Phóng xạ Beta - Vật lý 12

Khái niệm: Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững, đồng thời phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Trong đó, hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.

Đặc điểm:

- Có bản chất là một quá trình biến đổi hạt nhân.

- Có tính tự phát và không điều khiển được.

- Là một quá trình ngẫu nhiên.

Phóng xạ $\alpha$:

Hạt nhân mẹ $X$ phân rã thành hạt nhân con $Y$, đồng thời phát ra tia phóng xạ $\alpha$ theo phản ứng sau:

${}_Z{}^{A}X\underset{}{\to }{}_{Z-2}{}^{A-4}Y+{}_2{}^{4}He$

Tia $\alpha$ là dòng các hạt nhân ${}_2{}^{4}He$ chuyển động với tốc độ vào cỡ $20000km/s.$Quãng đường đi được của tia $\alpha$ trong không khí chừng vài centimeter và và trong vật rắn chừng vài micrometer.

Phóng xạ ${\beta }^{-}$:

Phóng xạ ${\beta }^{-}$là quá trình phát ra tia ${\beta }^{-}$. Tia ${\beta }^{-}$ là dòng các electron $\left({}_{-1}{}^{0}e\right)$. 

Thực chất trong phân rã ${\beta }^{-}$còn sinh ra một hạt sơ cấp (gọi là phản hạt neutrino).

Phóng xạ ${\beta }^{+}$:

Phóng xạ ${\beta }^{+}$là quá trình phát ra tia ${\beta }^{+}$. Tia ${\beta }^{+}$ là dòng các positron $\left({}_1{}^{0}e\right)$. Positron có điện tích $+e$ và khối lượng bằng khối lượng electron. Nó là phản hạt của electron.

Thực chất trong phân rã ${\beta }^{+}$còn sinh ra một hạt sơ cấp (gọi là hạt neutrino).

- Hai quá trình phóng xạ ${\beta }^{+}$ và ${\beta }^{-}$ phát ra các hạt ${}_{-1}{}^{0}e$ và ${}_1{}^{0}e$ chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng, tạo thành các tia ${\beta }^{+}$ và ${\beta }^{-}$. Các tia này có thể truyền đi được vài meter trong không khí và vài milimeter trong kim loại.

Phóng xạ $\gamma$:

Hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và phát ra bức xạ điện từ $\gamma$, còn gọi là tia $\gamma$. Các tia $\gamma$ có thể đi qua được vài meter trong bê tông và vài centimeter trong chì.

Tia $\gamma$ có khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều so với tia $\alpha , \beta .$

So sánh đặc điểm giữa tia $\alpha , \beta , \gamma$:

- Trong điện trường:

+ Tia $\alpha$ bị lệch về phía bản tụ dương.

+ Tia $\beta$ lệch nhiều hơn tia $\alpha$, trong đó tia ${\beta }^{-}$ lệch về phía bản tụ dương và tia ${\beta }^{+}$ lệch về phía bản tụ âm.

+ Tia $\gamma$ không bị lệch trong điện trường đều.

- Khả năng ion hóa:

+ Tia $\alpha$ > Tia $\beta$ > Tia $\gamma$

- Khả năng đâm xuyên:

+ Tia $\alpha$ < Tia $\beta$ < Tia $\gamma$

Khái niệm: Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn (hai hạt nhân trung bình), kèm theo một vài neutron phát ra. Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng, đồng thời cũng gây ô nhiễm môi trường (phóng xạ).

VD: ${}_0{}^{1}n + {}_{92}{}^{235}U \to {}_{92}{}^{236}U \to {}_{53}{}^{139}I + {}_{39}{}^{94}Y + 3\left({}_0{}^{1}n\right) +\gamma$

- Mỗi hạt nhân ${}_{92}{}^{235}U$ khi phân rã tỏa năng lượng khoảng $200 \left(MeV\right).$

- Một vài nhiên liệu cơ bản của công nghiệp năng lượng hạt nhân: ${}_{92}{}^{235}U, {}_{92}{}^{238}U, {}_{94}{}^{239}Pu$.

- Các sản phẩm của phân hạch là những hạt nhân chứa nhiều neutron và phóng xạ ${\beta }^{-}.$

- Là loại phản ứng thường dùng trong các nhà máy hạt nhân.

( Nhà máy Cattenom)

Sau mỗi quá trình tạo ra thêm 2 hạt neutron : gọi k là bội số phân hạch (hệ số ${}_0{}^{1}n$ sau phản ứng).

+ Khi k <1 đây là phản ứng phân hạch không duy trì.

+ Khi k=1 đây là phản ứng dây chuyền có diều khiển. Số neutron dư đã được hút ra bên ngoài bằng những thanh chì , Cadimi.Khi đó công suất năng lượng sinh ra ổn định.

+ Khi k > 1 đây là phản ứng dây chuyền không kiểm soát sinh ra một lượng rất lớn và nguy hiểm. Nguyên nhân chính gây ra vụ nổ hạt nhân.

Khối lượng tới hạn : là khối lượng cần thiết của nguyên liệu phóng xạ để phản ứng có thể xảy ra