Các nguồn phóng xạ tự nhiên

Bộ Giáo dục và Đào tạo Trường Đại học Sư phạm Tp.HCM TIỂU LUẬN VẬT LÝ Đề Tài: Tp. Hồ Chí Minh 2010 MỤC LỤC Nguồn phóng xạ được chia thành hai loại, gồm nguồn phóng xạ tự nhiên (natural radioactive source) và nguồn phóng xạ nhân tạo (artificial radioactive source). Nguồn phóng xạ tự nhiên, mà người ta thường gọi là phông phóng xạ tự nhiên, là các chất đồng vị phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước và trong bầu khí quyển. Còn nguồn phóng xạ nhân tạo do người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. Phân bố các nguồn phóng xạ tự nhiên: Các nhân phóng xạ trong vỏ trái đất Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình thành. Năm 1896 nhà bác học người Pháp Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là uranium và con cháu của nó. Đến nay người ta biết các chất phóng xạ trên trái đất gồm các nguyên tố uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng một số nguyên tố phóng xạ khác. Uranium, thorium và con cháu của chúng tạo nên 3 họ phóng xạ cơ bản là họ thorium (Th232), uranium (U238) và actinium (U235) (các bảng 3.1,3.3 và 3.4 tương ứng). Tất cả các thành viên của các họ này, trừ thành viên cuối cùng đều là các đồng vị phóng xạ. Uranium gồm 3 đồng vị khác nhau: khoảng 99,3% uranium thiên nhiên là U238, khoảng 0,7% là U235 và khoảng 5.10-3% là U234. U238 và U234 thuộc cùng một họ, gọi là họ uranium, còn U235 là thành viên đầu tiên của một họ khác, gọi là actinium. Th232 là thành viên đầu tiên của họ thorium. Họ phóng xạ thứ tư là họ phóng xạ nhân tạo, được gọi là học neptunium (bảng 3.2). Ba họ phóng xạ tự nhiên có đặc điểm chung là thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu, với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. Lý do dễ hiểu vì nếu xét thời gian từ khi vũ trụ hình thành thì các đồng vị sống tương đối ngắn bị phân rã trong một vài tỉ năm tồn tại của trái đất. Điều này được minh họa bằng họ phóng xạ nhân tạo neptunium, trong đó thành viên thứ nhất là nguyên tố siêu uranium Pu241, được sinh ra khi chiếu Pu239 trong trường neutron. Thời gian bán rã của Pu341 là 13 năm, do đó một thế kỷ cũng đủ để đồng vị này rã hết. Ngay cả thành viên sống dài nhất, là Np237 với thời gian bán rã 2,2.106 năm, cũng là đủ ngắn để nó phân rã hết nếu nó được sinh ra cùng thời với các nguyên tố khác của trái đất. Đặc điểm chung thứ hai của ba họ phóng xạ tự nhiên là mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon. Trong trường hợp họ uranium, khí 86Rn222 được gọi là radon, trong họ thorium, khí 86Rn220 được gọi là thoron, còn trong họ actinium khí 86Rn219 được gọi là actinon. Chú ý rằng trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ . Sự có mặt của các khí phóng xạ trong ba họ phóng xạ tự nhiên là một trong các lý do chính gây nên phông phóng xạ tự nhiên của môi trường. Trong ba loại khí phóng xạ thì radon đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có thời gian bán rã 3,825 ngày lớn hơn nhiều so với thời gian bán rã của thoron (52s) và actinon (3,92s). khí radon khuếch tán từ trái đất vào không khí và các con cháu radon phóng xạ, thường ở dạng rắn trong các điều kiện thông thường, bám vào các hạt bụi khí quyển. Đứng về phương diện an toàn bức xạ, sự chiếu ngoài cùa radon và con cháu nó lên người không tác hại bằng sự chiếu trong cơ thể khi con người hít thở bụi có các nhân phóng xạ bám vào vì chúng là các nhân phát hạt alpha. Hàm lượng radon trong không khí phụ thuộc vào hàm lượng uranium trong đất, do đó ở các vùng mỏ quặng uranium cần phải lưu ý ành hưởng của bụi khí phóng xạ lên sức khỏe con người. Ngoài ra, trong điều kiện tự nhiên hàm lượng radon trong nhà cao hơn ngoài trời vài ba lần, do đó cần kiểm tra liều bức xạ trong nhà do radon gây ra. Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alphaa Beta Gammab 90 Th 232 1,39.1010 năm 3,98 88 Ra 228 (MsTh1) 6,7 năm 0,01 89 Ac 228 (MsTh2) 6,13 h Sơ đồ phân rã phức tạpNhóm beta cường độ cao nhất là 1,11 MeV 1,59(0,03)0,966(0,2)0,908(0,25) 90 Th 228 (RdTh) 1,91 năm 5,421 88 Ra 224 (ThX) 3,64 ngày 5,681 0,084 (0,016) 36 Rn 220 (Tn) 52 s 6,278 0,241 (0,038) 84 Po 216 (ThA) 0,158 s 6,774 0,542 (0,0002) 82 Pb 212 (ThB) 10,64 h 0,35; 0,59 0,239 (0,40) 83 Bi 212 (ThC) 60,5 phút 6,086(33,7%)c 2,25 (66,3%)c 0,04 nhánh 0,034) 84 Po 212 (ThC’) 3,04.10-7 s 8,776 81 Tl 208 (ThC”) 3,1 phút 1,80; 1,29; 1,52 2,615 (0,997) 82 Pb 208 (ThD) Bền Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Bảng 3.2: Họ neptunium (4n + 1)a Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alphab Beta Gammac 94 Th 228 13,2 năm 0,02 95 Am 241 462 năm 5,496 0,060 (0,4) 93 Np 237 2,2.106 năm 4,77 91 Pa 233 27,4 ngày 0,26; 0,15; 0,57 0,31 (rất mạnh) 92 U 233 1,62.105 năm 4,823 0,09 (0,02) 0,056 (0,02) 0,042 (0,15) 90 Th 229 7,34.103 năm 5,02 90 Ra 225 14,8 ngày 0,32 89 Ac 225 10,0 ngày 5,80 89 Fr 221 4,8 phút 6,30 0,216 (1) 85 At 217 0,018 s 7,02 83 Bi 213 47 phút 5,86 (2%)d 1,39 (98%)d 84 Po 213 4,2.10-6 s 8,336 81 Tl 209 2,2 phút 2,3 0,12 (yếu)e 82 Pb 209 3,32 h 0,635 83 Bi 209 Bền Chú thích: a. Họ này không tồn tại trong tự nhiên mà được sản xuất nhân tạo; b. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; c. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; d. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn; e. Không biết cường độ chính xác. Bảng 3.3: Họ uranium (4n + 2) Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng(MeV) Alphaa Beta Gammab 92 U 238 4,51 năm 4,18 90 Th 234 (UX2) 24,10 ngày 0,193; 0,103 0,092 (0,04) 0,063 (0,03) 91 Pa 234m (UX2) 1,175 phút 2,31 1,0 (0,015) 0,76 (0,0063) Biến đổi nội 91 Pa 234 (UZ) 6,66 h 0,5 Rất yếu 92 U 234 (UII) 2,48.105 năm 4,763 90 Th 230 (Io) 8,0.104 năm 4,685 0,068 ( 0,0059) 88 Ra 226 1.622 năm 4,777 86 Rn 222 (Rn) 3,825 ngày 5,486 0,51 (rất yếu) 84 Po 218 (RaA) 3,05 phút 5,998 (99,978%)c Không biết năng lượng (0,022%)c 0,186 (0,030) 85 At 218 (RaA’) 2 s 6,63 (99,9%)c Không biết năng lượng (0,1%)c 86 Rn 218 (RaA”) 0,019 s 7,127 82 Pb 214 (RaA”) 26,8 phút 0,65 0,352 (0,036) 0,295 (0,020) 0,242 (0,07) 83 Bi 214 (RaC) 19,7 phút 5,505 (0,04%)c 1,65; 3,7 (99,96%)c 0,609 (0,295) 1,12 (0,131) 84 Po 214 (RaC’) 1,64.10-4 s 7,680 81 Tl 210 (RaC”) 1,32 phút 1,96 2,31 (1) 0,783 (1) 0,297 (1) 82 Pb 210 (RaD) 19,4 năm 0,0017 0,0467 (0,045) 83 Bi 210 (RaE) 5,00 ngày 1,17 84 Po 210 (RaF) 138,40 ngày 5,298 0,802 (0,000012) 82 Pb 206 (RaG) Bền Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Đặc điểm thứ ba của ba họ phóng xạ tự nhiên là sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ đều là chì: Pb206 trong họ uranium, Pb207 trong họ actinium và Pb208 trong họ thorium.Trong khi đó thành viên cuối củng trong họ neptunium là Bi209. Bốn họ phóng xạ nêu trên thường được ký hiệu là các họ 4n, 4n+1, 4n+2 và 4n+3, do phép chia cho 4 còn dư của số khối lượng các thành viên của chúng. Họ thorium bắt đầu bằng đồng vị Th232, có số khối lượng A=232, được chia tròn cho 4. Do các phân rã trong họ này đều thực hiện bằng cách phóng các hạt alpha, có số khối lượng bằng 4 hoặc các hạt beta có số khối lượng bằng 0 nên số khối lượng của tất cả các thành viên trong họ thorium cũng chia hết cho 4. Do đó họ thorium gọi là họ 4n. Cũng lập luận tương tự, họ uranium gọi là họ 4n+2 do số khối lượng