Mở đầu trang 111 Vật Lí 12: Năm 1896, nhà vật lí Henri Becquerel (Hen-ri Béc-co-ren) (1852 - 1908) đã phát hiện những vết đen xuất hiện trên các kính ảnh được bao bọc kĩ (Hình 17.1) khi chúng vô tình được đặt cạnh những lọ chứa muối uranium. Những nghiên cứu sau đó của Becquerel chỉ ra rằng những vết đen trên kính ảnh được gây ra bởi một bức xạ không nhìn thấy và chưa từng được biết đến trước đó. Becquerel đã đặt tên cho bức xạ này là tia phóng xạ và quá trình phát ra bức xạ là hiện tượng phóng xạ. Vậy hiện tượng phóng xạ có bản chất là gì và có những loại phóng xạ nào?

Lời giải:

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.

Các loại phóng xạ: phóng xạ α, phóng xạ β, phóng xạ γ.

Câu hỏi 1 trang 111 Vật Lí 12: So sánh hiện tượng phóng xạ và phân hạch hạt nhân.

Lời giải:

* Giống nhau: Quá trình phóng xạ và quá trình phân hạch đều là phản ứng hạt nhân và tỏa năng lượng

* Khác nhau:

- Quá trình phóng xạ là quá trình phân hủy tự phát của một hạt nhân không bền vững; Quá trình phân hạch tự phát xảy ra với xác suất rất nhỏ, đa số là các phản ứng phân hạch kích thích;

- Phản ứng phân hoạch có thể tạo ra phản ứng dây chuyền còn sự phóng xạ α không thể tạo ra phản ứng dây chuyền.

Câu hỏi 2 trang 113 Vật Lí 12: So sánh các tính chất vật lí của hạt electron và positron

Lời giải:

Hạt positron có cùng khối lượng, cùng độ lớn điện tích với electron nhưng mang điện tích nguyên tố dương.

Câu hỏi 3 trang 113 Vật Lí 12: Quan sát Hình 17.3, mô tả và giải thích về sự lệch hướng của các tia phóng xạ khi di chuyển trong điện trường đều. Giải thích vì sao tia β+ lệch nhiều hơn tia α.

Lời giải:

Các tia phóng xạ có sự lệch hướng do điện tích:

- Tia β- lệch về phái bản dương do mang điện tích âm;

- Tia β+ và tia α lệch về phái bản âm do mang điện tích dương;

- Tia γ không lệch hướng do không mang điện tích.

Tia β+ lệch nhiều hơn tia α vì: tia α là hạt nhân nguyên tử ${}_2^{4}He$, có khối lượng năng hơn nhiêu so với hạt β+

Vận dụng trang 113 Vật Lí 12: Tìm hiểu và trình bày một số ứng dụng của tia gamma trong đời sống.

Lời giải:

* Trong y học: Để có thể phá hủy được các tế bào ung thư não hay các chứng bệnh khác, các bác sĩ đã sử dụng đến “dao mổ Gamma”. Người ta sẽ sử dụng tập trung nhiều chùm tia bức xạ điện tử này vào các tế bào cần phá hủy. Do mỗi chùm tia tương đối nhỏ nên nó ít làm tổn hại đến các mô tế bào khỏe mạnh. Vì não là cơ quan phức tạp nên việc ứng dụng tia Gamma là một phương pháp an toàn, hạn chế các biến chứng. 

Ngoài ra chúng còn được ứng dụng để điều trị các bệnh liên quan đến khối u. Hay dị dạng mạch máu, các bệnh chức năng của não. Nó sẽ giúp các bác sĩ xác định chính xác các vị trí làm thương tổn. Từ đó giúp đem lại hiệu quả cao khi điều trị.

Câu hỏi 4 trang 114 Vật Lí 12: Quan sát Hình 17.4, xác định những thời điểm mà số hạt của chất phóng xạ đã giảm đi và còn lại một nửa, một phần tư và một phần tám so với số hạt ban đầu.

Lời giải:

Thời điểm số hạt giảm còn 1 nửa: T

Thời điểm số hạt giảm còn một phần tư: 2T

Thời điểm số hạt giảm còn một phần tám: 3T

Câu hỏi 5 trang 114 Vật Lí 12: Xác định đơn vị của hằng số phóng xạ $\lambda$. trong hệ SI.

Lời giải:

$\lambda =\frac{\ln 2}{T}=\frac{1}{s}=s^{-1}$

Câu hỏi 6 trang 115 Vật Lí 12: Tính độ phóng xạ của một mẫu ${}_{19}^{38}K$ biết khối lượng của mẫu chất đó tại thời điểm đang xét là 10 g. Cho chu kì bán rã của ${}_{19}^{38}K$ là 7,64 phút.

Lời giải:

Độ phóng xạ của một mẫu ${}_{19}^{38}K$là: $H=\lambda N_t=\frac{\ln 2}{T}.\frac{m_t}{M}.6,{022.10}^{23}=\frac{\ln 2}{7,64.60}.\frac{10}{38}.6,{022.10}^{23}=2,{4.10}^{20}Bq$

Luyện tập trang 116 Vật Lí 12: Tính hằng số phóng xạ của các đồng vị phóng xạ trong Bảng 17.1

Lời giải:

${\lambda }_C=\frac{\ln 2}{T}=\frac{\ln 2}{\mathrm{5730.365.24.60.60}}=3,{8.10}^{-12}{s}^{-1}$

${\lambda }_I=\frac{\ln 2}{T}=\frac{\ln 2}{8,\mathrm{02.24.60.60}}=0,{1.10}^{-5}{s}^{-1}$

${\lambda }_{Po}=\frac{\ln 2}{T}=\frac{\ln 2}{138,\mathrm{4.24.60.60}}=5,{7.10}^{-8}{s}^{-1}$

${\lambda }_{Rn}=\frac{\ln 2}{T}=\frac{\ln 2}{3,98}=0,174s^{-1}$
${\lambda }_{Ra}=\frac{\ln 2}{T}=\frac{\ln 2}{\mathrm{1600.365.24.60.60}}=13,{7.10}^{-12}{s}^{-1}$

${\lambda }_U=\frac{\ln 2}{T}=\frac{\ln 2}{7,{04.10}^8.365.24.60.60}=3,{122.10}^{-23}{s}^{-1}$

Vận dụng trang 116 Vật Lí 12: Trình bày sơ lược về việc ứng dụng định luật phóng xạ để xác định tuổi của mẫu vật.

