Tải bản đầy đủ

Quy trình tách chiết và tạo nguồn alpha thorium cho hệ phổ kế alpha từ mẫu tho2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

HỒ NHÃ NGHI

QUY TRÌNH TÁCH CHIẾT VÀ TẠO NGUỒN
ALPHA-THORIUM CHO HỆ PHỔ KẾ ALPHA
TỪ MẪU ThO2

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – Năm 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

HỒ NHÃ NGHI

QUY TRÌNH TÁCH CHIẾT VÀ TẠO NGUỒN
ALPHA-THORIUM CHO HỆ PHỔ KẾ ALPHA

TỪ MẪU ThO2

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao
Mã số: 60 – 44 - 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. CHÂU VĂN TẠO

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – Năm 2011


LỜI MỞ ĐẦU

Sau một trăm năm, kể từ khi Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ,
các tia bức xạ phát ra từ hiện tượng phóng xạ ngày nay đã có ý nghóa lớn đến
nhiều ngành và người làm việc trong các lónh vực như y học hạt nhân, chẩn đoán
lâm sàng, vật lý y khoa, sinh học, bảo quản thực phẩm, công nghiệp, giám sát
môi trường, năng lượng hạt nhân… Việc xác đònh chính xác hoạt độ của các hạt
nhân phóng xạ là vấn đề cần phải được thực hiện để việc ứng dụng các đồng vò
phóng xạ cũng như kiểm soát môi trường có hiệu quả.
Kể từ khi Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế được thành lập vào
năm 1957, hợp tác toàn cầu trong việc sử dụng năng lượng hạt nhân vào mục
đích hòa bình thông qua sản xuất điện hạt nhân và sử dụng các hạt nhân phóng
xạ và các nguồn bức xạ đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển trên
thế giới.
Trong các nguyên tố phóng xạ, chúng tôi quan tâm đến các nguyên tố
phát alpha, đặc biệt là Thorium. Trong môi trường, Thorium tồn tại trong không
khí, đất, đá, nước, thực vật và động vật. Hơn 99% Thorium tồn tại trong tự nhiên
là đồng vò 232Th. Thorium có nhiều ứng dụng trong các lónh vực nghiên cứu, công
nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày.
Do Thorium tồn tại trong tự nhiên nên dễ dàng bò rửa trôi vào sông, hồ…
Ngoài ra, bụi, lốc xoáy và núi lửa phun trào cũng là một nguồn thải Thorium
đáng kể trong không khí. Bên cạnh đó, việc khai thác các quặng hoặc sản xuất
các sản phẩm có chứa Thorium cũng có thể giải phóng Thorium vào môi trường.
Các nghiên cứu trên những người làm việc thường xuyên với Thorium hoặc bò
nhiễm Thorium ở mức cao chỉ ra rằng: khi hít thở một lượng cao bụi Thorium,
nguy cơ mắc các bệnh về phổi, về gan hoặc máu sẽ gia tăng.



Ở Việt Nam, hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu về Thorium.
Hầu hết các nghiên cứu đồng vò Thorium được thực hiện trên hệ phổ kế Gamma
vì tính đơn giản trong khâu chuẩn bò mẫu. Tuy nhiên, để góp phần đánh giá
chính xác hàm lượng của Thorium trong môi trường thì cần thiết phải nghiên cứu
các đối tượng trên bằng hệ phổ kế Alpha. Với mong muốn có được “QUY
TRÌNH TÁCH CHIẾT VÀ TẠO NGUỒN ALPHA-THORIUM CHO HỆ PHỔ
KẾ ALPHA TỪ MẪU ThO2”, chúng tôi thực hiện đề tài này nhằm xây dựng
một quy trình có tính đơn giản cho việc tách chiết và tạo nguồn Alpha-Thorium
với hy vọng góp một phần nhỏ trong việc hạn chế sự phức tạp trong quy trình tạo
mẫu cho hệ phổ kế Alpha.
Quy trình thực hiện trong luận văn này đơn giản, phù hợp với điều kiện
thiếu thốn trang thiết bò hiện đại nói chung, các phòng thí nghiệm ở nước ta nói
riêng và có thể được thực hiện dễ dàng.


