Tải bản đầy đủ

Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
------------------

NGUYỄN THI NGUYỆT

BỨC XẠ HẠT NHÂN
VÀ MỘT VÀI ỨNG DỤNG
Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
Th.S NGUYỄN MINH VƢƠNG

HÀ NỘI - 2014


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai

tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thực hiện, bản khóa luận: “Bức xạ hạt nhân và một
vài ứng dụng” đã đƣợc hoàn thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ThS. Nguyễn Minh Vương,
thầy đã tận tình trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện
khóa luận này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Vật lí, trƣờng
ĐHSP Hà Nội 2 đã giảng dạy chỉ dẫn tôi trong quá trình học tập tại trƣờng.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ,
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và thực hiện đề tài.
Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, song khóa luận khó
tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ bảo của các
thầy, cô, bạn bè và những ngƣời quan tâm.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!

ĐHSP Hà Nội 2, ngày 15 tháng 05 năm 2014
Sinh viên

Nguyễn Thị Nguyệt


LỜI CAM ĐOAN

Để đảm bảo tính trung thực của khóa luận, tôi xin cam đoan:
Khóa luận: “Bức xạ hạt nhân và một vài ứng dụng” là công trình
nghiên cứu của cá nhân tôi, đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của ThS.
Nguyễn Minh Vương. Các kết quả trình bày trong khóa luận là trung thực và
chƣa đƣợc công bố trong bất kì công trình nào trƣớc đây. Tôi cũng xin cam
đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã đƣợc cảm ơn
và các thông tin trích dẫn trong khóa luận đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.

ĐHSP Hà Nội 2, ngày 15 tháng 05 năm 2014
Sinh viên


Nguyễn Thị Nguyệt


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số
bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Các thông số đối với một số chất làm chậm

26

3.1

Các ứng dụng chủ yếu bằng bức xạ và các dải liều tƣơng ứng

28

3.2

Liều lƣợng do chiếu xạ y học

30

3.3

Một số đồng vị phóng xạ sử dụng trong y tế

33

3.4

Một số đồng vị phóng xạ sử dụng trong công nghiệp

37

3.5

Một số ứng dụng sử lý bằng bức xạ

40


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Số
hình

Tên hình

Trang

2.1

Quá trình truyền năng lƣợng của hạt alpha

10

2.2

Quãng chạy của hạt beta

11

2.3

Độ ion hóa riêng của hạt beta

13

2.4

Sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta vào năng lƣợng đối
với một số chất thông dụng

16

2.5

Sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính theo đơn vị bề
dày mật độ vào năng lƣợng

17

2.6a

Hiệu ứng quang điện

20

2.6b

Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào năng lƣợng
gamma

20

2.7a

Hiệu ứng compton

21

2.7b

Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do

21

2.8

Hiệu ứng sinh cặp electron – positron

23


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
NỘI DUNG ....................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN ....................... 3
VÀ CÁC LOẠI BỨC XẠ HẠT NHÂN ....................................................... 3
1.1. Bức xạ hạt nhân là gì? ............................................................................ 3
1.2. Các loại bức xạ hạt nhân ........................................................................ 4
1.2.1. Bức xạ alpha ()............................................................................ 4
1.2.2. Bức xạ beta (β) ................................................................................ 5
1.2.3. Bức xạ gamma (γ) ........................................................................... 6
1.2.4. Bức xạ neutron ................................................................................ 7
1.2.5. Bức xạ tia X..................................................................................... 8
CHƢƠNG 2. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TIA BỨC XẠ..................... 9
2.1. Tƣơng tác của hạt anpha với vật chất .................................................... 9
2.1.1. Quá trình truyền năng lƣợng của hạt alpha ..................................... 9
2.1.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất ...................................... 11
2.2. Tƣơng tác của hạt beta với vật chất ..................................................... 12
2.2.1. Sự ion hóa (Ionization).................................................................. 12
2.2.2. Độ ion hóa riêng (Specific ionzation) ........................................... 13
2.2.3. Hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính (LET) ................................... 14
2.2.4. Bức xạ hãm (Brensstrahlung) ....................................................... 15
2.2.5. Quãng chạy của hạt beta trong vật chất ........................................ 15
2.3. Tƣơng tác của tia X và tia gamma với vật chất ................................... 18
2.3.1. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trƣờng ...................... 18
2.3.2. Các cơ chế tƣơng tác của tia X và tia gamma với vật chất ........... 19
2.3.2.1. Hiệu ứng quang điện .............................................................. 19
2.3.2.2. Hiệu ứng Compton ................................................................. 21
2.3.2.3. Hiệu ứng sinh cặp electron - positron .................................... 22


