Hiện tượng phóng xạ là một trong những phát hiện nền tảng của vật lý hạt nhân, mở ra cánh cửa cho các ngành khoa học hiện đại như y học hạt nhân, năng lượng nguyên tử, và khảo cổ học bằng phương pháp đồng vị phóng xạ. Trong chương trình Vật lý 12, bài học này giúp ta hiểu rõ cơ chế phân rã hạt nhân, quy luật biến đổi số lượng hạt nhân phóng xạ theo thời gian và cách bảo đảm an toàn trước ảnh hưởng của bức xạ.
Quá trình này được gọi là phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân.
Không thể xác định khi nào một hạt nhân cụ thể sẽ phân rã. Tuy nhiên, khi xét một số lượng rất lớn hạt nhân, ta có thể xác định được quy luật trung bình về số hạt nhân phân rã theo thời gian.
Hiện tượng này tương tự như tung đồng xu: không biết mỗi lần sẽ ra mặt nào, nhưng nếu tung hàng triệu lần thì có thể dự đoán tần suất trung bình.
Mỗi loại có bản chất vật lý và khả năng xuyên thấu khác nhau.
a) Phóng xạ alpha (α)
Ví dụ: ${}{92}^{238}U \rightarrow {}{90}^{234}Th + {}_2^4He$
b) Phóng xạ beta (β)
Phóng xạ β có hai loại: β⁻ (electron) và β⁺ (positron).
Phương trình phân rã β⁺: ${}Z^AX \rightarrow {}{Z-1}^AY + {}_1^0e + \tilde{\nu}$
Trong đó, ${\tilde{\nu}}$ là hạt phản neutrino (hoặc neutrino), sinh ra trong quá trình phân rã để bảo toàn năng lượng.
c) Phóng xạ gamma (γ)
Sau khi phóng xạ α hoặc β, hạt nhân con đôi khi vẫn ở trạng thái kích thích, tức là có mức năng lượng cao hơn bình thường.
Để trở về trạng thái cơ bản, hạt nhân này phát ra bức xạ điện từ năng lượng cao, gọi là tia γ.
Tia γ thường đi kèm với quá trình phóng xạ α hoặc β.
Trong đó:
Nhận xét:
Hiện tượng phóng xạ giảm dần theo thời gian, nhưng không bao giờ triệt tiêu hoàn toàn – luôn còn một lượng nhỏ hạt nhân chưa phân rã.
Nó được định nghĩa là số hạt nhân phân rã trong một giây: $H = \lambda N$
Đơn vị đo độ phóng xạ:
Một số ảnh hưởng phổ biến:
Biển thường có biểu tượng ba cánh quạt màu vàng trên nền đen, cùng dòng chữ “CẢNH BÁO PHÓNG XẠ”.
Các biển này thường thấy ở:
Nếu tăng gấp đôi khoảng cách, liều phóng xạ giảm đi 4 lần.
Vì vậy, đứng càng xa nguồn phóng xạ càng tốt.
Hãy làm việc nhanh chóng, dưới sự giám sát chuyên môn, và tuân thủ quy trình bảo hộ.
I. Hiện tượng phóng xạ
1. Định nghĩa hiện tượng phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ là quá trình một hạt nhân không bền vững tự phát biến đổi thành một hạt nhân khác đồng thời phát ra các tia phóng xạ (gọi là tia α, β hoặc γ).Quá trình này được gọi là phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân.
- Hạt nhân mẹ: là hạt nhân ban đầu, không bền vững.
- Hạt nhân con: là hạt nhân được tạo ra, thường bền hơn.
- Đây là hiện tượng tự phát, không chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất hay trạng thái vật chất.
2. Tính ngẫu nhiên của phân rã phóng xạ
Một đặc điểm quan trọng của phóng xạ là tính ngẫu nhiên.Không thể xác định khi nào một hạt nhân cụ thể sẽ phân rã. Tuy nhiên, khi xét một số lượng rất lớn hạt nhân, ta có thể xác định được quy luật trung bình về số hạt nhân phân rã theo thời gian.
Hiện tượng này tương tự như tung đồng xu: không biết mỗi lần sẽ ra mặt nào, nhưng nếu tung hàng triệu lần thì có thể dự đoán tần suất trung bình.
3. Các dạng phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ được chia thành ba dạng chính: phóng xạ alpha (α), beta (β) và gamma (γ).Mỗi loại có bản chất vật lý và khả năng xuyên thấu khác nhau.
a) Phóng xạ alpha (α)
- Tia α là hạt nhân heli, ký hiệu ${}_2^4He$, gồm 2 proton và 2 neutron.
- Chúng có vận tốc khoảng $2 \times 10^7\text{ m/s}$.
- Tia α ion hóa mạnh, nhưng xuyên thấu yếu – chỉ đi được vài cm trong không khí và bị chặn lại bởi tờ giấy dày 1 mm.
Ví dụ: ${}{92}^{238}U \rightarrow {}{90}^{234}Th + {}_2^4He$
b) Phóng xạ beta (β)
Phóng xạ β có hai loại: β⁻ (electron) và β⁺ (positron).
- Tia β⁻ là electron có điện tích âm, ký hiệu ${}_{-1}^0e$.
- Tia β⁺ là positron (hạt phản electron) có điện tích dương, ký hiệu ${}_1^0e$.
- Các tia β di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, có khả năng xuyên thấu trung bình – đi qua được giấy, nhưng bị chặn bởi tấm nhôm dày 1 mm.