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn và
kính trọng sâu sắc đến:
 PGS. TS. Châu Văn Tạo đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi học
tập, nghiên cứu và tận tình hướng dẫn giúp tôi hoàn thành tốt luận
văn thạc sỹ này.
 ThS. Lê Công Hảo đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết giúp
tôi trong quá trình thực nghiệm và xử lý số liệu.
 Quý Thầy, Cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã đóng góp ý
kiến để luận văn tốt hơn.
 Quý Thầy, Cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân đã nhiệt tình giảng
dạy giúp tôi hoàn thành chương trình học.
Ngoài ra tôi cũng xin cảm ơn những người thân trong gia đình và các bạn
đã chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Thành phố Hồ Chí Minh, 2011
Hồ Nhã Nghi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC

Analog to Digital Converter

Biến đổi tương tự thành số

AECL

Atomic Energy of Canada

Chuẩn giới hạn năng lượng

Limited

nguyên tử của Canada

DJ

Diffused Junction

Đầu dò tiếp xúc khuếch tán

cts

counts

Số đếm

FWHM

Full Width Half Maximum

Độ rộng cực đại một nửa chiều cao

h

hour

Giờ

MCA

Multi Channel Analyzer

Máy phân tích biên độ đa kênh

MCB

Multi Channel Buffer

Bộ đệm đa kênh

PIPS

Passivated Implanted Plannar

Đầu dò Si planar nuôi cấy ion

Silicon

thụ động

RES

Reticuloendothelial System

Hệ thống lưới nội mô

SSB

Silicon Surface Barrier

Đầu dò hàng rào mặt

TOPO

Tri-octyl-phosphine oxit


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 1.1:

Ước tính tài nguyên Thorium trên thế giới ..................................... 14

Bảng 2.1:

Một số detector Alpha PIPS của hãng CANBERRA sản xuất. ...... 27

Bảng 2.2:

Đặc tính của bộ tiền khuếch đại 2004 ............................................ 28

Bảng 3.1:

Thể tích dung dòch HNO3 cần dùng để làm tan mẫu ...................... 37

Bảng 3.2:

Số đếm đo dược theo điện áp nguồn .............................................. 41

Bảng 3.3:

Các thông số không đổi trong quá trình khảo sát cường độ
dòng điện ........................................................................................ 42

Bảng 3.4:

Số liệu hiệu suất điện phân theo cường độ dòng điện ................... 43

Bảng 3.5:

Các thông số không đổi trong quá trình khảo sát thời gian ............ 44

Bảng 3.6:

Số liệu hiệu suất điện phân theo thời gian ..................................... 45

Bảng 3.7:

Các thông số tối ưu khi tạo nguồn Alpha-Thorium ........................ 46

Bảng 3.8:

So sánh hoạt độ riêng của 230Th trong mẫu IAEA-434 theo
quy trình trong luận văn này và theo IAEA .................................... 47


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1:

Phân rã alpha .................................................................................... 2

Hình 1.2:

Hàng rào thế tương tác giữa hạt nhân và hạt alpha. ......................... 5

Hình 1.3:

Đồ thò biểu diễn hố thế với năng lượng E << U0 trong hiệu ứng
đường ngầm của hạt alpha ................................................................ 6

Hình 1.4:

Chuỗi phân rã của 232Th.................................................................... 9

Hình 1.5:

Thorium ............................................................................................. 9

Hình 1.6:

Cấu trúc lập phương tâm mặt. ........................................................ 10

Hình 1.7:

Cấu trúc lập phương tâm khối. ....................................................... 10

Hình 2.1:

Hệ phổ kế Alpha ở Bộ môn Vật lý hạt nhân. ................................. 23

Hình 2.2:

Sơ đồ khối của hệ phổ kế Alpha Analyst ....................................... 24

Hình 2.3:

Bơm hút chân không ....................................................................... 25

Hình 2.4:

Buồng đo alpha ............................................................................... 25

Hình 2.5:

Detector PIPS .................................................................................. 26

Hình 3.1:

Máy quay li tâm .............................................................................. 33

Hình 3.2:

Cân điện tử...................................................................................... 33

Hình 3.3:

Bút đo pH ........................................................................................ 33

Hình 3.4:

Phễu chiết ....................................................................................... 33

Hình 3.5:

Pipet điện tử (ml) ............................................................................ 33

Hình 3.6:

Pipet Glassco (µl) ............................................................................ 33

Hình 3.7:

Mô hình bộ điện phân ..................................................................... 34

Hình 3.8:

Bộ điện phân dạng lát cắt. .............................................................. 35