2.4. Tƣơng tác của neutron với vật chất ...................................................... 23
2.4.1. Sự suy giảm chùm neutron khi đi qua vật chất ............................. 23
2.4.2. Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi ........................................ 24
2.4.2.1. Tham số va chạm  ................................................................ 25
2.4.2.2. Số va chạm S .......................................................................... 26
2.4.2.3. Hấp thụ neutron ...................................................................... 27
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA CÁC NGUỒN BỨC XẠ .......................... 28
3.1. Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong y tế.......................................... 28
3.1.1. Xạ hình để chuẩn đoán .................................................................. 29
3.1.2. Xạ trị bằng chùm tia ...................................................................... 31
3.1.3. Xạ trị bằng nguồn áp sát ............................................................... 32
3.1.4. Dùng dƣợc chất phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh ............. 32
3.2. Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong công nghiệp ............................ 33
3.2.1. Xạ hình công nghiệp ..................................................................... 33
3.2.2. Máy đo độ dày sản phẩm .............................................................. 34
3.2.3. Máy đo mật độ vật chất và nồng độ dung dịch ............................. 35
3.2.4. Máy đo mức .................................................................................. 35
3.2.5. Máy đo dùng nguồn neutron ......................................................... 36
3.3. Các ứng dụng khác của nguồn bức xạ ................................................. 37
3.3.1. Ứng dụng trong địa chất................................................................ 37
3.3.2. Ứng dụng trong nông nghiệp ........................................................ 38
3.3.3. Ứng dụng trong ngành hải quan.................................................... 38
3.3.4. Ứng dụng trong bảo quản, khử trùng và biến tính vật liệu ........... 39
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 41


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta đã biết chất phóng xạ là một bộ phận không thể tách rời trái
đất của chúng ta, nó tồn tại cùng trái đất. Các chất phóng xạ tồn tại trong tự
nhiên, có trên mặt đất, có trong không khí và thực phẩm. Cả trong cơ thể của
chúng ta bao gồm cơ, xƣơng và các mô đều chứa các nguyên tố phóng xạ có
trong tự nhiên từ trái đất, cũng nhƣ từ bên ngoài trái đất. Bức xạ mà chúng ta
nhận đƣợc từ bên ngoài trái đất đƣợc gọi là các tia vũ trụ hay bức xạ vũ trụ.
Chúng ta cũng bị chiếu bởi các bức xạ nhân tạo.
Các phƣơng pháp ghi nhận bức xạ hạt nhân và tia vũ trụ đƣợc sử dụng
ngày nay rất đa dạng nhƣng không phải là vạn năng. Đối với mỗi bài toán cần
phải chọn một phƣơng pháp thích hợp nhất. Muốn vậy nhà thực nghiệm phải
có sự hiểu biết về tính chất vật lí của các đối tƣợng cần ghi nhận về nguồn gốc
của bức xạ hạt nhân và tính chất chung của chúng.
Việc ghi nhận về bức xạ hạt nhân cũng nhƣ việc thiết kế tất cả các hệ
hạt nhân nhƣ lò phản ứng, buồng bảo vệ che chắn bức xạ, các máy phát đồng
vị… phụ thuộc một cách cơ bản vào tƣơng tác của bức xạ hạt nhân với vật
chất, của đetectơ và của các hệ hạt nhân tƣơng ứng. Do đó để hiểu đƣợc
nguyên tắc hoạt động của các đêtéctơ bức xạ hạt nhân, các hiện tƣợng hấp thụ
trong quá trình ghi nhận bức xạ hạt nhân và các vấn đề về an toàn bức xạ cần
phải nắm vững cơ chế tƣơng tác quan trọng nhất của bức xạ hạt nhân với vật
chất.
Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi ngƣời
thƣờng nghĩ ngay đến tác hại của nó. Tác hại của bức xạ hạt nhân đƣợc thể
hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản
trong chiến tranh thế giới thứ II. Và gần đây nhất là thảm họa nhà máy điện
hạt nhân Trecnobƣn, ngày 26 tháng 4 năm 1986 và nhà máy Mayak, ngày 29
tháng 9 năm 1957. Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao
1


chất lƣợng cuộc sống đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính.
Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đích phá hoại hoặc trong những sự cố
không kiềm soát thì nó có tác hại vô cùng to lớn. Nhƣng khi sử dụng với mục
đích cải thiện, nâng cao chất lƣợng và giúp ích cuộc sống thì bức xạ hạt nhân
có nhiều ứng dụng quan trọng.
Vì vậy chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Bức xạ hạt nhân và
một vài ứng dụng”.
2. Mục đích nghiên cứu
Hoàn thành đề tài về bức xạ hạt nhân, làm cơ sở cho việc nghiên cứu
các ứng dụng của bức xạ hạt nhân làm tài liệu phục vụ học tập.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bức xạ hạt nhân.
-Phạm vi nghiên cứu: Tính chất và ứng dụng của các loại bức xạ hạt
nhân.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Để thực hiện mục đích trên, luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu những
vấn đề sau:
- Các loại bức xạ hạt nhân và tính chất cơ bản của chúng.
- Tƣơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất.
- Một số ứng dụng của bức xạ hạt nhân.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu, phân tích tổng hợp và các phƣơng
pháp trong ngành vật lý lý thuyết.
6. Cấu trúc khóa luận
Ngoài phần mở đầu và kết luận khóa luận gồm ba chƣơng:
Chƣơng 1: Tìm hiểu chung về bức xạ hạt nhân và các loại bức xạ hạt nhân.
Chƣơng 2: Tính chất vật lý của các tia bức xạ.
Chƣơng 3: Ứng dụng của các nguồn bức xạ.
2


