PHÓNG XẠ

BÀI 37. PHÓNG XẠ

I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Định nghĩa hiện tượng phóng xạ

Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). 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.

2. Các dạng phóng xạ

+ Phóng xạ \(\alpha :{}_{Z}^{A}X\xrightarrow{\alpha }{}_{Z-2}^{A-4}Y\,\left( \alpha :{}_{2}^{4}He \right)\)

Tia α là dòng các hạt nhân \({}_{2}^{4}He\) chuyển động với tốc độ vào cỡ 20000 km/s. Quãng đường đi được của tia α trong không khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micrômét.

+ Phóng xạ \({{\beta }^{-}}:{}_{Z}^{A}X\xrightarrow{{{\beta }^{-}}}{}_{Z+1}^{A}Y\,\left( {{\beta }^{-}}:{}_{-1}^{0}e \right)\)

Tia β- là dòng các êclectron \({}_{-1}^{0}e\) chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Tia này có thể truyền đi được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại.

+ Phóng xạ \({{\beta }^{+}}:{}_{Z}^{A}X\xrightarrow{{{\beta }^{+}}}{}_{Z-1}^{A}Y\,\left( {{\beta }^{+}}:{}_{1}^{0}e \right)\)

Tia β+ là dòng các pôzitrôn \({}_{+1}^{0}e\) (là phản hạt của êlectrôn) chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Tia này có thể truyền đi được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại.

+ Phóng xạ γ : Hạt nhân con từ trạng thái kích thích năng lượng thấp phát bức xạ điện từ γ còn gọi là tia γ có tính đâm xuyên rất lớn.

3. Định luật phóng xạ

a) Đặc tính của quá trình phóng xạ

+ Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân

+ Có tính tự phát và không điều khiển được, nó không chịu tác động của các yếu tố thuộc môi trường ngoài như nhiệt độ, áp suất …

+ Là một quá trình ngẫu nhiên: với một hạt nhân phóng xạ cho trước, thời điểm phân rã của nó là không xác định. Ta chỉ có thể nói đến xác suất phân rã của hạt nhân đó.

b) Định luật phóng xạ

+ Nội dung: Số hạt nhân phân rã của một nguồn giảm theo quy luật hàm số mũ \(N={{N}_{0}}.{{e}^{-\lambda t}}\)

với \(\lambda\) là hằng số phóng xạ và T là chu kì bán rã.

+ Chu kì bán rã là một đại lượng đặc trung cho chất phóng xạ, đó là thời gian qua đó số lượng các hạt nhân còn lại là 50% (nghĩa là phân rã 50%)

Công thức: \(T=\frac{\ln 2}{\lambda }=\frac{0,693}{\lambda }\cdot\)

4. Đồng vị phóng xạ nhân tạo

Ngoài các đồng vị phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, người ta cũng chế tạo được nhiều đồng vị phóng xạ gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo. Các đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ.

+ Phóng xạ nhân tạo và phương pháp nguyên tử đánh dấu: Bằng phương pháp tạo ra phóng xạ nhân tạo, người ta đã tạo ra các hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố X bình thường, không phải là chất phóng xạ theo sơ đồ tổng quát sau: \({}_{Z}^{A}X+{}_{0}^{1}n\to {}_{Z}^{A+1}X\)

\({}_{Z}^{A+1}X \) là đồng vị phóng xạ của X. Khi trộn lẫn với các hạt nhân bình thường không phóng xạ, các hạt nhân phóng xạ \({}_{Z}^{A+1}X\) được gọi là các nguyên tử đánh dấu, cho phép ta khảo sát sự tồn tại, sự phân bố, sự vận chuyển của nguyên tố X. Phương pháp nguyên tử đánh dấu có nhiều ứng dụng quan trọng trong sinh học, hóa học, y học …

+ Đồng vị 14C, đồng hồ của Trái Đất: \({}_{6}^{14}C\) là một đồng vị phóng xạ β-, có chu kì bán rã là 5730 năm.

Trong khí quyển có cacbon điôxít: trong số các hạt nhân cacbon ở đây có lẫn của \({}_{6}^{12}C\) và \({}_{6}^{14}C\) (tỉ lệ không đổi: \({}_{6}^{14}C\) chiếm 10-6 %).

