Lý thuyết Phóng xạ - Vật lí 12 Cánh diều

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 3: Phóng xạ

I. Hiện tượng phóng xạ

Phóng xạ là quả 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

1. Tia 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.

2. Tia 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.

3. Tia 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.

III. Phương trình phóng xạ

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

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

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

Phóng xạ γ: ${}_Z^A{Y}^{*}\to {}_Z^{A}Y+\gamma$

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

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.

Số hạt nhân còn lại trong mẫu giảm dần theo thời gian theo hàm số mũ: $N=N_0{2}^{-\frac{t}{T}}=N_0{e}^{-\lambda t}$

Hằng số phóng xạ: $\lambda =\frac{\ln 2}{T}$

3. 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: $H=H_0{2}^{-\frac{t}{T}}=H_0{e}^{-\lambda t}.$

V. Ứng dụng của phóng xạ và an toàn phóng xạ

1. Ứng dụng của phóng xạ

- Phương pháp nguyên tử đánh dấu trong điều trị thăm khám bệnh, dò tìm và phát hiện rò rỉ trong đường ống.

- 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

- 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.

Nguyên tắc an toàn phóng xạ:

Một số biển cảnh báo:

Trắc nghiệm: 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: Ban đầu có 10 g ${}_{88}^{226}\text{Ra}$ là chất phóng xạ có chu kì bán rã 3,8 ngày. Khối lượng chất phóng xạ còn lại sau 22,8 ngày

A. 1,25 g.

B. 0,3125 g.

C. 0,15625 g.

D. 2,5 g.

Câu 2: Ứng dụng nào sau đây không phải của phóng xạ?

A. Trong nông nghiệp tạo ra các giống cây trồng mới có năng suất cao, khả năng chống chịu tốt.

B. Trong y học dùng chùm tia phóng xạ để tiêu diệt tế bào ung thư, từ đó điều trị khối u hoặc làm thu nhỏ khối u.

C. Xác định tuổi, niên đại của các cổ vật gốc sinh vật khai quật được.

D. Xác định nhiệt độ của các thiên thể trong vũ trụ.

Câu 3: 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 4: Phương pháp nguyên tử đánh dấu là gì?

A. Phương pháp sử dụng các nguyên tử có tính phóng xạ để theo dõi quá trình chuyển động hoặc biến đổi của các chất.

B. Phương pháp sử dụng các nguyên tử có kích thước nhỏ để đánh dấu các vật thể.

C. Phương pháp sử dụng các nguyên tử có cấu trúc đặc biệt để đánh dấu các chất.

D. Phương pháp sử dụng các nguyên tử có khối lượng lớn để đánh dấu các vật liệu.

Câu 5: Tia nào sau đây không phải là tia phóng xạ?

A. Tia b^-.

B. Tia b⁺.

C. Tia X.

D. Tia a.

Câu 6: Phát biểu nào sau đây sai?

A. Tia a làm ion hóa mạnh các nguyên tử trên đường đi của nó và mất năng lượng rất nhanh.

B. Tia b cũng làm ion hóa môi trường nhưng yếu hơn so với tia a.

C. Tia g có khả năng xuyên thấu lớn hơn nhiều so với tia a và b.

D. Tia X có khả năng đâm xuyên mạnh hơn tia g.

Câu 7: Polonium ${}_{84}^{210}\text{Po}$ là một chất phóng xạ có chu kì bán rã 140 ngày. Hạt nhân polonium phóng xạ sẽ biến thành hạt nhân Pb và kèm theo một hạt a. Ban đầu có 42 mg chất phóng xạ Polonium. Tính khối lượng chì sinh ra sau 280 ngày.

A. 2,12 mg.

B. 20,8 mg.

C. 30,9 mg.

D. 15,7 mg.

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 là đúng, phát biểu nào sai?

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 Becoren (Bq).

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

d) Độ phóng xạ của một lượng chất phóng xạ phụ thuộc vào nhiệt độ của lượng chất đó.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Dược chất phóng xạ Flortaucipir (chứa ${}_9^{18} \text{F}$ là đồng vị phóng xạ b⁺) được tiêm vào bệnh nhân nhằm chụp ảnh bên trong cơ thể. Biết ${}_9^{18} \text{F}$ có chu kì bán rã khoảng 110 phút.

a) Sau khi tiêm bao lâu thì lượng ${}_9^{18} \text{F}$ giảm còn 10 % và 1% so với lúc đầu?

b) Mỗi mL dược chất phóng xạ Flortaucipir có độ phóng xạ ban đầu là 10⁹ Bq. Xác định số lượng hạt đồng vị ${}_9^{18} \text{F}$ có trong mỗi mL dược chất tại thời điểm ban đầu và sau đó 1 ngày.