Bài 37: Phóng xạ

Tóm tắt lý thuyết

2.1. Hiện tượng phóng xạ:

a. Định nghĩa:

  • Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững. Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ.
  • Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.

b. Các dạng phóng xạ:

  • Phóng xạ anpha (\(\alpha\))

\(_{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{Z-2}^{A-4}\textrm{Y}\)

Tia α là dòng các hạt nhân \(_{2}^{4}\textrm{He}\) chuyển động với tốc độ cỡ \(2.10^7\) m/s. Đi được chừng vài cm trong không khí và chừng vài μm trong vật rắn.

  • Phóng xạ bêta trừ (\(\beta ^-\)): là dòng electron \(\beta ^-\) hoặc \(_{-1}^{\ \ 0}\textrm{e}\)

\(_{Z}^{A}\textrm{X} \ \rightarrow _{-1}^{ \ \ 0}\textrm{e} + _{Z+1}^{A}\textrm{Y} (_{ 0}^{1}\textrm{n}\rightarrow _{-1}^{ \ \ 0}\textrm{e}+_{1}^{1}\textrm{p})\)

  • Phóng xạ bêta cộng (\(\beta ^+\)): là dòng electron dương (pôzitron) ⇒ \(\beta ^+\) hoặc \(_{+1}^{ \ \ 0}\textrm{e}\)

\(_{Z}^{A}\textrm{X} \ \rightarrow \ _{+1}^{0}\textrm{e} + _{Z-1}^{A}\textrm{Y} \ (_{1}^{1}\textrm{p} \rightarrow _{+1}^{0}\textrm{e} + _{0}^{1}\textrm{n})\)

  • Phóng xạ gamma (\(\gamma\)): Tia \(\gamma\) có bản chất là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn. Các tia \(\gamma\) có thể đi qua được vài mét trong bê tơông và vài xentimet trong chì.
  • Ngoài ra phóng xạ còn được con người tạo ra gọi là phóng xạ nhân tạo

\(_{Z}^{A}\textrm{X}+_{0}^{1}\textrm{n}\rightarrow _{Z}^{A+1}\textrm{X}\)

2.2. Định luật phóng xạ

a. Đặc điểm của quá trình phóng xạ

  • Là quá trình tự phát
  • Không điều khiển được (không phụ thuộc điều kiện nhiệt độ, áp suất..)
  • Không có thời gian phân hủy xác định
  • Là quá trình biến đổi hạt nhân

b. Định luật phóng xạ:

  • Phát biểu: “Đặc trưng cho mỗi chất phóng xạ là thời gian T, gọi là chu kỳ bán rã. Cứ sau khoảng thời gian 1 chu kỳ bán rã T thì một nửa lượng chất phóng xạ đã bị phân rã biến thành chất khác”
  • Ban đầu:

t = 0 N0

t = T \(N=\frac{N_{0}}{2}\)

t = 2T \(N=\frac{N_{0}}{2^2}\)

\(K=\frac{t}{T}\) \(\underset{ \ \ }{\leftarrow}\) t = KT \(N=\frac{N_{0}}{2^K}=N_{0}.2^{\frac{-t}{T}}\)

  • Số hạt còn lại: \(N=N_{0}.2^{\frac{-t}{T}}=N_{0}e^{- \lambda t}\)

Với \(\lambda =\frac{ln2}{T}\): hằng số phóng xạ

\(e^{-\lambda t}=e^{- \frac{ln2 . t }{T}} = (e^{ln2})^{-\frac{t}{T}}=2^{-\frac{t}{T}}\)

⇒ Số hạt đã phân rã: \(\Delta N=N_{0}-N = N_{0}(1-e^{-\lambda t})\)

c. Chu kì bán rã

  • Chu kì bán rã T là thời gian qua đó số lượng các hạt nhân của một khối chất phóng xạ ban đầu chỉ còn lại là 50% (nghĩa là có 50% số lượng hạt nhân của khối chất đó bị phân rã).