Phương trình phân rã β⁺: ${}Z^AX \rightarrow {}{Z-1}^AY + {}_1^0e + \tilde{\nu}$
Trong đó, ${\tilde{\nu}}$ là hạt phản neutrino (hoặc neutrino), sinh ra trong quá trình phân rã để bảo toàn năng lượng.
c) Phóng xạ gamma (γ)
Sau khi phóng xạ α hoặc β, hạt nhân con đôi khi vẫn ở trạng thái kích thích, tức là có mức năng lượng cao hơn bình thường.
Để trở về trạng thái cơ bản, hạt nhân này phát ra bức xạ điện từ năng lượng cao, gọi là tia γ.
- Tia γ có bản chất là sóng điện từ, bước sóng rất ngắn (< 10⁻¹¹ m).
- Có năng lượng lớn và khả năng xuyên thấu cực mạnh – chỉ bị chặn bởi chì dày ~10 cm hoặc bê tông dày hàng chục cm.
Tia γ thường đi kèm với quá trình phóng xạ α hoặc β.
II. Định luật phóng xạ và độ phóng xạ
1. Định luật phóng xạ
Sự giảm số hạt nhân phóng xạ theo thời gian tuân theo quy luật hàm mũ. Nếu ban đầu có ${N_0}$ hạt nhân, thì sau thời gian $t$ còn lại số hạt nhân chưa phân rã là: $N = N_0 e^{-\lambda t} = N_0 2^{-\frac{t}{T}}$Trong đó:
- $N$: số hạt nhân còn lại sau thời gian $t$
- $\lambda$: hằng số phóng xạ
- $T$: chu kỳ bán rã – thời gian để một nửa số hạt nhân phân rã
Nhận xét:
Hiện tượng phóng xạ giảm dần theo thời gian, nhưng không bao giờ triệt tiêu hoàn toàn – luôn còn một lượng nhỏ hạt nhân chưa phân rã.
2. Độ phóng xạ (hoạt độ phóng xạ)
Độ phóng xạ (H) đặc trưng cho mức độ mạnh yếu của một chất phóng xạ.Nó được định nghĩa là số hạt nhân phân rã trong một giây: $H = \lambda N$
Đơn vị đo độ phóng xạ:
- Becquerel (Bq): $1 \text{ Bq} = 1$ phân rã/s
- Curie (Ci): $1 \text{ Ci} = 3{,}7 \times 10^{10} \text{ Bq}$
III. Ảnh hưởng của tia phóng xạ và biển cảnh báo
1. Ảnh hưởng của tia phóng xạ
Các tia phóng xạ có năng lượng rất cao, có thể phá vỡ liên kết phân tử trong tế bào sống, gây ra biến đổi sinh học nghiêm trọng.Một số ảnh hưởng phổ biến:
- Bỏng phóng xạ: Xuất hiện khi tiếp xúc gần với nguồn phóng xạ mạnh trong thời gian ngắn.
- Nhiễm độc phóng xạ: Gây ra buồn nôn, nôn mửa, suy nhược thần kinh.
- Tác động lâu dài: Có thể gây ung thư, đột biến gen, ảnh hưởng di truyền.
- Y học: Dùng tia γ để tiêu diệt tế bào ung thư (xạ trị).
- Nông nghiệp: Tạo giống cây trồng mới bằng chiếu xạ.
- Công nghiệp: Dò khuyết tật vật liệu bằng tia γ.
- Khảo cổ: Xác định tuổi cổ vật bằng đồng vị ${}^{14}C$.
2. Biển cảnh báo phóng xạ
Ở những khu vực có nguồn phóng xạ, người ta đặt biển cảnh báo phóng xạ nhằm nhắc nhở nguy hiểm.Biển thường có biểu tượng ba cánh quạt màu vàng trên nền đen, cùng dòng chữ “CẢNH BÁO PHÓNG XẠ”.
Các biển này thường thấy ở:
- Trung tâm y học hạt nhân
- Phòng thí nghiệm nghiên cứu hạt nhân
- Nhà máy điện hạt nhân
- Kho lưu trữ chất thải phóng xạ
IV. Nguyên tắc an toàn phóng xạ
Để hạn chế tối đa nguy cơ nhiễm xạ, ta cần tuân thủ ba nguyên tắc vàng sau:1. Giữ khoảng cách an toàn
Cường độ phóng xạ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.Nếu tăng gấp đôi khoảng cách, liều phóng xạ giảm đi 4 lần.
Vì vậy, đứng càng xa nguồn phóng xạ càng tốt.
2. Sử dụng tấm chắn phù hợp
- Tia α: Bị chặn bởi giấy hoặc da.
- Tia β: Bị chặn bởi tấm nhôm mỏng.
- Tia γ: Cần dùng chì hoặc bê tông dày để chắn.
3. Giảm thời gian phơi nhiễm
Thời gian tiếp xúc càng lâu → liều hấp thụ càng cao.Hãy làm việc nhanh chóng, dưới sự giám sát chuyên môn, và tuân thủ quy trình bảo hộ.
Kết luận
Hiện tượng phóng xạ là quá trình tự nhiên quan trọng, giúp con người hiểu sâu hơn về cấu trúc vật chất và năng lượng trong hạt nhân. Tuy mang lại nhiều lợi ích khoa học – công nghệ, phóng xạ cũng tiềm ẩn nguy cơ lớn đối với sức khỏe và môi trường. Vì vậy, việc nắm vững kiến thức, tuân thủ quy tắc an toàn, và ứng dụng đúng mục đích là điều vô cùng cần thiết trong học tập cũng như trong thực tiễn.
Last edited by a moderator:
