng nguồn xạ ion hố tự nhiên tác dụng lên sinh vật Trái Đất Một nguồn xạ ion hoá tự nhiên khác tia vị trụ chóng vào tầng khí bề mặt Trái Đất Năng lượng nhiệt toả q trình phân rã ngun tố phóng xạ, với lượng hấp dẫn nguồn gốc nhiệt độ cao lòng Trái Đất Người ta ước tính cơng suất nhiệt tạo thành uran tự nhiên vào khoảng 8,7 mW/tấn 1.1.1 Phóng xạ đất Từ định luật phân rã phóng xạ ⎛ t N = N exp ⎜ − ln ⋅ ⎜ T1/ ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ta dễ dàng tính tỷ số N/N0 nguyên tử đồng vị phóng xạ có thời điểm t Trái Đất so với chóng hình thành trái đất, phơ thuộc vào thời gian bán rã T1/2 đồng vị sau: T1/2 N/N0 108 năm 10 năm 4,6.109 năm 10 >10 năm 1,4.10-4 -2 4,1.10 0.5 >0.73 a) Các dãy phóng xạ tự nhiên Các nguyên tố phóng xạ tạo thành dãy phóng xạ, đứng đầu đồng vị 238U, 232Th 235 U: Dãy Thori, đứng đầu 232Th, (T1/2=1,41.1010 năm, N/N0=0,8), cuối 208Pb, đồng vị dãy có số A=4n, tức bội số • Dãy Uran-Actini, bắt đầu A=4n+3 • 235 U, (T1/2=7,47.108 năm, N/N0=0,011), kết thóc 207 Pb, Dãy Uran 238, bắt đầu A=4n+2 • 238 U, (T1/2=4,47.109 năm, N/N0=0,8), kết thóc 206 Pb, Có dãy thứ tư nữa, dãy 4n+1, bắt đầu 235U, có T1/2=2,2.106 năm, nhỏ tuổi đất chừng 2000 lần, đến đất khơng cịn đồng vị dãy Tất đồng vị “con cháu” đồng vị “mẹ” dãy có thời gian bán rã T1/2 nhỏ so với đồng vị mẹ, dãy cân phóng xạ, tức hoạt tính phóng xạ đồng vị phóng xạ dãy Bảng 1.1, 1.2 1.3 giới thiệu đại lượng đặc trưng cho đồng vị dãy phóng xạ tự nhiên Trong cột thứ có ghi thêm độ phổ cập (abundance) số đồng vị thành phần tự nhiên nguyên tố Ba cột cuối lượng trung bình giải phóng q trình phân rã α, β, biến hốn electron 〈 e〉 , thí dụ electron Auger, xạ gamma xạ hãm Bremsstrahlung 〈 IB〉 Các giá trị trung bình sử dụng để tính liều xạ ion hố Bảng 1.1 Dãy 232Th (4n) Hạt nhân (độ phổ cập %) 232 Th (100%) 228 Ra 228 T1/2 Loại phân rã 1,41.1010 năm α Năng lượng trung bình phân rã (keV) 〈α〉 〈β〉 + 〈 e〉 〈γ〉 + 〈 IB〉 4010 - - - - - 15 - β 5,75 năm Ac 6,1 h β - 480 990 228 Th 1,91 năm α 5400 20 224 Ra 3,7 ngày α 5680 10 220 Rn 56 s α 6290 - - 216 Po 150 ms α 6780 - - 212 Pb 10,6 h β- - 175 145 β (64%) 2170 510 105 8780 - - - 600 3375 212 Bi 1,01 h - α (36%) 212 Po 208 300 ns Tl 208 3,05 Pb (52,4%) bền α - β Bảng 1.2 Dãy Uran 238U (4n+2) Hạt nhân (độ phổ cập %) 238 U (99,28%) T1/2 Loại phân rã 4,47.109 năm α Năng lượng trung bình phân rã (keV) 〈α〉 〈β〉 + 〈 e〉 〈γ〉 + 〈 IB〉 4190 10 24,1 ngày - β - 16 1,2 β- - 820 14 - β - 480 1903 2,45.10 năm α 4770 - - 230 Th 7,5.104 năm α 4670 - - 226 Ra 1600 năm α 4770 222 Rn 3,83 ngày α 5490 - - 3,1 α (99,98%) 6000 - - 6690 - - β- - 295 250 β (99,98%) - 660 1510 α (0,02%) 1,4 - - 164 μs α 7690 - - 1,3 α 234 Th 234m 234 234 Pa Pa U (0,0055%) 218 Po 6,7 h β (0,02%) 218 At 1,6 s α (99,9%) β- (0,1%) 214 Pb 214 214 Bi Po 210 Tl 210 27 20 - 1200 95 2700 - - 34 - 22,3 năm β Bi 5,01 ngày β - 390 - Po 138,38 ngày α 5300 - - Tl 4.2 β- - 540 - Pb (24,1%) bền Pb 210 210 206 206 Bảng 1.3 Dãy Uran-Actini 235U (4n+3) Hạt nhân (độ phổ cập %) 235 U (0.71%) Năng lượng trung bình phân rã (keV) Loại phân rã T1/2 〈α〉 〈β〉 + 〈 e〉 〈γ〉 + 7,04.108 năm α Th 231 Pa 227 Ac 227 Th 4380 43 155 β - 173 29 3,3.10 năm α 4920 48 40 21,3 năm β- (98,6%) α (1,4%) 231 67 12 - α 5900 54 110 - 1,06 ngày 18,7 ngày 223 Fr 22 β - 395 63 223 Ra 11,4 ngày α 5700 73 135 219 Rn 4,0 s α 6810 56 - - - 215 Po 1,78 ms α 7390 211 Pb 36 β- - 100 μs α 8020 2,1 α (99,7%) 6550 215 At 211 Bi 68 - - 10 47 7400 - - 494 β- (0,3%) 211 520 ms α Tl 4,8 - Pb (22,1%) bền Po 207 207 β b) Các đồng vị phóng xạ khác Ngồi đồng vị thuộc dãy phóng xạ tự nhiên, cịn có 18 đồng vị thuộc 16 ngun tố, có thời gian bán rã lớn nên cịn tồn đến Trái Đất Bảng 1.4 trình bày đồng vị số đặc trưng chóng Bảng 1.4 Hạt nhân Độ phổ cập % T1/2 (năm) 40 K 0,0117 1,28.10 50 V 0,250 1,3.1015 9,2 27,84 12,2 95,7 0,91 33,8 0,1 1,4.1017 4,8.1010 9.1015 4,4.1014 1,3.1013 2,51021 1,1.1015 82 Se 87 Rb 113 Cd 115 In 123 Te 130 Te 138 La Loại phân rã - β 89% ε 11% ε >70% β-