Hình 3.9:

Tủa Th(OH)4 trắng .......................................................................... 38

Hình 3.10:

Hai pha sau khi sốc tủa Th(OH)4 với HCl 7M và TOPO 0,1M....... 38


Hình 3.11:

Sơ đồ các bước tách hóa Thorium................................................... 39

Hình 3.12:

Cách mắc bình điện phân với bộ nguồn ......................................... 40

Hình 3.13:

Mối liên hệ giữa điện áp của nguồn và số đếm ghi nhận .............. 41

Hình 3.14:

Sự phụ thuộc của hiệu suất điện phân theo cường độ dòng điện ... 43

Hình 3.15:

Hiệu suất điện phân theo thời gian khi điện phân 25µl và 50µl
dung dòch hữu cơ chứa Thorium ...................................................... 45

Hình 3.16:

Phổ Alpha của nguồn Alpha-Thorium khi điện phân 50µl
dung dòch chứa Thorium trong 60 phút ........................................... 48

Hình 3.17: Phổ Alpha của nguồn Alpha-Thorium khi điện phân 25µl
dung dòch chứa Thorium trong 10 phút ........................................... 48
Hình 3.18:

Phổ Alpha của 230Th khi tách hóa 0,5g mẫu IAEA-434 và
điện phân ........................................................................................ 49


MỤC LỤC

Trang
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
Lời mở đầu
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THORIUM ....................................................... 9
1.1. Tổng quan về phân rã alpha ......................................................................... 1
1.1.1. Hạt alpha .................................................................................................. 1
1.1.2. Phân rã alpha............................................................................................ 2
1.1.2.1. Vùng phân rã alpha ........................................................................... 3
1.1.2.2. Chu kỳ bán rã và năng lượng ............................................................ 4
1.2. Tổng quan về Thorium .................................................................................. 8
1.2.1. Các tính chất của Thorium ....................................................................... 8
1.2.1.1. Tính chất vật lý ................................................................................. 8
1.2.1.2. Tính chất hóa học ............................................................................ 11
1.2.1.3. Tác dụng sinh lý của Thorium ........................................................ 11
1.2.2. Sự tồn tại của Thorium ........................................................................... 12
1.2.3. Thorium được dùng làm nhiên liệu hạt nhân ......................................... 13
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ MẪU, TẠO NGUỒN
ALPHA-THORIUM VÀ PHÂN TÍCH PHỔ ALPHA SỬ DỤNG HỆ PHỔ
KẾ ALPHA ANALYST ...................................................................................... 16
2.1. Lý thuyết về phương pháp tách chiết hóa học .......................................... 16
2.1.1. Pha dung dòch ......................................................................................... 16


2.1.2. Pha chất tan ............................................................................................ 16
2.2. Lý thuyết về mạ điện phân ......................................................................... 16
2.2.1. Những khái niệm cơ bản về điện hóa học ............................................. 16
2.2.2. Sự hình thành lớp mạ ............................................................................. 17
2.2.2.1. Điều kiện hình thành lớp mạ .......................................................... 17
2.2.2.2. Điều kiện xuất hiện tinh thể ........................................................... 18
2.2.2.3. Thành phần chất điện giải .............................................................. 18
2.2.3. Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ.................................................. 19
2.2.3.1. Gia công cơ học ............................................................................... 19
2.2.3.2. Tẩy dầu mỡ ..................................................................................... 19
2.2.3.3. Tẩy gỉ .............................................................................................. 20
2.2.3.4. Tẩy bóng điện hóa và hóa học ....................................................... 21
2.2.3.5. Tẩy nhẹ ........................................................................................... 21
2.2.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến một phản ứng điện hóa .......................... 21
2.2.4.1. Dung dòch khảo sát .......................................................................... 21
2.2.4.2. Điện cực .......................................................................................... 21
2.2.4.3. Sản phẩm tạo thành ........................................................................ 22
2.2.5. Đònh luật Faraday về điện phân ............................................................. 22
2.2.5.1. Phát biểu đònh luật .......................................................................... 22
2.2.5.2. Biểu thức đònh luật .......................................................................... 22
2.3. Lý thuyết về phân tích phổ Alpha sử dụng hệ phổ kế Alpha Analyst ..... 23
2.3.1. Tiện ích .............................................................................................. 23
2.3.2. Buồng chân không ............................................................................. 24
2.3.3. Detector PIPS ..................................................................................... 25
2.3.4. Detector Alpha PIPS .......................................................................... 26
2.3.5. Bộ tiền khuếch đại ............................................................................. 28


