Lý thuyết Hiện tượng phóng xạ - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Bài 17. 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 \(_2^4He\) 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.

\(_Z^AX \to \,_{Z - 2}^{A - 4}Y + \,_2^4He\)

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 (\(_{ - 1}^0e\)) và hạt positron(*) (\(_1^0e\)) 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^-: \(_Z^AX \to \,_{Z + 1}^AY + \,_{ - 1}^0e + \tilde \nu \)

Phóng xạ β⁺: \(_Z^AX \to \,_{Z - 1}^AY + \,_1^0e + \nu \)

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 \(_Z^AY\) 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: \(H = {H_0}{2^{ - \frac{t}{T}}} = {H_0}{e^{ - \lambda t}}\)

Sơ đồ tư duy về “Hiện tượng phóng xạ”