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ BỨC XẠ HẠT NHÂN
VÀ CÁC LOẠI BỨC XẠ HẠT NHÂN
1.1. Bức xạ hạt nhân là gì?
Mọi vật đều đƣợc cấu tạo từ nguyên tử. Khối lƣợng nguyên tử tập trung
ở phần hạt nhân nguyên tử mà độ lớn của nó chỉ bằng một phần tỷ của nguyên
tử. Xung quanh hạt nhân hầu nhƣ là khoảng trống, ngoại trừ những phần tử
rất nhỏ mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân đƣợc gọi là electron.
Các electron quyết định tính chất hóa học của một chất nhất định. Nó không
liên quan gì với hoạt độ phóng xạ. Hoạt độ phóng xạ chỉ phụ thuộc vào cấu
trúc hạt nhân.
Một nguyên tố đƣợc xác định bởi số lƣợng proton trong hạt nhân. Hydro
có 1 proton, Heli có 2 proton, Liti có 3 proton, Berili có 4 proton, Bo có 5
proton, Cacbon có 6 proton. Số lƣợng proton nhiều hơn, thì hạt nhân nặng
hơn. Thori có 90 proton, Protatini có 91 proton và Urani có 92 proton đƣợc
xem là những nguyên tố siêu Urani.
Số lƣợng các nơtron quyết định hạt nhân có mang tính phóng xạ hay
không. Để các hạt nhân ổn định, số lƣợng các nơtron trong hầu hết mọi
trƣờng hợp đều phải lớn hơn số lƣợng proton một ít. Ở các hạt nhân ổn định
proton và nơtron liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh của hạt nhân mà
không phần tử nào thoát ra ngoài. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, hạt nhân sẽ tồn
tại bền vững. Tuy nhiên mọi việc sẽ khác đi nếu số lƣợng nơtron vƣợt khỏi
mức cân bằng. Trong trƣờng hợp này, thì hạt nhân sẽ có năng lƣợng dƣ và
đơn giản là sẽ không liên kết đƣợc với nhau. Sớm hay muộn thì nó cũng phải
xả phần năng lƣợng dƣ thừa đó. Hạt nhân khác nhau thì việc giải thoát năng
lƣợng dƣ thừa cũng khác nhau, dƣới dạng các sóng điện từ và các dòng phân
tử. Năng lƣợng đó đƣợc gọi là bức xạ.
3


1.2. Các loại bức xạ hạt nhân
Các nguồn phóng xạ (bao gồm các nguồn phóng xạ và các thiết bị bức
xạ) phát ra các hạt bức xạ nhƣ hạt alpha, beta, gamma và neutron.
1.2.1. Bức xạ alpha ()
Các hạt  là hạt nhân của nguyên tử heli (4He) do các chất phóng xạ
phát ra. Bức xạ  đƣợc phát ra bởi các nguyên tử của các nguyên tố nặng nhƣ
Uran, Radi, Radon và Plutoni.
Thí dụ Radi biến thành Radon và phát ra các hạt :
226
88

Ra 

222
86

Rn + 24 He

Các hạt  cũng đƣợc phát ra từ một số chất phóng xạ nhân tạo. Những
chất này nằm ở giữa hoặc cuối bảng tuần hoàn các nguyên tố (Gd, Tb, Pu,
Am, …)
Năng lƣợng của hạt  đƣợc phát ra bởi các hạt nhân phóng xạ khác
nhau nằm trong vùng từ 3 đến 9 MeV. Các đồng vị phóng xạ khác nhau có thể
phát ra một hoặc một số nhóm hạt  đơn năng.
Năng lƣợng của một nhóm hạt  đã cho thì phụ thuộc vào trạng thái
năng lƣợng của hạt nhân phát bức xạ và hạt nhân là sản phẩm phân rã. Theo
nghĩa này, các hạt  đôi khi còn đƣợc gọi là các hạt quãng chạy ngắn hoặc
quãng chạy dài so với các hạt đƣợc tạo thành khi chuyển từ trạng thái cơ bản
của hạt nhân mẹ về trạng thái cơ bản của hạt nhân con. Chẳng hạn, hạt  xuất
hiện trong kết quả phân rã  từ trạng thái kích thích của hạt nhân mẹ về trạng
thái cơ bản của hạt nhân con sẽ có năng lƣợng lớn hơn. Các hạt  nhƣ vậy gọi
là hạt  quãng chạy dài. Các hạt  quãng chạy ngắn đƣợc gọi là những hạt
xuất hiện trong chuyển dời từ trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ về trạng thái
kích thích của hạt nhân con.
Cũng có thể thu đƣợc các hạt  trong máy gia tốc. Máy gia tốc thuận
tiện hơn cả để thu hạt  là xyclotron, trong đó hạt nhân nguyên tử heli có thể
4