của U238 và các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 2, và họ actinium là họ 4n+3 do số khối lượng của U235 va các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 3. Một họ còn thiếu đó là họ neptunium, gọi là họ 4n+1, có số khối lượng của Pu241 và các con cháu của nó chia cho 4 còn dư 1. Bảng 3.4: họ actinium (4n+3) Hạt nhân Thời gian bán rã Năng lượng (MeV) Alphaa Belta Gammab 92U235 7,13.108 năm 4,39 0,18(0.7) 90Th 231 25,64 h 0,094; 0,302; 0,216 0,022 (0,7) 0,0085 (0,4) 0,061 (0,16) 91Pa231 3,43.104 năm 5,049 0,33 (0,05) 0,027 (0,05) 0,012 (0,01) 89Ac227 21,8 năm 4,94 (1,2%)a 0,0455 (98,8%)c 90Th 227 (RdAc) 18,4 ngày 6,03 0,24 (0,2) 0,05 (0,15) 87Fr223 (AcK) 21 phút 1,15 0,05 (0,40) 0,08 (0,24) 88Ra223 (AcX) 11,68 ngày 5,750 0,270 (0,10) 0,155 (0,055) 86Rn219 (An) 3,92s 6,824 0,267 ( 0,086) 0,392 (0,048) 84Po215 1,83.10-3s 7,635 82Pb211 36,1 phút 1,14; 0,5 Phổ phức tạp, 0,065 đến 0,829 MeV 83Bi211 (AcC) 2,16 phút 6,619 (99,68%)c Không biết năng lượng (0,32%)c 0,35 (0,14) 84Po211 (AcC’) 0,52 s 7,434 0,88 (0,005) 0,56 (0,005) 81TI207 (AcC’’) 4,78 phút 1,47 0,87 ( 0,005) 82Pb207 Bền Chú thích: a. Chỉ ghi hạt alpha năng lượng cao nhất; b. Chỉ ghi các tia gamma chính nhất; c. Số phần trăm trong các dấu ngoặc đơn cho biết phần phân rã theo loại được chỉ dẫn. Ngoài các đồng vị phóng xạ trong ba họ thorium, uranium và actinium, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng 3.5. Bảng 3.5 Các đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp Hạt nhân Độ giàu đồng vị (%) Thời gian bán rã ( năm) Các bức xạ chính Các hạt (MeV) Gamma K40 0,0119 1,3.109 1,35 1,46 MeV Rb87 27,85 5,0.1010 0,275 Không có La138 0,089 1,1.1011 1,0 0,80; 1,43 MeV Sm147 15,07 1,3.1011 2,18 Không có Lu176 2,6 3,0.1010 0,43 0,20; 0,31 MeV Re137 62,93 5,0.1010 0,043 Không có Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K40 , rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng potassium trung bình trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương khoảng 380mg/lít), trong thực vật, động vật, cơ thể con người (hàm lượng potassium trung bình trong cơ thể người vào khoảng 1,7g/kg). Đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là C14 với thời gian bán rã 5600 năm. Nó không phải là đồng vị “tự nhiên” như các đồng vị sống dài nêu trên mà là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân N14. Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của C14 trong khí quyển vào khoảng 1,5.1011 MBq (4MCi), trong thực vật vào khoảng 4,8.1011 MBq (13MCi) và trong đại dương vào khoảng 9.1012 MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng C14. Tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân cho đến năm 1960 đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.10 MBq (3MCi). Carbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí C14O2 do đó chúng được các con vật hít vào và cây cối hấp thụ trong quá trình quang hợp. Vì chỉ có các thực vật còn sống mới hấp thụ C14 cùng với carbon không phóng xạ nên có thể xác định tuổi thực vật bằng cách đo hoạt độ riêng của carbon hiện tại. Nếu giả thiết rằng tốc độ sinh C14, cũng như nồng độ của nó trong không khí, không đổi trong suốt vài chục nghìn năm trở lại đây, thì có thể đánh giá được tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ theo các số liệu đo hoạt độ riêng C14 của chúng Các tia vũ trụ: Các bức xạ proton, alpha, … năng lượng cao rơi vào khí quyển Trái Đất từ không gian bên ngoài gọi là các tia vũ trụ. Tia vũ trụ có năng lượng cỡ từ hàng chục MeV đến 1020 eV hay cao hơn. Trên đường đi đến mặt đất, tia vũ trụ xuyên qua lớp vật chất dày khoảng 