Các loài thực vật hấp thụ CO2 trong không khí, khi đó có cacbon thường và cacbon phóng xạ với tỉ lệ 10-6 %. Khi loài thực vật ấy chết, không còn hấp thụ CO2 trong không khí và \({}_{6}^{14}C\) không còn tái sinh trong thực vật đó nữa. Và vì \({}_{6}^{14}C\) phóng xạ, nên số lượng \({}_{6}^{14}C\) giảm dần trong thực vật đó, nói cách khác tỉ lệ \(\frac{{}_{6}^{14}C}{{}_{6}^{12}C}\) trong loài thực vật đang xét giảm đi so với tỉ lệ đó trong không khí. So sánh hai tỉ lệ đó cho phép ta các định thời gian từ lúc loài thực vật đó chết cho đến này. Phương pháp này cho phép tính được các khoảng thời gian từ 5 đến 55 thế kỉ.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Dạng 1. Vận dụng định luật phóng xạ hạt nhân

− Vận dụng công thức biểu diễn định luật phân rã phóng xạ: \(N={{N}_{0}}.{{e}^{-\lambda t}}={{N}_{0}}{{.2}^{-\frac{t}{T}}}\)

Trong đó: N; N0 lần lượt là số hạt nhân ở thời điểm t và thời điểm t = 0.

λ : là hằng số phóng xạ

\(  T=\frac{\ln 2}{\lambda }=\frac{0,693}{\lambda }\) là chu kì bán rã.

− Số hạt nhân bị phân rã ở thời điểm t: \(\Delta N={{N}_{0}}-N={{N}_{0}}\left( 1-{{e}^{-\lambda t}} \right)={{N}_{0}}\left( 1-{{2}^{-\frac{t}{T}}} \right)\)

− Khối lượng hạt nhân còn lại ở thời điểm t: \(m={{m}_{0}}.{{e}^{-\lambda t}}={{m}_{0}}{{.2}^{-\frac{t}{T}}}\)

III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 191 SGK Vật lí 12):

Chứng minh rằng, sau thời gian t = xT thì số hạt nhân phóng xạ còn lại là \(N=\frac{{{N}_{0}}}{{{2}^{x}}}\)

Trả lời:

Theo định luật phân rã phóng xạ, số hạt nhân còn lại tại thời điểm t là: N = N0.e-λt

Với \(\lambda =\frac{\ln 2}{T}\Rightarrow N={{N}_{0}}.{{e}^{-\frac{\ln 2}{T}.t}}={{N}_{0}}.{{e}^{\ln {{2}^{-\,\frac{t}{T}}}}}={{N}_{0}}{{.2}^{-\frac{t}{T}}}\)

Sau thời gian t = x.T, số hạt nhân phóng xạ còn lại là:

\(N={{N}_{0}}{{.2}^{-\frac{xT}{T}}}={{N}_{0}}{{.2}^{-x}}=\frac{{{N}_{0}}}{{{2}^{x}}}\)

Bài 1 (trang 194 SGK Vật Lí 12):

Một hạt nhân \({}_{Z}^{A}X\) phóng xạ α, β−, β+, γ hãy hoàn chỉnh bảng sau:

Lời giải:

Bài 2 (trang 194 SGK Vật Lí 12):

Chọn câu đúng.

Quá trình phóng xạ hạt nhân.

A. thu năng lượng. B. tỏa năng lượng.

C. không thu, không tỏa năng lượng. D. có trường hợp thu, có trường hợp tỏa năng lượng.

Lời giải: Chọn B.

Trong phản ứng toả năng lượng các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn. Các hiện tượng: phóng xạ, phân hạnh, nhiệt hạch luôn là phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

Bài 3 (trang 194 SGK Vật Lí 12):

Trong số các tia: α, β–, β+, γ tia nào đâm xuyên mạnh nhất? Tia nào đâm xuyên yếu nhất?

Lời giải:

– Khả năng đâm xuyên tia γ là mạnh nhất vì bước sóng ngắn nhất, năng lượng lớn nhất.

– Khả năng đâm xuyên tia α là yếu nhất vì bước sóng dài nhất, năng lượng nhỏ nhất.

Bài 4 (trang 194 SGK Vật Lí 12):

Quá trình phóng xạ nào không có sự thay đổi cấu tạo hạt nhân?

A. Phóng xạ α. B. Phóng xạ β–. C. Phóng xạ β+. D. Phóng xạ γ.

Lời giải: Chọn D.

Trong phóng xạ γ, tia γ có bản chất là sóng điện từ nên không có sự biến đổi hạt nhân.

Bài 5 (trang 194 SGK Vật Lí 12):

Hãy chọn câu đúng.

Trong quá trình phóng xạ, số lượng hạt phân hủy giảm đi vào thời gian t theo quy luật

A. –αt + b (α, b > 0). B. \(\frac{1}{t}\cdot\) C. \(\frac{1}{\sqrt{t}}\cdot\) D. e-λt.

Lời giải: Chọn D.

Số lượng hạt nhân giảm theo hàm mũ: N = N0.e-λt

Hy vọng bài giảng "Phóng xạ" giúp các em nắm được những công thức cần thiết để làm bài tập phản ứng phóng xạ.