2.3.6. Bộ khuếch đại .................................................................................... 29
2.3.7. Bộ ADC (Biến đổi tương tự thành số) ............................................... 29
2.3.8. Máy phân tích biên độ đa kênh MCA ............................................... 30
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 31
3.1. Hóa chất ....................................................................................................... 31
3.2. Dụng cụ và thiết bò ...................................................................................... 32
3.3. Quy trình tách chiết và điện phân tạo nguồn Alpha-Thorium ................ 35
3.3.1. Pha hóa chất ........................................................................................... 35
3.3.2. Quy trình tách chiết Thorium từ mẫu ThO2 ........................................... 35
3.3.3. Quy trình điện phân ................................................................................ 39
3.3.3.1. Khảo sát điện áp tối ưu ................................................................... 41
3.3.3.2. Khảo sát dòng điện tối ưu ............................................................... 42
3.3.3.3. Khảo sát thời gian tối ưu ................................................................. 44
3.3.4. Phổ Alpha của nguồn Alpha-Thorium .................................................... 46
Kết luận ............................................................................................................... 50
Kiến nghò ............................................................................................................. 52
Danh mục công trình .......................................................................................... 53
Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 54
Phụ lục ................................................................................................................. 57


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THORIUM

Năm 1896, nhà bác học người Anh là Becquerel phát hiện ra chất phóng
xạ tự nhiên, đó là Uranium và con cháu của nó. Đến nay, người ta biết ba họ
phóng xạ tự nhiên là Thorium (232Th), Uranium (238U), Actinium (235U) và họ
phóng xạ nhân tạo Neptunium (237Np). Đồng vò 232Th là thành viên đầu tiên của
họ Thorium và nó phát ra tia phóng xạ alpha.
1.1. Tổng quan về phân rã alpha [3], [4]
1.1.1. Hạt alpha
Hạt alpha là hạt nhân nguyên tử Heli, kí hiệu 42 He , bao gồm 2 nơtron và 2
proton, nó mang điện tích dương bằng +2e và khối lượng bằng 4,0015u
(1u=1,66055.10-27kg).
Hạt alpha là một loại bức xạ ion hóa, khi đi qua môi trường vật chất,
chúng tương tác với các electron trong môi trường, gây ra sự ion hóa mạnh và dễ
dàng dừng lại khi đi được vài centimet trong không khí, hoặc bò chặn bởi một tờ
giấy hay da người.
Thông thường hạt alpha không gây nguy hiểm đối với chiếu ngoài, nhưng
chúng trở nên cực kỳ nguy hiểm khi chúng thâm nhập vào cơ thể bằng đường ăn
uống hoặc hít thở. Người ta ước tính sự nguy hiểm của nó lớn hơn gấp nhiều lần
so với liều tương đương của các bức xạ gamma. Đồng vò con cháu của

232

Th là

210

Po có thể là nguyên nhân gây ra ung thư phổi và ung thư bàng quang. Các nhà

nghiên cứu hiện đang cố gắng nghiên cứu đưa chất phóng xạ alpha vào các vò trí
khối u để tiêu diệt hoặc ngăn chặn sự phát triển của khối u, liệu pháp này gọi là
xạ trò trong.


2

Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt alpha:
+ Loại (, p): α147 N178 O  p ,

Q = -1,06MeV

(1.1)

Nhờ phản ứng này mà Rutherford đã tìm ra proton.
+ Loại (, n): α 94 Be126 C  n ,

Q = 5,5MeV

(1.2)

Nhờ phản ứng này mà Chadwick đã tìm ra nơtron.
1.1.2. Phân rã alpha

Hạt nhân con

Hạt nhân mẹ

Hạt alpha
Hình 1.1: Phân rã alpha.
Khi phân rã alpha, hạt nhân mẹ ban đầu
A 4
Z 2

A
Z

X chuyển thành hạt nhân con

Y và phát ra hạt alpha.
A
Z

Ví dụ:

4
α
X

2 He +

A 4
Z 2

4
α

Th 
2 He +

232
90

(1.3)

Y

228
88

Ra

(1.4)

Điều kiện để xảy ra phân rã alpha là khối lượng của hạt nhân mẹ
phải lớn hơn tổâng khối lượng của hạt nhân con