103 g/cm2 của khí quyển và do tương tác với vật chất nên hình thành các bức xạ khác với tia vũ trụ nguyên thủy. Tia vũ trụ nguyên thủy gọi là tia vũ trụ sơ cấp còn bức xạ sinh ra do vũ trụ sơ cấp tương tác với bầu khí quyển gọi là tia vũ trụ thứ cấp. Các tia vũ trụ sơ cấp: Thành phần các tia vũ trụ sơ cấp: Các tia vũ trụ sơ cấp gồm hai thành phần là thành phần thiên hà, chúng được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa Trái Đất, và thành phần Mặt Trời, sinh ra từ các vụ nổ Mặt Trời. Thành phần thiên hà gồm 79% các proton năng lượng cao, 20% các hạt alpha và các hạt ion nặng hơn, phần còn lại là các electron, photon, neutron,… Thành phần Mặt Trời gồm các proton và hạt alpha với năng lượng tương đối thấp, vào khoảng 400 MeV và có cường độ rất lớn 106 – 107 hạt/cm2.s. Cũng có những trường hợp đặc biệt, chúng có năng lượng một vài GeV. Các tia vũ trụ sơ cấp đẳng hướng và không đổi theo thời gian với cường độ khoảng 2-4 hạt/cm2.s. Các tia vũ trụ sơ cấp được chia thành các nhóm như sau: Nhóm p gồm proton, deutron và triton; nhóm gồm alpha và 2He3 ; nhóm các hạt nhân nhẹ gồm lithium, beryllium và boron (Z = 3-5); nhóm các hạt nhân trung bình gồm carbon, oxygen, nitrogen và flourine (Z = 6-9); nhóm các hạt nhân nặng gồm các hạt nhân với Z10; nhóm các hạt nhân rất nặng gồm các hạt nhân với Z20 và nhóm các hạt nhân siêu nặng gồm các hạt nhân với Z30. Các tính chất của các nhóm tia vũ trụ sơ cấp được trình bày ở dưới đây: Thành phần hóa học của các tia vũ trụ sơ cấp. N/Nnặng là tỉ số giữa số hạt của nhóm xem xét so với số hạt của nhóm hạt nhân nặng. Hai cột cuối cùng ứng với các số liệu thực nghiện khác nhau. Nhóm hạt nhân Z N/Nnặng trong tia vũ trụ sơ cấp Giá trị trung bình của N/Nnặng trong vũ trụ p Nhẹ Trung bình Nặng Rất nặng Siêu nặng 1 2 3-5 6-9 Z10 Z20 Z30 650 47 1,0 3,3 1,0 0,26 0,3.10-4 3360 258 10-5 2,64 1 0,06 0,6.10-5 6830 1040 10-5 10,1 1 0,05 Từ bảng trên, ta thấy rằng các tia vũ trụ sơ cấp, cũng giống như tất cả vật chất nói chung, chủ yếu gồm các hạt proton và alpha, nhưng trong vật chất vũ trụ số hạt proton và alpha gấp 3600 đến 8000 lần lớn hơn số hạt nhân nặng, trong lúc tỉ số này đối với tia vũ trụ chỉ vào khoảng 700. Tuy nhiên, ngược lại, thành phần các hạt nhân rất nặng và đặc biệt các hạt nhân nhẹ trong tia vũ trụ lớn hơn rất nhiều so với trong vật chất vũ trụ. Ảnh hưởng của từ trường Trái Đất lên tia vũ trụ sơ cấp: Từ trường Trái Đất và từ trường trong không gian giữa các hành tinh có ảnh hưởng đến tia vũ trụ sơ cấp. Ta hãy xét ảnh hưởng của từ trường Trái Đất. Thứ nhất, từ trường Trái Đất cản trở các hạt năng lượng thấp đi vào Trái Đất. Chẳng hạn, một hạt proton chuyển động trong lưỡng cực từ của Trái Đất thì động lượng tối thiểu của nó bằng pmin để có thể bay vào khí quyển dưới góc so với vĩ tuyến địa từ được xác định bởi công thức: Ở vĩ tuyến = 00 , tức là ở xích đạo, động lượng tối thiểu của proton bay vào bầu khí quyển bằng pmin = 15 GeV/c. Tại cực của từ trường, tức là tại vĩ tuyến =900 , proton có thể bạy vào bầu khí quyển với động lượng bất kỳ vì pmin = 0. Do động lượng của hạt tích điện bị hạn chế theo công thức trên nên cường độ tia vũ trụ sơ cấp phụ thuộc vào vĩ độ, gọi là hiệu ứng vĩ độ. Chẳng hạn, cường độ của tia vũ trụ sơ cấp ở độ cao 10 km tại cực I (900 ) và tại xích đạo I (00 ) khác nhau như sau: Thứ hai, từ trường Trái Đất ngăn cản tia vũ trụ sơ cấp bay vào bầu khí quyển dưới phương bay xác định. Chẳng hạn hạt mang điện tích dương không thể bay vào bầu khí quyển dưới một góc xác định so với đường chân trời về phía đông. Ví dụ, với proton có năng lượng 2 GeV thì góc cấm này bằng 580 . Do đó