Lý thuyết Hiện tượng phóng xạ - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 17: Hiện tượng phóng xạ

1. Hiện tượng phóng xạ

Định nghĩa

Hiện tượng một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành một hạt nhân khác được gọi là hiện tượng phóng xạ. Ta quy ước hạt nhân phóng xạ là hạt nhân mẹ và hạt nhân sản phẩm của quá trình phân rã là hạt nhân con. Những đồng vị hạt nhân có tính chất phóng xạ được gọi là đồng vị phóng xạ.

Các tính chất cơ bản của hiện tượng phóng xạ

Hiện tượng phóng xạ có hai tính chất cơ bản sau:

- Tính tự phát: Quá trình phân rã của hạt nhân phóng xạ xuất phát từ những biến đổi bên trong hạt nhân, hoàn toàn không chịu tác động của các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất môi trường, ...

- Tính ngẫu nhiên: ta không thể khảo sát hiện tượng phóng xạ cho một hoặc một vài hạt nhân đơn lẻ, mà chỉ có thể tiến hành việc khảo sát có tính thống kê cho một số lượng lớn hạt nhân trong mẫu chất phóng xạ.

2. Bản chất của các tia phóng xạ

Tia alpha (α)

Tia phóng xạ α là hạt nhân ${}_2^{4}He$ 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.

${}_Z^{A}X\to {}_{Z-2}^{A-4}Y+{}_2^{4}He$

Tia beta (β)

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 (${}_{-1}^{0}e$) và hạt positron(*) (${}_1^{0}e$) phóng ra từ hạt nhân mẹ với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng trong chân không. Tia β làm ion 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.

Phóng xạ β^-: ${}_Z^{A}X\to {}_{Z+1}^{A}Y+{}_{-1}^{0}e+\tilde{\nu }$

Phóng xạ β⁺: ${}_Z^{A}X\to {}_{Z-1}^{A}Y+{}_1^{0}e+\nu$

Tia gamma (γ)

Một số hạt nhân con sau quá trình phóng xạ α hay β được tạo ra trong trạng thái kích thích ${}_Z^A{Y}^{*}$. 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 ${}_Z^{A}Y$ và phát ra bức xạ điện từ γ 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.

3. Định luật phóng xạ. Độ phóng xạ

Định luật phóng xạ

Cứ sau một khoảng thời gian T thì một nửa số hạt nhân phóng xạ hiện có xảy ra phân rã. T được gọi là chu kì bán rã của đồng vị phóng xạ đang xét.

Số hạt nhân chất phóng xạ còn lại tại thời điểm t được xác định bởi: $N=N_0{2}^{-\frac{t}{T}}=N_0{e}^{-\lambda t}$

Trong đó: $\lambda =\frac{\ln 2}{T}$ là hằng số phóng xạ, đặc trưng cho từng chất phóng xạ.

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

Ngoài ra còn sử dụng đơn vị Ci: 1 Ci = 3,7.10¹⁰ Bq

Độ phóng xạ H được xác định bằng số hạt nhân chất phóng xạ phân rã trong một giây và liên hệ với hằng số phóng xạ và số hạt nhân chất phóng xạ trong mẫu theo công thức:

$H=\lambda N.$

Độ phóng xạ của một mẫu giảm theo quy luật hàm số mũ: $H=H_0{2}^{-\frac{t}{T}}=H_0{e}^{-\lambda t}.$

Trắc nghiệm: Hiện tượng phóng xạ

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Trong không khí, tia phóng xạ nào sau đây có tốc độ nhỏ nhất?

A. Tia g.

B. Tia a.

C. Tia b⁺.

D. Tia b.

Câu 2: Phát biểu nào sau đây về tia g là sai?

A. Tia g có khả năng đâm xuyên mạnh.

B. Tia g là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn.

C. Tia g là dòng các hạt photon năng lượng cao.

D. Tia g bị lệch trong điện trường.

Câu 3: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về độ phóng xạ?

A. Độ phóng xạ là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ.

B. Đơn vị đo độ phóng xạ là becơren.

C. Với mỗi lượng chất phóng xạ xác định thì độ phóng xạ tỉ lệ với số nguyên tử của lượng chất đó.

D. Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ phụ thuộc nhiệt độ của lượng chất đó.

Câu 4: Phát biểu nào sau đây là sai?

A. Hiện tượng phóng xạ là quá trình hạt nhân tự động phát ra tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác.

B. Sự phóng xạ xảy ra trong nội bộ hạt nhân, không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài.

C. Hai chất phóng xạ khác nhau có thể cho cùng một loại tia phóng xạ.

D. Khối lượng chất phóng xạ càng lớn thì chu kì bán rã của chất phóng xạ đó càng lớn.

Câu 5: Ban đầu có 18 g ${}_{84}^{210}\text{Po}$ là chất phóng xạ có chu kì bán rã 138 ngày. Khối lượng chất phóng xạ còn lại sau 200 ngày

A. 6,59 g.

B. 4,22 g.

C. 8,36 g.

D. 12,98 g.

Câu 6: Ban đầu có 0,2 mol ${}_{15}^{32}\text{P}$ là chất phóng xạ b^- với chu kì bán rã 14,2 ngày. Số hạt nhân P còn lại sau 28,4 ngày. Lấy N_A = 6,0221.10²³ (mol).

A. 3,11.10²².

B. 2,03.10²¹.

C. 4,27.10²².

D. 3,011.10²².

Câu 7: Một chất phóng xạ ban đầu có N₀ hạt nhân. Sau 1 năm, còn lại một phần ba số hạt nhân ban đầu chưa phân rã. Sau 1 năm nữa, số hạt nhân còn lại chưa phân rã của chất phóng xạ đó là

A. $\frac{{\text{N}}_0}{16}$.

B. $\frac{{\text{N}}_0}{9}$.

C. $\frac{{\text{N}}_0}{4}$.

D. $\frac{{\text{N}}_0}{6}$.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Trong các phát biểu sau đây, phát biểu nào đúng, phát biểu nào sai?

A. Tia b có thể làm ion hoá không khí.

B. Khi đi trong điện trường giữa hai bản kim loại song song tích điện trái dấu, tia a bị lệch về phía bản dương.

C. Tia b⁺ là dòng các hạt proton.

D. Tia g có thể bị chặn lại bởi một lá nhôm dày 1 mm.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Ban đầu có 12,0g cobalt ${}_{27}^{60}\text{Co}$ là chất phóng xạ β^- với chu kì bán rã T = 5,27 năm. Tính số nguyên tử đã phân rã sau thời gian t = 10,54 năm.