A 4
Z 2

Y và hạt alpha:

A
Z

X


3

m(X) > m(Y) + m()

(1.5)

 m(X) > m(A-4, Z-2) + m()
Giả sử khi phân rã hạt nhân mẹ AZ X và hạt nhân con

(1.6)
A 4
Z 2

Y ở trạng thái cơ

bản. Đồng thời ta cũng giả sử hạt nhân mẹ AZ X đứng yên khi phân rã.
Theo đònh luật bảo toàn năng lượng:

ΔE  [m(X)  m(Y)  m( )]c2  Tα  TY

(1.7)

Theo đònh luật bảo toàn động lượng:


 
p X  pα  p Y  0

(1.8)

 pα  p Y

(1.9)

 p2  p2Y

(1.10)


T
mY

 TY 

(1.11)

Suy ra:

ΔE  Tα  TY  Tα (1 


)
mY

(1.12)

Động năng hạt alpha bay ra là:

Tα  ΔE.

mY
m Y  mα

 Tα  ΔE.

Do mα << mY

1
m
1 α
mY

 Tα  ΔE

(1.13)

(1.14)
(1.15)

Vậy hạt alpha mang phần lớn năng lượng tỏa ra khi phân rã.
1.1.2.1. Vùng phân rã alpha
Hiện nay người ta đã biết được hơn 200 hạt nhân phân rã alpha. Phân rã
alpha chủ yếu xảy ra với các hạt nhân nặng ở cuối bảng tuần hoàn Mendeleev


4

với Z83, tức là các hạt nhân có điện tích Z lớn hơn từ hai đơn vò trở lên so với
số magic Z=82.
1.1.2.2. Chu kỳ bán rã và năng lượng
Chu kỳ bán rã của các nhân phân rã alpha thay đổi trong một khoảng rất
rộng nhưng năng lượng alpha phát ra chỉ thay đổi trong khoảng hẹp.
Ví dụ: Chì

204
82

Pb có chu kỳ bán rã T1/2=1,4.1017năm, còn Radon

215
86

Rn có

chu kỳ bán rã T1/2=2,3.10-6giây. Đối với các nhân nặng thì năng lượng các hạt
alpha thay đổi từ 4MeV đến 9MeV, đối với nhóm đất hiếm thì từ 2MeV đến
4,5MeV.
Tính chất quan trọng nhất của hạt nhân phân rã alpha là sự phụ thuộc rất
mạnh của chu kỳ bán rã vào năng lượng của những hạt bay ra. Đònh luật GeigerNuttal trình bày sự phụ thuộc của chu kỳ bán rã T1/2 theo hàm mũ vào năng
lượng hạt alpha bay ra E. Đònh luật này cho thấy rằng các đồng vò sống ngắn
phát ra những hạt alpha năng lượng cao hơn các đồng vò sống lâu. Điều này có
nghóa rằng các hạt nhân phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn thì hạt alpha phát ra có
năng lượng nhỏ.

lgT1/2  C 

D
E

(1.16)

trong đóù C, D là các hằng số không phụ thuộc vào số khối A mà chỉ phụ thuộc
chủ yếu vào bậc số Z.
Một cách đơn giản để suy ra đònh luật này là chúng ta xem một hạt alpha
trong hạt nhân nguyên tử bò nhốt trong hố thế hình hộp. Hạt bò ràng buộc bởi thế
tương tác mạnh, nó di chuyển liên tục từ bên này sang bên kia, và do khả năng
xuyên hầm lượng tử của sóng, nên hạt có xác suất thoát ra ngoài. Hiệu ứng
đường ngầm trong cơ học lượng tử cho phép tính toán trực tiếp để thu được đònh


5

luật này, phép tính này được thực hiện đầu tiên bởi nhà vật lý học George
Gamow.
Giả sử hạt alpha đi lại gần hạt nhân, thế tương tác Coulomb do hạt nhân
tác dụng lên nó sẽ tăng nhanh tỷ lệ nghòch với khoảng cách r:

2Ze 2
(1.17)
Uk
r
Thế tương tác này được mô tả trên đoạn CD. Ở ngoài bán kính nhân, lực
hạt nhân sẽ bò triệt tiêu, nhưng tại biên (r=R) thì lực hút hạt nhân giữ vai trò
quan trọng và đường biểu diễn sẽ giảm đột ngột như đoạn BC. Dạng chính xác
của thế bên trong hạt nhân (vùng r < R) cho đến nay vẫn chưa biết tường tận.
Giả sử ta chọn thế hạt nhân có dạng vuông góc với thành thẳng đứng, và
trong lòng nó thế năng được coi như là hằng số suốt cả chiều dài bán kính nhân
R (đoạn AB)
U
C