ta có hiệu ứng bất đối xứng đông- tây, được xác định bởi đại lượng: Trong đó Iwest và Ieast là cường độ các tia vũ trụ sơ cấp đến từ hướng tây và hướng đông. Ở độ cao lớn thì tỉ số này là 0,25. Việc phát hiện ra độ mất đối xứng đông-tây cho thấy tia vũ trụ sơ cấp gồm các hạt tích điện dương. Từ trường giữa các hành tinh ảnh hưởng không đáng kể đến các tia vũ trụ sơ cấp. Đóng vai trò quan trọng nhấttrong loại từ trường này là từ trường của các khối plasmaphát ra từ bề mặt Mặt Trời trong các vụ nổ Mặt Trời. Các từ trường này chuyển động trong không gian và làm thay đổi một cách tuần hoàn các điều kiện xuyên qua của tia vũ trụ. Đó là nguyên nhân chính của hiện tượng biến thiên theo thời gian của tia vũ trụ sơ cấp theo chu kỳ 11 năm, 27 năm, … Một hiện tượng khác khi các hạt tích điện chuyển động trong từ trường Trái Đất là các bẫy từ. Đó là các miền không gian mà các hạt tích điện với năng lượng một vài GeV trở xuống không thể bay vào cũng như bay ra khỏi chúng. Các bẫy từ có dạng các hình xuyến bao quanh Trái Đất và là các đới tích tụ các hạt tích điện. Các đới này chủ yếu chứa các hạt proton và electron, được gọi là các vành đai bức xạ của Trái Đất. Khoảng cách từ các vành đai này đến mặt đất phụ thuộc vào năng lượng tia sơ cấp, năng lượng càng cao thì chúng càng gần mặt đất. Tia vũ trụ thứ cấp: Tia vũ trụ thứ cấp sinh ra do tia vũ trụ sơ cấp tương tác với vật chất trong bầu khí quyển. Quá trình tương tác thường gồm hai giai đoạn. Các hạt sơ cấp bị hấp thụ và sinh ra các hạt thứ cấp, sau đó các hạt thứ cấp ion hoá môi trường khí quyển. Tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt hadron (pion, proton, neutron,…), các hạt muon, electron và photon. Người ta thường chia chúng thành ba thành phần là thành phần kích hoạt hạt nhân (các hạt hadron), thành phần cứng (muon) và thành phần mềm (electron, photon). Ta hãy xem xét cơ chế sản sinh các thành phần khác nhau của tia vũ trụ thứ cấp. Các hạt sơ cấp với năng lượng lớn (>> GeV) thường tương tác với các hạt nhân khi đi xuyên qua bầu khí quyển với các tính chất sau: - Proton mất khoảng một nửa năng lượng của mình. - Phần chính của năng lượng mất đi này tạo nên một số lớn các hạt tương đối tính, người ta gọi là đám mưa rào, trong đó chủ yếu là các hạt pion và khoảng 15-20% là các hạt kaon. Ví dụ, proton sơ cấp với năng lượng 103 GeV sinh ra đám mưa rào gồm khoảng 10 hạt. - Phần còn lại của năng lượng nói trên tạo nên các delta-nucleon và kích thước các hạt nâhn cuối. Delta-nucleon là các nucleon sinh ra với năng lượng cỡ 160 Mev. Các hạt nhân kích thích, khi chuyển về trạng thái cơ bản, phát ra hạt proton, neutron, alpha,… Quãng chạy tự do của các hạt sơ cấp trong bầu khí quyển vào khoảng 80 g/cm2. Do đó proton năng lượng cao, khi đi xuyên qua bầu khí quyển, trong mỗi va chạm đó proton sơ cấp mất khoảng một nửa năng lượng của mình để sinh ra các hạt thứ cấp như đã nói trên. Các hạt thứ cấp này hoặc bị hấp thụ, hoặc bay xuống mặt đất. Các hạt pion trung hoà, do thời gian sống cỡ 10-6 s nên bị phân rã ngay thành 2 cặp gamma. Sự tồn tại của hai cặp pion tích điện phụ thuộc vào năng lượng của chúng. Với năng lượng lớn, các hạt pion có thể bay một quãng đường bằng nửa quãng đường tự do của proton sơ cấp trong khí quyển (80 g/cm2). Các hạt pion năng lượng cỡ 200 GeV có thể tham gia vào quá trình sinh các hạt hadron. Thành phần mềm của tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt electron, positron và gamma. Tia gamma năng lượng cao được sinh ra đồng thời với các hạt hadron do quá trình phân rã pion trung hoà: Các gamma năng lượng cao này, khi đi xuyên qua môi trường, sinh các cặp