Bài 37: Phóng xạ

I. Hiện tượng phóng xạ

1. Định nghĩa hiện tượng phóng xạ

• Định nghĩa: phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững. 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. 
• Quy ước: hạt nhân phóng xạ là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành là hạt nhân con.

2. Các dạng phóng xạ

a. Phóng xạ \(\alpha\)

Hạt nhân mẹ phân rã tạo thành hạt nhân con, đồng thời phát ra tia phóng xạ \(\alpha\) với các đặc điểm:

• Tia \(\alpha\) là dòng các hạt nhân \(^4_2He\) chuyển động với tốc độ cỡ 20 000 km/s.
• Tia \(\alpha\) đi được vài cm trong không khí và vài \(\mu\)m trong vật rắn. 

b. Phóng xạ \(\beta^-\)

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

c. Phóng xạ \(\beta^+\)

Phóng xạ \(\beta^+\) là quá trình phát ra tia \(\beta^+\). Tia \(\beta^+\) là dòng các positron (\(^0_1e\)).

• Positron có điện tích \(+e\) và khối lượng bằng khối lượng của \(e\). Nó là phản hạt của electron.
• Tia \(\beta^+\) và \(\beta^-\) đều chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng \(c=3.10^8\) m/s.
• Các tia này đi được vài m trong không khí và vài mm trong kim loại.

d. Phóng xạ \(\gamma\)

Một số hạt nhân con sau quá trình phóng xạ \(\alpha,\beta^-,\beta^+\) được tạo ra trong trạng thái kích thích, do đó xảy ra tiếp quá trình hạt nhân đó chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và phát ra tia \(\gamma\).

• Tia \(\gamma\) là sóng điện từ có bước sóng ngắn (nhỏ hơn 10^-11 m).
• Tia \(\gamma\) đi được vài m trong bê tông và và cm trong chì.

II. Định luật phóng xạ

1. 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 
• Là một quá trình ngẫu nhiên

2. Định luật phóng xạ

Xét một mẫu phóng xạ ban đầu có \(N_0\) hạt nhân. Số hạt nhân còn lại chưa phóng xạ sau thời gian \(t\) là

  \(N (t) = N_0e^{-\lambda t}\) 

Ta thấy rằng số hạt nhân phóng xạ giảm theo hàm mũ. Quy luật này được biểu diễn bằng đồ thị sau.

Chu kì bán rã                             

Chu kì bán rã  \(T\) là đại lượng đặc trưng cho chất phóng xạ. Cứ sau khoảng thời gian \(T\) thì các hạt nhân còn lại là 50% (phân rã 50%).

Khi đó

\(N=\frac{N_0}{2}=N_0e^{-\lambda T}\)

Do vậy

                               \(T=\frac{ln2}{\lambda}=\frac{0,693}{\lambda}\)                                  

\(\lambda \) được gọi là hằng số phóng xạ, cũng đặc trưng cho từng loại chất phóng xạ.​

III. Đồng vị phóng xạ nhân tạo

Có hai loại đồng vị phóng xạ: 

• Đồng vị phóng xạ tự nhiên: có sẵn trong tự nhiên.
• Đồng vị phóng xạ nhân tạo: được sinh ra khi bắn phá các vật chất không phóng xạ bởi những hạt mang điện.

Các đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ.

Ví dụ: phương pháp định tuổi bằng đồng vị \(^{14}C\) cho phép xác định niên đại của một vật thể cổ nào đó, hay xác định thời gian từ lúc vật thể chết đi cho đến nay. Phương pháp này cho phép tính được các khoảng thời gian từ 5 đến 55 thế kỉ.