Lời giải:

Việc xác định tuổi của mẫu vật bằng định luật phóng xạ có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như:

- Khảo cổ học: Xác định tuổi của các di vật khảo cổ, such as đồ gốm, công cụ đá, hóa thạch.

- Địa chất học: Xác định tuổi của các loại đá và khoáng chất, nghiên cứu lịch sử địa chất Trái Đất.

- Sinh học: Xác định tuổi của các mẫu vật sinh học, nghiên cứu quá trình tiến hóa.

- Khoa học pháp y: Xác định tuổi của các thi thể, hỗ trợ điều tra phá án.

Hạn chế:

Việc xác định tuổi của mẫu vật bằng định luật phóng xạ cũng có một số hạn chế

- Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào độ chính xác của các phép đo lường và sự hiểu biết về hằng số phóng xạ của đồng vị phóng xạ được sử dụng.

- Phương pháp này chỉ áp dụng cho các mẫu vật có chứa đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã phù hợp.

- Một số yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến kết quả đo lường, ví dụ sự ô nhiễm phóng xạ.

Bài tập

Bài 1 trang 116 Vật Lí 12: Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng

A. một hạt nhân biến đối thành một hạt nhân khác khi hấp thụ một neutron.

B. một hạt nhân không bền vững tự phát phân rã thành các hạt nhân khác và phát ra các tia phóng xạ

C. có thể được kiểm soát bằng cách đặt hạt nhân phóng xạ vào vùng không gian có điện trường hoặc từ trường.

D. một hạt nhân phát ra các tia phóng xạ khi bị bắn phá bởi các hạt có động năng lớn.

Lời giải:

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.

Đáp án B

Bài 2 trang 116 Vật Lí 12: Tia có khả năng đâm xuyên mạnh nhất là

A. tia α.

B. tia β+.

C. tia β-.

D. tia γ

Lời giải:

Tia có khả năng đâm xuyên mạnh nhất là tia γ

Đáp án D

Bài 3 trang 116 Vật Lí 12: Xác định các hạt nhân ${}_Z^{A}X$ trong các phương trình phân rã sau:

a) ${}_{92}^{238}U\to {}_Z^{A}X+{}_2^{4}He$

b) ${}_{84}^{210}Po\to {}_{82}^{206}Pb+{}_Z^{A}X$

c) ${}_{58}^{132}Ce\to {}_Z^{A}X+{}_1^{0}e+{\nu }_e$

d) ${}_{54}^{135}Xe\to {}_Z^{A}X+{}_{-1}^{0}e+\overline{{\nu }_e}$

Lời giải:

a) ${}_{92}^{238}U\to {}_{90}^{234}Th+{}_2^{4}He$

b) ${}_{84}^{210}Po\to {}_{82}^{206}Pb+{}_2^{4}He$

c) ${}_{58}^{132}Ce\to {}_{57}^{132}La+{}_1^{0}e+{\nu }_e$

d) ${}_{54}^{135}Xe\to {}_{55}^{135}Cs+{}_{-1}^{0}e+\overline{{\nu }_e}$

Bài 4 trang 116 Vật Lí 12: Một mẫu chất phóng xạ có hằng số phóng xạ $\lambda$ = 0,1 s^-1, ban đầu chứa 5.10¹² hạt nhân chưa phân rã. Hãy xác định số hạt nhân phóng xạ đã phân rã và độ phóng xạ sau 30 giây kể từ lúc ban đầu

Lời giải:

Số hạt nhân phóng xạ còn lại là: $N_t=N_0.e^{-\lambda t}={5.10}^{12}.e^{-0,1.30}=2,{49.10}^{11}$hạt

Số hạt nhân phóng xạ đã phân rã là: ∆N_t = N₀ - N_t = 5.10¹² - 2,49.10¹¹ = 4,75.10¹² (hạt)

Độ phóng xạ sau 30 giây là: H_t = $\lambda$.N_t = 0,1.2,49.10¹¹ = 2,49.10¹⁰ (Bq)

Bài 5 trang 116 Vật Lí 12: Ta có thể xác định tuổi của các mẫu vật thông qua việc đo hoạt độ phóng xạ của đồng vị ${}_6^{14}C$ bên trong nó. Hãy xác định tuổi của một mẫu gỗ hóa thạch nếu tỉ số hoạt độ phóng xạ của đồng vị ${}_6^{14}C$ trong mẫu gỗ hóa thạch và trong một mẫu gỗ tươi có cùng khối lượng bằng 0,63.

Lời giải:

$\frac{H_t}{H_0}=0,63\Rightarrow \frac{N_t}{N_0}=0,63\Rightarrow \frac{m_t}{m_0}=0,63\Rightarrow \frac{m_0{.2}^{-\frac{t}{T}}}{m_0}=0,63$

$\Rightarrow 2^{-\frac{t}{T}}=0,63\Rightarrow 2^{-\frac{t}{5730}}=0,63\Rightarrow t=3819,5$ (năm)

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