electron-positron roi các cặp electron-positron phát ra các tia gamma hãm. Quá trình sinh các electron, positron, gamma như vậy xảy ra cho đến khi năng lượng các electron và positron giảm đến năng lượng cỡ 72 MeV, là năng lượng mà các electron và positron mất năng lượng trong không khí chuyển từ cơ chế ion hoá sang cơ chế bức xạ hãm. Thành phần cứng của tia vũ trụ thứ cấp gồm các hạt muon, sinh ra do sự phân rã của các hạt pion tích điện: Các hạt muon năng lượng cao có khả năng đâm xuyên rất lớn do mất năng lượng rất ít đối với các quá trình ion hoá và bức xạ hãm trong môi trường. Cường độ các thành phần tia vũ trụ thứ cấp phụ thuộc vào độ cao của bầu khí quyển. Thành phần hadron giam rất nhanh theo chiều cao từ trên xuống và hầu như bằng không tại mặt biển. Thành phần electron-photon có cường độ lớn ở độ cao lớn và bị hấp thụ rất nhanh khi đi đến mặt đất, có cường độ không đáng kể so với thành phần muon. Tại mặt biển, cường độ các thành phần cứng và mềm bằng Ihard= 1,7.10-2 hạt/cm2.s và Isoft= 0,7.10-2 hạt/cm2.s. Như vậy cường độ tia vũ trụ thứ cấp ở mặt biển vào khoảng 100 lần bé hơn cường độ ở giới hạn bầu khí quyển, mà trong đó chủ yếu là các hạt muon. Ngoài ra các hạt sơ cấp và các hạt thứ cấp nêu trên, tại lớp trên của khí quyển xảy ra các phản ứng hạt nhân giữa các hạt hadron với các hạt nhân khí quyển, sinh ra các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân bền. Các hạt nhân phóng xạ gồm H3, Be7, P32, S35,Cl39. Nói riêng, do bức xạ vũ trụ, nồng H3 trong nước của Trái Đất chiếm khoảng 10-16%. Trong số các đồng vị bền, đáng chú ý nhất là Li6, thành phần vũ trụ làm tăng độ phổ biến của nó trong tự nhiên là 0,03 %. Các nhân phóng xạ tự nhiên có trong các vật liệu xây dựng nhà ở Trong các vật liệu xây dựng nhà có một số nhân phóng xạ. Bảng 3.8 trình bày một số vật liệu xây dựng cơ bản và những số liệu ước tính về uranium, thorium và potassium. Bảng 3.8 : hoạt độ các nhân phóng xạ có torng một số vật liệu xây dựng cơ bản. Vật liệu Uranium (Bq/kg) Thorium (Bq/kg) K40 (Bq/kg) Granite 63 8 1184 Cát sỏi 6 7 414 Xi măng 46 21 237 Bê tông cát sỏi 11 8,5 385 Tường khô 14 12 89 Phụ gia thạch cao 186 666 5,9 Thạch cao thiên nhiên 15 7,4 148 Gỗ - - 3330 Gạch đất nung 111 44 666 Các nhân phóng xạ có trong nước biển Toàn bộ nước trên trái đất, kể cả nước biển, đều chứa các nhân phóng xạ Bảng 3.9 hoạt độ các nhân phóng xạ có trong nước biển các đại dương Nhân phóng xạ Hoạt độ dùng để tính toán Thái bình dương 6,549x1017 m3 Đại tây dương 3,095x1017 m3 Tất cả các đại dương 1,3x1018 m3 uranium 33mBq/lit 22x1018 Bq 11x1018 Bq 41x1018 Bq K40 11 Bq/lit 7400x1018 Bq 3300x1018 Bq 14000x1018 Bq H3 0,6 mBq/lit 370x1018 Bq 190x1018 Bq 740x1015 Bq C14 5 mBq/lit 3x1018 Bq 1,5x1018 Bq 6,7x1018 Bq Rb87 1,1 mBq/lit 700x1018 Bq 330x1018 Bq 1300x1018 Bq Phóng xạ trong thực phẩm: Tất cả thực phẩm đều có 40K, 226Ra, và 238U cùng con cháu. Phóng xạ trong thực phẩm Thực phẩm 40K pCi/kg 226Ra pCi/kg Chuối 3520 1 Đậu phộng Brazin 5600 1000-7000 Cà rốt 3400 0,6 – 1 Khoai tây trắng 3400 1 – 2,5 Bia 390 --- Thịt nạc 3000 0,5 Hạt đậu Lima thô 4640 2 – 5 Nước uống --- 0 – 0,17 Các nhân phóng xạ có trong cơ thể người: Cơ thể con người được cấu tạo nên từ các nguyên tố hóa học, vì vậy trong cơ thể người có các nhân phóng xạ. Một số các nhân phóng xạ vào cơ thể do ăn thực phẩm và uống nước cũng như do hít thở hằng ngày. Bảng 3.11 trình bày một số nhân phóng xạ chính trong cơ thể người lớn, nặng 70kg. Bảng 3.11. Một số nhân phóng xạ chính trong cơ thể người. Nhân phóng xạ Tổng lượng chất phóng xạ tìm thấy trong cơ thể Tổng hoạt độ (Bq) Lượng hấp thụ hằng ngày Uranium 