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

đƣợc truyền năng lƣợng vài chục triệu electron vôn. Với máy gia tốc fazotron
ngƣời ta có thể thu đƣợc các chùm hạt  năng lƣợng hàng trăm MeV.
Trong không gian bức xạ  không truyền đi đƣợc xa và bị cản lại toàn
bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài da. Tuy nhiên, nếu một chất phát
tia  đƣợc đƣa vào cơ thể nó sẽ phát ra năng lƣợng ra các tế bào xung quanh.
Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm,
mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống nhƣ da.
1.2.2. Bức xạ beta (β)
Bao gồm các electron có khối lƣợng gần

1
khối lƣợng của một
2000

proton hay neutron, nhỏ hơn rất nhiều so với hạt  và nó có thể xuyên sâu
hơn. Tia β đƣợc phát ra từ một số vật liệu phóng xạ nhƣ Triti, Cacbon-14,
Photpho-32, Stronti-90.
32
15

P 

0
1

32
16

e +

S

Các electron phát ra trong phân rã của các hạt nhân phóng xạ đƣợc gọi
là các hạt β- ( 10 e ). Khác với phổ năng lƣợng gián đoạn của các hạt , phổ
năng lƣợng của các hạt β- là phổ liên tục. Năng lƣợng của chúng thay đổi từ 0
đến một giá trị giới hạn Egh nào đó đặc trƣng cho từng đồng vị phóng xạ. Thí
dụ, năng lƣợng cực đại phổ β- của

32

P bằng 1,7 MeV, của

14

C bằng 0,155

MeV. Năng lƣợng gián đoạn nhỏ nhất đƣợc biết ngày nay là năng lƣợng của
các hạt β- do triti phát ra.(3H, Egh = 18 keV).
Các pozitron do các chất phóng xạ phát ra đƣợc gọi là các hạt β+ ( 10 e ) ,
phổ β+ cũng liên tục, thay đổi từ 0 đến một giá trị cực đại nào đó, đặc trƣng
cho mỗi đồng vị. Thông thƣờng các hạt β+ đƣợc các đồng vị có không đủ
neutron so với đồng vị bền của nguyên tố này phát ra. Nhƣ vậy, tia β là chùm
điện tử phát sinh ra từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo hiện tƣợng hạt nhân
trung hòa (nơtron) biến thành hạt mang điện (proton) hoặc ngƣợc lại.

5


Tia β có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thƣờng
và nó có thể xuyên qua đƣợc lớp ngoài của da. Nó có thể làm tổn thƣơng lớp
da bảo vệ. Trong vụ tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986,
các tia β mạnh đã làm cháy da những ngƣời lính cứu hỏa. Nếu các bức xạ β
phát ra trong cơ thể nó có thể chiếu xạ trong lên các mô trong đó.
1.2.3. Bức xạ gamma (γ)
Bức xạ γ là dạng năng lƣợng sóng điện từ.
Mỗi động tác phân rã phóng xạ phát ra hạt tích điện đều dẫn tới sự hình
thành một hạt nhân là sản phẩm phân rã. Thƣờng hạt nhân mới này đƣợc hình
thành ở trạng thái kích thích. Thời gian tồn tại của hạt nhân ở trạng thái kích
thích có thể rất khác nhau. Nó có thể có giá trị đo bằng đơn vị ngày, giờ, phút
và những phần rất nhỏ của giây. Trong nhiều trƣờng hợp, hạt nhân sản phẩm
phân rã bị kích thích chuyển về trạng thái cơ bản hầu nhƣ một cách tức thời
ngay sau động tác phân rã (sau 10-13 đến 10-8 s) kèm theo sự giải phóng năng
lƣợng dƣ. Chuyển dời từ trạng thái kích thích thƣờng xảy ra theo kiểu nhảy
bậc qua các trạng thái kích thích trung gian với năng lƣợng nhỏ hơn. Chuyển
dời về trạng thái năng lƣợng thấp hơn có thể xảy ra hoặc bằng cách phát bức
xạ điện từ (các tia γ) hoặc bằng cách phát ra các electron biến hoán trong.
Năng lƣợng kích thích của các hạt nhân thu đƣợc trong phân rã phóng
xạ của các đồng vị khác nhau, có thể có giá trị từ một vài keV đến một vài
MeV. Khi năng lƣợng kích thích cao thì chuyển dời của hạt nhân về trạng thái
cơ bản thƣờng xảy ra qua một số tƣơng đối lớn những trạng thái trung gian.
Điều này dẫn tới xuất hiện trong phổ một số lớn các lƣợng tử gamma năng
lƣợng khác nhau cũng nhƣ một số tƣơng ứng các vạch electron biến hoán
trong.
Tia γ đƣợc tạo ra do sự phân rã của chất phóng xạ, chẳng hạn nhƣ
Cobalt-60 và Xedi-137.