0

R

D
r

U0
A

B

Hình 1.2: Hàng rào thế tương tác giữa hạt nhân và hạt alpha.
Nếu xét một cách chặt chẽ thì hạt alpha không tồn tại như là một hạt độc
lập trong lòng hạt nhân mà nó được tạo thành từ sự tập hợp các nuclon riêng rẽ.
Giả thiết rằng hạt alpha tồn tại trong lòng hạt nhân. Đối với hạt nhân có Z=90 và


6

r=R=10-12cm thì chiều cao thế tương tác Coulomb do hạt nhân tác dụng lên hạt
alpha là:
Uk

2Ze 2
 26MeV
R

(1.18)

Nhưng thực nghiệm cho rằng hạt alpha phân rã từ các nhân nặng có năng
lượng từ 4MeV đến 9MeV, nhỏ hơn rất nhiều so với chiều cao rào thế. Theo cơ
học cổ điển thì hạt alpha không thể thoát ra ngoài được nghóa là không thể xảy
ra phân rã alpha, tuy nhiên cơ học lượng tử giải thích được hiện tượng này theo
hiệu ứng đường ngầm.
Để giải bài toán về hiệu ứng đường ngầm của hạt alpha, ta khảo sát
chuyển động của hạt alpha trong trường thế một chiều với hàng rào thế hình chữ
nhật có bề rộng d:

U
U 0
0

0r ≤ 0 hoặc r ≥ d

(1.19)

U
U0

E

E
0

d

r

Hình 1.3: Đồ thò biểu diễn hố thế với năng lượng E << U0 trong hiệu ứng đường
ngầm của hạt alpha.


7

Trạng thái của hạt lượng tử được mô tả bởi hàm sóng (r) thỏa phương
trình Schrodinger:

 2 d 2Ψ(r)

 U(r)Ψ(r)  0
2m dr2

(1.20)

Nghiệm (r) của phương trình (1.20) diễn tả sự xuyên qua hàng rào thế:
1

r≤0

2

0
A1eik r  B1e  ik r

ψ(r)  A 2 e k r  B2 e k r
A eik (r d)
 3
1

2

(1.21)

r≥d

1

2m
2m
2
k

(U 0  E)
E
2
Với
;
2
2
Hệ số xuyên rào D là tỉ số giữa bình phương biên độ sóng truyền qua rào
k12 

thế A3 và bình phương biên độ sóng tới rào thế A1:
2
A3
D
2
A1

(1.22)

Với các điều kiện liên tục của hàm sóng (r) tại r = 0 và r = d ta có:
1.23)

A1  B1  A 2  B2

A 2e k d  B2ek d  A3
2

2

(1.24)

Và đạo hàm của hàm sóng (r) tại r = 0 và r = d ta có:

ik 1 (A1  B1 )  k 2 (A 2  B2 )

(1.25)

 k 2 (A 2e k d  B2ek d )  ik 1A3

(1.26)

2

2

Từ (1.24) và (1.26) ta có:

A2 
Trong đó

n

1  i.n k d
e A3
2
2

(1.27)

k1
E

k2
U0  E

Và thay (1.27) vào (1.24) ta có được:

B2 

1  i.n k d
e A3
2
2

(1.28)


8

Thay (1.27) và (1.28) vào (1.23), (1.25) và sau đó cộng hai phương trình ta
được:

1  i.n k d 1  i.n k d i  n k d i  n k d
2A1  A3 (
e 
e 
e 
e )
2
2
2n
2n
2

2

2

2

(1.29)

Giả sử năng lượng E << U0 hoặc bề rộng d của rào thế khá lớn sao cho

k 2d  1  e  k d  0 thì:
2

A1 

2  i.n 

i
i
(1  i.n)(1  )
n ek d A 
n ek d A
3
3
4
2

4

(1.30)

2

Như vậy hệ số truyền qua sẽ bằng:

D

A3
A1

2
2



4n

2
2

(1  i.n) . (n  i)
2

16E(U 0  E) 2
D
e
U 02

2k d

2 e

2m
2

16n 2
e 2k d
2 2
(1  n )
2

(U 0 E) d

(1.31)