90 µg 1,1 1,9 µg Thorium 30 µg 0,11 3 µg K40 17mg 4400 0,39 mg Radium 31 pg 1,1 2,3 pg C14 95 µg 15.000 1,8 µg Tritium 0,06 pg 23 0,003 pg Polonium 0,2 pg 37 Khoảng 0,6 pg Sự phân bố phóng xạ trong thạch quyển và địa quyển: Đá kết tinh: Đá núi lửa và núi biến chất là đá kết tinh được tạo thành dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất lớn. Urani và Thori là các nguyên tố có kích thước nguyên tử lớn nên chúng không có mặt trong hầu hết khoáng vật được tạo thành sớm ở nhiệt độ cao và áp suất lớn, và có khuynh hướng được làm giàu trong các đá kiềm tạo thành muộn. Vì hành vi của urani và thori giống nhau dưới các điều kiện này nên tỷ số Th/U trong các đá núi lửa thường nằm giữa khoảng 3 đến 5. Độ giàu của hai nguyên tố tăng theo hàm lượng silic, trong đá giàu silic hàm lượng uran là cao nhất nhưng hiếm khi vượt quá 30ppm, các đá nghèo silic có hàm lượng uran cỡ 0,1 ppm hoặc thấp hơn. Uran, thori và các con cháu cùng với 40K là các chất tạo nhiệt trong đá kết tinh. Vào khỏang trên 1,4 tỷ năm trước, hầu như không có oxygen trong khí quyển và uranoxit có thể tồn tại trên bề mặt trái đất dưới dạng hạng quặng tự nhiên không bị oxy hóa từ trạng thái 4+ lên 6+, hạt uran di chuyển theo các dòng suối và do mật độ cao nên chúng bị tích tụ các mỏ sa khoáng. Theo thời gian, các điểm tích tụ này bị chôn vùi, ép sâu và bị biến chất thành các mỏ kết tủa sỏi cuội kết thạch anh. Các mỏ kết tủa này là nguồn uran chính trong các vùng mỏ có tầm kinh tế quan trọng của Nam Phi và Canada. Đá trầm tích: Khoảng 1,4 tỷ năm trước hoặc sớm hơn, uranphong hóa từ các đá núi lửa, đá kết tinh hoặc đá trầm tích bị khuyếch tán dưới dạng các ion hòa tan hoặc một trong các phức của nó. Sự tái tích tụ uran do các phản ứng oxy hóa khử gián tiếp từ các quá trình sinh học rất gần bề mặt trái đất. Các đá trầm tích như thế sẽ làm giàu uran. Đá Trầm tích tìm thấy ở bãi Nam, Ninh Hải, Ninh Hoà Đá phiến sét ( diệp thạch) giàu hữu cơ và than đá: Các lớp sét tích lũy và vật liệu hữu cơ có thể xuất hiện trong môi trường biển và cửa sông dưới độ sâu vài km trong các phiến đá sét giàu hữu cơ. Uran ở trạng thái 4+ bị hấp thụ lên trên các lớp hữu cơ và lớp sét. Đá phiến sét Chattanooga đông USA có hàm lượng trung bình là 79 ppm được xem như nguồn uaran chính của Mỹ. Các vùng Alum ở Thụy Điển và Kupferschiefer ở Đức cũng là các vùng đá phiến sét giàu uran [146]. Than đá dũng là môi trường khử và bẫy uran, nhiều loại than đá và các chất đốt là nguồn giàu phóng xạ. Sa thạch ( đá cát kết): Sa thạch là nơi tích tụ phần lớn uran có tính kinh tế. Nước chứa uran chảy qua sa thạch và đi vào miền khử, ở đấy uran bị khử và kết tủa, tạo nên lớp áo phủ trên các hạt cát. Thân quặng được tạo ra và lớn dần. Con cháu của dãy uran được giải phóng bằng sự giật lùi và do độ hòa tan khác nhau có thể được vận chuyển tách ra khổi khối uran. Những khối chất này tích tụ dần dần và làm giàu thân quặng. Monazite chứa thori có tỷ trọng cao nên có thể lắng đọng thành trầm tích dọc ven biển. Các trầm tích kiểu này cũng thấy ở Úc và cộng hòa Malagasy và Việt Nam. Đá carbonate: Carbonate là một loại đá thuộc tính nhóm trầm tích, các đá này chứa uran, chúng gồm các carbonate hữu cơ( san hô) và carbonate vô cơ tại hang động. Uran rất dễ bị dịch chuyễn trong nước oxy nhưng thôri thì không. Như vậy uran và các đồng vị con cháu trong đá carbonate bị mất cân bằng. Theo thời gian, uran phân rã thành thôri, vì không có nguồn uran ban đầu kết hợp với đá gốc carbonate, tỷ số gốc carbonate, tỷ số giữa hạt nhân con 230TH và hạt nhân mẹ 234U có thể chỉ thị tính được tuổi khoảng 350 ngàn năm. Đá phosphor: Kim K.H và Burnett