6


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Tia γ có thể đi đƣợc khoảng cách lớn trong không khí và có độ xuyên
mạnh. Khi tia γ bắt đầu đi vào vật chất, cƣờng độ của nó cũng bắt đầu giảm.
Trong quá trình xuyên vào vật chất, tia γ va chạm với các nguyên tử. Các va
chạm đó với tế bào của cơ thể sẽ làm tổn hại cho da và các mô ở bên trong.
Các vật liệu đặc nhƣ chì, bê tông là tấm chắn lý tƣởng đối với tia gamma.
1.2.4. Bức xạ neutron
Neutron là hạt trung hòa về điện và có khối lƣợng lớn hơn khối lƣợng
proton một chút. Neutron đƣợc Chadwich khám phá vào năm 1932 khi dùng
hạt  bắn vào bia berili. Các neutron đƣợc tạo thành trong phản ứng:
9

Be +   12C + n

Ngày nay, phản ứng này thƣờng đƣợc sử dụng để thu neutron (các
nguồn: Ra + Be; Po + Be)
Cũng có thể thu các chùm hạt neutron tự do bằng những phản ứng hạt
nhân khác. Ví dụ trong máy phát neutron thì neutron đƣợc tạo thành trong các
phản ứng: D (d,n)3He hoặc T (d,n)4He.
Năng lƣợng neutron thu đƣợc trong phản ứng T (d,n)4He = 18 MeV, D
(d,n)3He = 4 MeV.
Những nguồn neutron khác ngày nay là các lò phản ứng hạt nhân, trong
đó neutron đƣợc tạo thành từ quá trình phân chia hạt nhân Uranium hoặc
Plutonium.
Neutron có mặt trong một lƣợng không lớn trong thành phần của các
hạt vũ trụ thứ cấp, đƣợc tạo thành trong quá trình tƣơng tác của bức xạ vũ trụ
sơ cấp với khí quyển.
Thực nghiệm đã chứng minh rằng neutron có tính phóng xạ β và phân
rã với chu kì bán rã T1/2 = 12,8 min và năng lƣợng giới hạn của phổ β bằng
Egh = 782 keV.
Bản thân neutron không phải bức xạ ion hóa, nhƣng nếu va chạm với
các hạt nhân khác, nó có thể kích hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma
7


hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hóa. Neutron có sức
xuyên mạnh hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tƣờng bê tông
dày, bởi nƣớc hoặc tấm chắn Paraphin. Bức xạ neutron chỉ tồn tại trong lò
phản ứng hạt nhân và các nhiên liệu hạt nhân.
1.2.5. Bức xạ tia X
Tia X có những đặc điểm tƣơng tự nhƣ tia γ, nhƣng bức xạ γ đƣợc phát
ra bởi hạt nhân nguyên tử, còn tia X do con ngƣời tạo ra trong một ống tia X
mà bản thân nó không có tính phóng xạ. Tia X bao gồm một hỗn hợp của các
bƣớc sóng khác nhau, trong khi năng lƣợng tia γ có một giá trị cố định (hoặc
hai) đặc trƣng cho chất phóng xạ.

8


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

CHƢƠNG 2. TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC TIA BỨC XẠ
Các bức xạ khảo sát bao gồm các hạt tích điện nhƣ alpha, beta, các tia
gamma và tia X. Trong quá trình tƣơng tác của bức xạ với vật chất, năng
lƣợng của tia bức xạ đƣợc truyền cho các electron quỹ đạo hoặc cho hạt nhân
nguyên tử tùy thuộc vào loại và năng lƣợng của bức xạ cũng nhƣ bản chất của
môi trƣờng hấp thụ. Các hiệu ứng chung khi tƣơng tác của bức xạ với vật chất
là kích thích và ion hóa nguyên tử của môi trƣờng hấp thụ.
2.1. Tƣơng tác của hạt anpha với vật chất

2.1.1. Quá trình truyền năng lƣợng của hạt alpha
Các hạt  với điện tích gấp đôi điện tích cơ bản và khối lƣợng gần bằng
7300 lần khối lƣợng của electron (M = 7300 me), khi đi qua vật chất gây ra
sự ion hóa rất mạnh các nguyên tử của vật chất này. Chúng mất năng lƣợng
do ion hóa và kích thích nguyên tử của môi trƣờng hấp thụ. Khi đi qua phần
không khí của tế bào xốp, hạt  mất một lƣợng năng lƣợng trung bình 35 eV
cho một cặp ion. Do hạt  có điện tích lớn hơn hạt β hai lần và khối lƣợng rất

9


lớn, dẫn tới vận tốc của nó tƣơng đối thấp nên độ ion hóa riêng của nó rất cao,
vào khoảng hàng nghìn cặp ion trong không khí (hình 2.1).