2.3. Ứng dụng

  • Ngoài các đồng vị có sẵn trong thiên nhiên gọi là các đồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta còn tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ khác, gọi là các đồng vị phóng xạ nhân tạo.
  • Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng trong sinh học, hoá học, y học…
  • Trong y học, người ta đưa các đồng vị khác nhau vào cơ thể để theo dõi sự xâm nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định trong cơ thể người. Đây là phương pháp nguyên tử đánh dấu, có thể dùng để theo dõi được tình trạng bệnh lí.
  • Trong ngành khảo cổ học, người ta sử dụng phương pháp cacbon \(_{6}^{14}\textrm{C}\), để xác định niên đại của các cổ vật.

Bài tập minh họa



Bài 1:

Xét hạt nhân \(_{Z_{1}}^{A_{1}}\textrm{X}\) có chu kỳ bán rã T phát ra tia phóng xạ C và biến thành hạt nhân \(_{Z_{2}}^{A_{2}}\textrm{Y}\). Ban đầu có m0 (g) chất X.

a. Tìm số hạt ban đầu và số hạt còn lại sau 3T của chất X?

b. Tìm số hạt và khối lượng Y tạo thành sau 4T?

c. Tìm tỉ số số hạt Y tạo thành và số hạt X còn lại sau 5T?

Hướng dẫn giải:

\(_{Z_{1}}^{A_{1}}\textrm{X} \rightarrow C + _{Z_{2}}^{A_{2}}\textrm{Y}\)

a. \(N_{0}=n_{0} \times N_{A}; \ N_{A}=6,02.10^{23} \ \frac{hat}{mot}\): Avôgadrô

\(\rightarrow N_{0}=\frac{m_{0}}{A_{1}} \times N_{A}\)

\(\rightarrow N=N_{0}.2^{-\frac{t}{T}}=N_{0}.2^{-\frac{3T}{T}}=N_{0}.2^{-3}=\frac{N_{0}}{8}\)

* Chú ý: \(N=n.N_{A}=\frac{V_{l(dkc)}}{22,4} \times N_{A}\)

b. \(N_{Y}=\Delta N_{X}= N_{0}(1-2^{-\frac{t}{T}})\)

\(\\ \rightarrow N_{Y}=N_{0}(1-2^{-4})=\frac{15}{16}N_{0} \\ \rightarrow m_{Y}=N_{Y}.\frac{A_{2}}{N_{A}}=\frac{15}{16}N_{0} . \frac{A_{2}}{N_{A}}\)

\(\Rightarrow m_{Y}=\frac{15}{16} \times \frac{m_{0}}{A_{1}} \times N_{A} \times \frac{A_{2}}{N_{A}}=\frac{15}{16}.m_{0}\frac{A_{2}}{A_{1}}\)

c. \(\frac{N_{Y}}{N_{X}}=\frac{\Delta N_{X}}{N_{X}}=\frac{N_{0}(1-2^{-\frac{t}{T}})}{N_{0}.2^{-\frac{t}{T}}}\)

\(\rightarrow \frac{N_{Y}}{N_{X}}=\frac{1-2^{-\frac{t}{T}}}{2^{-\frac{t}{T}}}= 2^{\frac{t}{T}} – 1\)

\(\rightarrow \frac{N_{Y}}{N_{X}}=2^5 -1 = 31\)

Bài 2:

Pôlôni \(_{84}^{210}\textrm{Po}\) là chất phóng xạ a tạo thành hạt nhân chì \(_{82}^{206}\textrm{Pb}\). Một mẫu \(_{84}^{210}\textrm{Po}\) ban đầu nguyên chất, sau 30 ngày thì tỉ số khối lượng của chì và pôlôni trong mẫu bằng 0,1595. Chu kỳ bán rã của Po bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Ta có:
\(\frac{m_{Pb}}{m_{Po}}=(2^{\frac{t}{T}}-1).\frac{206}{210}=0,1595\)
t = 30 ngày \(\Rightarrow T=138\) ngày