W.C đã phân tích uran và thô ri trong 260 mẫu quặng phosphor đáy biễn. Kết quả cho thấy hàm lượng uran cỡ 100ppmm và thô ri nhỏ hơn 5 ppmm. Trong đó hàm lượng uran hòa tan trong acid và hàm lượng tổng số bằng nhau, tuy nhiên thôri hòa tan trong acid thấp hơn rõ rệt so với thôri tổng. Mặc dù uran chủ yếu nằm trong cấu tử apatit của phospho cỡ µm ỡ dãy đá ngầm Namibian va Chile, họng biển Thái Bình Dương. Các nhà nghiên cứu cho rằng uran thay thế canxi trong mang apatit với giả thiết bán kính ion U4+ tương tự với Ca2+ . Các loại đất khá nhau: Đất được tạo thành do phong hóa tầng đá bề mặt của trái đất granit bị phong hóa nhẹ có tỷ số 234U/238U thấp hơn nhiều so với các đá bị phân hủy và cho rằng có sự rửa trôi 234U xuất hiện sớm trong quá trình phong hóa. Sự thiếu hụt 234U tương tự cũng được tìm thấy trong đá granit phong hóa ở vùng New England. Đồng vị uran và thôri được sữ dụng để xác định tốc độ tạo thành đất California . Tỷ số đồng vị uran của đá, đất và nước có liên quan được dùng để tính toán tốc độ phong hóa hóa học trong lòng chảo sông preto ở Brazil. Với các loại đá mẹ khác nhau và dưới những điều kiện môi trường khác nhau các chuỗi nuclide phân rã có xu hương bị rửa trôi hoặc bị tích tụ. Những vùng có phông phóng xạ tự nhiên cao trên thế giới Mức phông phóng xạ được hình thành từ các nguồn thuộc vỏ trái đất (K40, Th232, Ra226,…) và các tia vũ trụ hay bụi phóng xạ. Mức phông thường gần như không đổi trên phạm vi toàn thế giới và nằm trong khoảng từ 0,08 đến 0,15 mGy/h. Có một số khu vực trên thế giới với mật độ dân cư đông và mức phông phóng xạ tự nhiên cũng cao. Mức phông cao nhất được tìm thấy ở Brazil, Ấn Độ, và Trung Quốc. Mức phông phóng xạ cao chủ yếu do nồng độ các chất khoáng có các nguyên tố đất hiếm rất khó hòa tan có trong các bãi cát ven biển cùng với khoáng chất ilmenit, cát có màu đen đặc trưng. Các nhân phóng xạ chính có trong monazit là các nhân trong dãy thorium và đôi khi cũng có cả uranium và con cháu của nó như Ra226. Tại Brazil, quặng monazit tìm thấy ở một số dải bờ biển nhất định. Mức phóng xạ của những loại cát đen này có thể lên đến 50 mGy/h, vào khoảng 400 lần cao hơn mức bình thường. Một số đường phố chính của các thành phố xung quanh có mức phông phóng xạ cao cỡ 1,3 mGy/h, tức là khoảng 10 lần cao hơn mức phông bình thường. Một số vùng khác tại Brazil có mức phông cao hơn bình thường là do các vùng đó hình thành các vỉa quặng đất hiếm lớn có dạng những quả đồi cao khoảng 250m so với các vùng xung quanh. Phần chính của mỏ quặng nằm gần đỉnh quả đồi và chứa một lượng phóng xạ ước tính khoảng 30.000 tấn Thorium và 100.000 tấn các nguyên tố đất hiếm nằm trong khoảng 10-20 mGy/h trên một diện tích khoảng 30.000 m2. Các cây cối thực vật ở đây do hấp thụ quá nhiều Ra226 nên tự chúng có thể phát tia X. Bên bờ biển phía tây-nam Ấn Độ quặng monazit còn lớn hơn cả ở Brazil. Mức liều bức xạ trung bình ở đây cũng vào cỡ mức liều ở Brazil, vào khoảng 5-6 mGy/năm, một số điểm lên tới 32,6 mGy/năm. Tại một vùng ở Trung Quốc có suất liều bức xạ tự nhiên cỡ 3-4 mGy/năm. Kết quả này cũng do monazit chứa thorium gây nên. Theo tài liệu của Hội đồng về các hiệu ứng sinh học do bức xạ ion hóa BEIR V (Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation), báo cáo về ảnh hưởng của các mức phóng xạ thấp đối với sức khỏe thì trong các vùng có phông phóng xạ cao có hiện tượng biến đổi nhiễm xác thể xảy ra cao hơn. Đã quan sát thấy hiện tượng này ở những nhân viên bức xạ và những người bị chiếu với liều cao. Không có sự gia tăng các trường hợp bị ung thư trong số dân chúng cư trú trong các vùng có mức phóng xạ cao nêu trên.