Số cặp ion /mm không khí

8000

4000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Năng lượng của hạt alpha, MeV

Hình 2.1. Quá trình truyền năng lƣợng của hạt alpha
Tốc độ mất năng lƣợng tuyến tính của tất cả các hạt tích điện nặng hơn
hạt electron, trong đó có hạt , tuân theo công thức:
dE
4z 2q 4 NZ (3.109 )4
=
Mv 2 .1,6.10 6
dx



- ln


 v2  v2 
2Mv 2
 ln 1  2   2  MeV/cm
I
 c  c 

(2.1).

Trong đó: z là số nguyên tử của hạt gây ion hóa, z = 2 đối với hạt 
q = 1,6.10-19C , điện tích của electron.
Zq là điện tích của hạt gây ion hóa.
M là khối lƣợng tĩnh của hạt gây ion hóa.
M = 6,6.10-24 g đối với hạt .
v là vận tốc của hạt gây ion hóa.
10


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3.
Z là số nguyên tử của chất hấp thụ.
NZ là số electron của chất hấp thụ trong 1 cm3.
c = 3.1010 cm/s , là vận tốc ánh sáng.
I = 8,6.10-5 MeV đối với không khí và I = 1,36.10-5 Z (MeV)
đối với các chất hấp thụ khác, là năng lƣợng ion hóa và kích thích của nguyên
tử chất hấp thụ.
2.1.2. Quãng chạy của hạt alpha trong vật chất
Hạt  có khả năng đâm xuyên thấp nhất trong số các bức xạ ion hóa.
Trong không khí, ngay cả hạt  có năng lƣợng cao nhất do các nguồn phóng
xạ phát ra cũng chỉ đi đƣợc một vài centimet, còn trong mô sinh học quãng
chạy của nó có kích thƣớc cỡ micromet. Có hai định nghĩa về quãng chạy của
hạt , là quãng chạy trung bình và quãng chạy ngoại suy, đƣợc minh họa trên

Tốc độ đếm tương đối

hình 2.2.

1

Quãng chạy

0,5
Quãng chạy

ngoại suy

trung bình

0

1

3

2

4

Độ dày hấp thụ, cm không khí

Hình 2.2. Quãng chạy của hạt alpha

11


Trên hình 2.2 đƣờng cong hấp thụ của hạt  có dạng phẳng vì nó là hạt
đơn năng lƣợng. Ở cuối quãng chạy, số đếm các hạt  giảm nhanh khi tăng bề
dày chất hấp thụ. Quãng chạy trung bình đƣợc một nửa chiều cao đƣờng hấp
thụ còn quãng chạy ngoại suy đƣợc xác định khi ngoại suy đƣờng hấp thụ đến
giá trị 0
2.2. Tƣơng tác của hạt beta với vật chất

2.2.1. Sự ion hóa (Ionization)
Do hạt β mang điện tích nên cơ chế tƣơng tác của nó với vật chất là
tƣơng tác tĩnh điện với các electron quỹ đạo làm kích thích và ion hóa các
nguyên tử môi trƣờng. Trong trƣờng hợp nguyên tử môi trƣờng bị ion hóa, hạt
β mất một phần năng lƣợng Et để đánh bật một electron quỹ đạo. Động năng
Ek của electron bị bắn ra liên hệ với thế năng ion hóa của nguyên tử E và độ
mất năng lƣợng Et nhƣ sau:
Ek = Et – E.

(2.2)

Trong đó thế năng ion hóa E đƣợc xác định theo công thức:
E = Rh   1 = -Rh.
1




(2.3)

Trong nhiều trƣờng hợp electron bắn ra có động năng đủ lớn để có thể
ion hóa nguyên tử tiếp theo, đó là electron thứ cấp (delta electron).
12