(1.32)

1.2. Tổng quan về Thorium
Thorium là một nguyên tố hóa học, kí hiệu Th và bậc số nguyên tử 90
trong bảng hệ thống tuần hoàn. Thorium được phát hiện bởi nhà hóa học Thụy
Điển Juns Jakob Berzelius, và cũng được xem là một nguyên liệu hạt nhân thay
thế cho Uranium.
1.2.1. Các tính chất của Thorium
1.2.1.1. Tính chất vật lý [16]
Thorium nguyên chất là một kim loại có ánh bạc, bền trong không khí vàø
giữ được ánh của nó trong vài tháng. Thorium nguyên chất mềm, dễ uốn và có
thể cuộn tròn ở trạng thái lạnh (không cần gia nhiệt), rập nóng và kéo dài.


9

Hình 1.4: Chuoãi phaân raõ cuûa 232Th [17].

Hình 1.5: Thorium.


10

Các tính chất vật lý của Thorium chòu ảnh hưởng lớn bởi mức độ lẫn oxit.
Khi lẫn với oxit, Thorium bò mờ đi từ từ trong không khí và chuyển sang màu
xám, cuối cùng là màu đen. Các loại tinh khiết nhất thường chứa khoảng 10%
oxit.
Thorium có hai kiểu cấu trúc và chúng biến đổi ở 14000C từ lập phương
tâm mặt sang lập phương tâm khối.

Hình 1.6: Cấu trúc lập phương tâm mặt [14].

Hình 1.7: Cấu trúc lập phương tâm khối [14].


11

Bột Thorium thường tự bốc cháy nên cẩn thận khi dùng chúng. Khi nung
nóng trong không khí, kim loại Thorium phát cháy và có ngọn lửa sáng trắng.
Năng lượng có sẵn trong vỏ Trái đất từ Thorium chưa được khai thác
nhiều như các hỗn hợp Uranium, các nguồn nguyên liệu hóa thạch và phần lớn
nội nhiệt Trái đất được cho là từ Thorium và Uranium.
1.2.1.2. Tính chất hóa học [16]
Thorium phản ứng chậm với nước và không phải lúc nào cũng tan trong
axit thường trừ axit clohidrit. Nó hòa tan trong axit nitric đậm đặc với một ít chất
xúc tác là ion flo. Các hợp chất của Thorium thường bền ở trạng thái oxi hóa +4.
Thorium (IV) nitrat và Thorium (IV) florua thường ở dưới các dạng hydrat
như: Th(NO3)4.4H2O và ThF4.4H2O. Tâm Thorium nằm trong mặt phẳng phân tử
hình vuông. Thorium (IV) cacbonat, Th(CO3)2 cũng tương tự.
Khi xử lý với natri florua, Th4+ tạo thành ion phức ThF62+, và có thể kết
tủa ở dạng muối không tan. Thorium (IV) hydroxit, Th(OH)4, không tan trong
nước, không là chất lưỡng tính. Peroxit của Thorium thì rất hiếm, thường ở dạng
chất rắn không tan, nhờ tính chất này có thể dùng để tách Thorium ra khỏi các
ion khác trong dung dòch. Nếu có mặt các ion photphat, Th4+ sẽ kết tủa thành
nhiều hợp chất khác nhau, đó là các hợp chất không tan trong nước và các dung
dòch axit.
1.2.1.3. Tác dụng sinh lý của Thorium [22]
Vì Thorium là đồng vò tự nhiên, nên dân chúng có khả năng tiếp xúc hằng
ngày với Thorium và hợp chất Thorium qua da hay các tiếp xúc khác. Quá trình
ăn uống, hít thở hoặc hấp thụ qua da gọi là quá trình thâm nhập phóng xạ.
Khi Thorium bò hấp thụ vào cơ thể một lượng rất thấp vào phổi và đường
tiêu hóa, 70% Thorium trong máu chuyển đến xương, 4% đến gan, 16% ở các
mô và cơ quan khác và 10% sẽ đi trực tiếp ra ngoài. Thorium tồn tại trong xương