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Do hạt β chỉ mất một phần năng lƣợng Et để ion hóa nguyên tử, nên
dọc theo đƣờng đi của mình, nó có thể gây ra thêm một số lớn cặp ion.
Năng lƣợng trung bình để sinh một cặp ion thƣờng gấp 2 đến 3 lần
năng lƣợng ion hóa. Bởi vì, ngoài quá trình ion hóa, hạt β còn mất năng lƣợng
do kích thích nguyên tử.
Do hạt β có khối lƣợng bằng khối lƣợng electron quỹ đạo nên va chạm
giữa chúng làm hạt β chuyển động lệch khỏi hƣớng ban đầu. Do đó hạt β
chuyển động theo đƣờng cong khúc khuỷu sau nhiều lần va chạm trong môi
trƣờng hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi mất hết năng lƣợng.
2.2.2. Độ ion hóa riêng (Specific ionzation)
Độ ion hóa riêng là số cặp ion đƣợc tạo ra khi hạt β chuyển động đƣợc
một centimet trong môi trƣờng hấp thụ. Độ ion hóa riêng khá cao đối với hạt
β năng lƣợng thấp, giảm dần khi tăng năng lƣợng hạt β và đạt cực tiểu ở năng
lƣợng khoảng 1 MeV, rồi sau đó tăng chậm (hình 2.3).
1000

Số cặp ion/cm không khí

Độ ion hóa riêng,

500

100

50

0
0,01

0,05

0,5

0,1

1

Năng lượng hạt beta, MeV

Hình 2.3. Độ ion hóa riêng của hạt beta

13

5

10


Độ ion hóa riêng đƣợc xác định qua tốc độ mất năng lƣợng tuyến tính
của hạt β do ion hóa và kích thích, một số thông số quan trọng dùng để thiết
kế thiết bị đo liều bức xạ và tính toán hiệu ứng sinh học của bức xạ. Tốc độ
mất năng lƣợng tuyến tính của hạt β tuân theo công thức:



dE 2q 4 NZ 3.109

dx Em  2 1,6.10 6






4

2

  Em Ek  2 

2


ln  2
 . MeV/cm

2
  I 1  






(2.4)

Trong đó: q = 1,6.10-19C, điện tích của electron.
N là số nguyên tử chất hấp thụ trong 1 cm3.
Z là số nguyên tử chất hấp
NZ = 3,88.1020 e /cm3, là số electron của 1 cm3 không khí ở
nhiệt độ 00C và áp suất 76 cm thủy ngân.
Em = 0,51 MeV , năng lƣợng tĩnh của electron.
Ek là động năng của hạt beta.
β = v/c, trong đó v là vận tốc của hạt beta còn c = 3.1010 cm/s.
I = 8.6.10-5 MeV đối với không khí và I = 1,36.10-5 Z (MeV)
đối với các chất hấp thụ khác, là năng lƣợng ion hóa và kích thích của nguyên
tử chất hấp thụ.
Nếu biết trƣớc đại lƣợng w , là độ mất năng lƣợng trung bình sinh cặp
ion, thì độ ion hóa riêng s đƣợc tính theo công thức sau:
s=

dE / dx(eV / cm)
,
w(eV / c.i )

(2.5)

trong đó c.i là cặp ion.
2.2.3. Hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính (LET)
Độ ion hóa riêng đƣợc dùng xem xét độ mất năng lƣợng do ion hóa.
Khi quan tâm đến môi trƣờng hấp thụ, thƣờng sử dụng tốc độ hấp thụ năng
lƣợng tuyến tính của môi trƣờng khi hạt β đi qua nó. Đại lƣợng xác định tốc
độ hấp thụ năng lƣợng nói trên là hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính.

14


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) đƣợc
định nghĩa theo công thức sau:
LET 

dEl
,
dl

(2.6)

trong đó dEl là năng lƣợng trung bình mà hạt β truyền cho môi trƣờng hấp thụ
khi đi qua quãng đƣờng dài dl. Đơn vị đo thƣờng dùng đối với LET là
keV/  m.
2.2.4. Bức xạ hãm (Brensstrahlung)
Khi hạt β đến gần hạt nhân, lực hút Comlomb mạnh làm nó thay đổi
đột ngột hƣớng bay ban đầu và mất năng lƣợng dƣới dạng bức xạ điện từ, gọi
là bức xạ hãm, hay Brensstrahlung. Năng lƣợng bức xạ hãm phân bố liên tục
từ 0 đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt β. Khó tính toán dạng của
năng lƣợng phân bố các bức xạ hãm nên ngƣời ta thƣờng sử dụng các đƣờng
cong đo đạt thực nghiệm.
Để đánh giá mức độ nguy hiểm của bức xạ hãm, ngƣời ta thƣờng dùng
công thức gần đúng sau đây:
f = 3,5.10-4ZEβmax .

(2.7)

trong đó f là phần năng lƣợng tia beta chuyển thành photon,
Z là số nguyên tử của chất hấp thụ,
Eβmax (MeV) là năng lƣợng cực đại của hạt beta.
Công thức (2.7) cho thấy khả năng sinh bức xạ hãm tỉ lệ thuận với số
nguyên tử chất hấp thụ. Do đó, vật liệu dùng che chắn tia beta thƣờng đƣợc
làm từ các vật liệu nhẹ. Nhôm với Z = 13 là vật liệu che chắn tia beta nặng
nhất và cũng ít khi đƣợc sử dụng.
2.2.5. Quãng chạy của hạt beta trong vật chất
Do hạt β mất năng lƣợng dọc theo đƣờng đi của mình nên nó chỉ đi
đƣợc một quãng đƣờng hữu hạn. Nhƣ vậy, nếu cho một chùm tia β đi qua bản
vật chất, chùm tia này bị dừng lại sau một khoảng đƣờng đi nào đó. Khoảng
15


đƣờng đi này gọi là quãng chạy (range) của hạt β, quãng chạy của hạt β phụ
thuộc vào năng lƣợng tia β và mật độ vật chất của môi trƣờng hấp thụ. Biết
đƣợc quãng chạy của hạt β với năng lƣợng cho trƣớc có thể tính đƣợc độ dày
của vật che chắn làm từ vật liệu cho trƣớc. Một đại lƣợng thƣờng dùng khi
tính toán thiết kế che chắn là độ dày hấp thụ một nửa (absorber half –
thickness), tức là độ dày của chất hấp thụ làm giảm số hạt β ban đầu còn lại
1/2 sau khi đi qua bản hấp thụ. Đo đạc thực nghiệm cho thấy độ dày hấp thụ
một nửa vào khoảng 1/8 quãng chạy. Hình 2.4 trình bày sự phụ thuộc quãng
chạy cực đại của các hạt β vào năng lƣợng của chúng đối với một số chất hấp
thụ thông dụng. Hình 2.4 cho thấy rằng quãng chạy của hạt β với năng lƣợng
cho trƣớc giảm khi tăng mật độ chất hấp thụ.

Quãng chạy cực đại của hạt beta, cm

Không khí
1000

100

10
Nước
1
Plastic
0,1
Nhôm
0,01
0,1

0,2

0,3

0,5

1

2

3

4

Năng lượng hạt beta, MeV

Hình 2.4. Sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta vào năng lƣợng đối với
một số chất thông dụng

16


Ket-noi.com
Ket-noi.com kho
kho tai
tai lieu
lieu mien
mien phi
phi

Ngoài bề dày tuyến tính d (linear thickness) tính theo centimet ngƣời ta
còn dùng bề dày mật độ dm (density thickness) tính theo mật độ diện tích, đơn
vị g/cm2 , đƣợc xác định nhƣ sau:
dm (g/cm2) =  (g/cm3)d (cm) ,

(2.8)

trong đó  là mật độ khối của chất hấp thụ tính theo g/cm3.
Việc sử dụng bề dày mật độ làm dễ dàng cho việc tính toán vì khi đó bề
dày không phụ thuộc vào vật liệu cụ thể.

Năng lượng, MeV

10

1

0,1

0,01
0,1

1

10

100

1000

10000

Quãng chạy, mg/cm2

Hình 2.5. Sự phụ thuộc quãng chạy của hạt beta tính theo đơn vị bề dày
mật độ vào năng lƣợng
Hình 2.5 trình bày đƣờng cong miêu tả sự phụ thuộc quãng chạy của
hạt β tính theo đơn vị bề dày mật độ vào năng lƣợng của nó. Đƣờng cong này
dùng thay cho các đƣờng cong trên hình 2.4 khi tính quãng chạy theo đơn vị
bề dày mật độ.
17


Đƣờng cong quãng chạy và năng lƣợng trên hình 2.5 đƣợc biểu diễn
bằng công thức sau đây:
Đối với miền năng lƣợng beta 0,01  E  2,5 MeV
R = 412.E1,265-0,0954lnE .

(2.9)

Đối với miền quãng chạy R < 1200
1

lnE = 6,63 – 3,2376.(10,2146 – lnR) 2 .

(2.10)

Đối với miền năng lƣợng beta E > 2,5 MeV và miền quãng chạy R >
1200
R = 530E – 106.

(2.11)

Trong đó: R là quãng chạy, tính theo mg/cm2.
E là năng lƣợng cực đại của tia β, tính theo đơn vị MeV.
2.3. Tƣơng tác của tia X và tia gamma với vật chất
2.3.1. Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trƣờng
Tia X và tia γ có cùng bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng
lƣợng cao. Do sự tƣơng tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên
để đơn giản ta gọi là tƣơng tác của tia γ với vật chất.
Sự suy giảm bức xạ γ khi đi qua môi trƣờng khác với sự suy giảm của
các bức xạ  và β. Bức xa  và β có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy
hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi
đó bức xạ γ chỉ bị suy giảm về cƣờng độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà
không bị hấp thụ hoàn toàn.
Ta xét một chùm tia hẹp γ đơn năng với cƣờng độ ban đầu I0 . Sự thay
đổi cƣờng độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:
dI = -  Idx ,

(2.12)

trong đó  là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient). Đại
lƣợng này có thứ nguyên (độ dày)-1 và thƣờng tính theo cm-1. Từ (2.12) có thể
viết phƣơng trình:
18


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×