12

dưới dạng liên kết xương và gluco-protein. Thorium tích tụ trong lá lách, gan,
hạch bạch huyết, và tủy xương dẫn đến chiếu xạ lâu dài ở cơ quan tương ứng.
Thorium được giữ lại lâu nhất khi nó thâm nhập vào cơ thể dưới dạng một hợp
chất không hòa tan. Transferrin -trong huyết tương có khả năng kết hợp với sắtđóng một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển Thorium. Hầu hết Thorium
thâm nhập vào hệ thống lưới nội mô (RES), gan, lá lách, và tủy xương. Thorium
được bài tiết chậm và chủ yếu qua mật. Thorium cũng có thể được phát ra ngoài
bằng cách thở ra khí phóng xạ con cháu Thoron.
1.2.2. Sự tồn tại của Thorium [18], [24]
Thorium là nguyên tố tự nhiên có trên Trái đất, Mặt Trăng, Hỏa Tinh… và
hầu như khắp mọi nơi - chẳng hạn như trong đất, đá, nước, động vật, thực vật,…
Chuỗi Thorium với hạt nhân đầu tiên là

232

Th có thời gian bán rã bằng

1,4.1010 năm, nên hầu như Thorium không giảm trong quá trình tồn tại của Trái
đất. Đồng vò

232

Th phân rã rất chậm, chu kỳ bán rã của nó gấp ba lần tuổi của

Trái đất, nhưng các đồng vò con cháu xuất hiện trong chuỗi phân rã của nó thì
hầu hết có thời gian sống ngắn.
Trong vỏ Trái Đất, Thorium có nhiều hơn Uranium khoảng bốn lần.
Thorium tồn tại trong Thoriumte, Thoriumanite, orangite, and yttrocrasite, và cát
monazite. Chất chủ yếu trong quặng monazite là Thorium, lanthanide, đồng vò
phosphate. Khoáng sản cát ở Úc, đặc biệt là ở tiểu bang Victoria và Tây Úc
chứa lượng Thorium đáng kể.
Thorium có mặt trong một số khoáng sản, phổ biến nhất là phosphateThorium-đất hiếm, monazit, chứa khoảng 12% Thorium oxit, nhưng trung bình
khoảng 6-7%. Monazit được tìm thấy trong đá măc-ma và các đá khác, nhưng
hàm lượng của nó cao nhất trong sa khoáng trầm tích. Nguồn tài nguyên monazit


13

trên thế giới được ước tính là khoảng 12 triệu tấn, hai phần ba trong số đó là
khoáng sản cát nặng lắng trên bờ biển phía nam và phía đông của Ấn Độ.
Khoáng sản nặng cũng có ở một số nước khác. Một mỏ dạng mạch lớn chứa
Thorium và đất hiếm có ở Idaho.
Zircon được biết đến như những khoáng vật quý, được sử dụng trên các đồ
trang sức với nhiều màu sắc khác nhau, từ không màu tới màu vàng đỏ, da cam
và nâu, lục nâu, lục sáng tới màu xanh da trời. Zircon chứa kim loại Uranium và
Thorium (từ 10ppm đến 1% khối lượng). Cùng với kim cương nó có tầm quan
trọng đáng kể trong ngành trang sức hoặc được sử dụng cho mục đích làm chất
mài mòn và cách điện.
Ngoài ngành công nghiệp hạt nhân, việc sử dụng hợp kim có Thorium
trong lónh vực hàng không và vật liệu chòu lửa dẫn đến việc sản xuất hàng trăm
tấn Thorium mỗi năm và có thể được đẩy lên khoảng 20000 tấn/năm do quặng
monazit có sẵn. Nguồn sản xuất Thorium chính là từ Úc với 14500 tấn/năm.
1.2.3. Thorium được dùng làm nhiên liệu hạt nhân [19], [21]
Tại sao Thorium được chọn trong khi chúng ta đã có nhiên liệu Uranium?
Một lò phản ứng hạt nhân nhiên liệu Thorium tạo ra năng lượng tương đương
một nhà máy điện Uranium hoặc than đá, nhưng chất thải ra rất thấp. Các nhà
máy điện Thorium sẽ sản xuất ít hơn 1% chất thải so với một nhà máy điện
Uranium cùng quy mô, và tất nhiên là cũng không có khí carbon dioxide. Quan
trọng hơn, trong khi các chất thải của một nhà máy điện hạt nhân Uranium có độ
độc kéo dài hơn 10.000 năm thì một nhà máy Thorium lại có độ độc dưới 200
năm. Hơn nữa, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu Thorium lõi lò
rất khó nóng chảy dù ở nhiệt độ cao.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×