Đề tài Đồng vị phóng xạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH TIỂU LUẬN PHƯƠNG PHÁP GHI ĐO BỨC XẠ ĐỀ TÀI: ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ GVHD : TS. TRẦN QUỐC DŨNG Học viên : ĐẶNG SA LY Chuyên ngành : Vật lý nguyên tử K22 Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 1. BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Cũng giống như Bảng Hệ Thống Tuần Hoàn, Bảng Các Đồng Vị Phóng Xạ là hình thức thuận tiện để trình bày một số lượng lớn thông tin khoa học theo lối có tổ chức. Hình 3. Một phần nhỏ của một bảng đồng vị phóng xạ điển hình 1.1 BẢNG CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Một bảng đồng vị phóng xạ liệt kê các thông tin về các đồng vị bền và đồng vị không bền. Hình 3 là một phần nhỏ của một bảng đồng vị phóng xạ điển hình. Bảng này vẽ một ô cho mỗi đồng vị phóng xạ riêng biệt, với số proton (Z) theo trục đứng và số neutron (N = A – Z) theo trục ngang. Hình vuông màu xám biểu thị đồng vị bền. Các hình vuông màu trắng biểu thị các phóng xạ nhân tạo, nghĩa là chúng được sản xuất theo kỹ thuật nhân tạo và không tự nhiên xuất hiện. Bằng cách tra cứu một bảng hoàn chỉnh, ta có thể tìm thấy các loại đồng vị khác, chẳng hạng như các loại đồng vị xuất hiện trong tự nhiên (nhưng không có đồng vị nào được tìm thấy trong vùng của bảng ở hình 3) Các ô nằm về bên trái của mỗi hàng ngang trong bảng là thông tin chung của mỗi nguyên tố. Mỗi ô chứa ký hiệu hóa học của nguyên tố kèm theo nguyên tử khối trung bình của chất phóng xạ xuất hiện trong tự nhiên và tiết diện hấp thụ neutron nhiệt trung bình. Các đồng vị (các nguyên tố có cùng số Z nhưng khác số A) của mỗi nguyên tố được liệt kê phía bên phải. 1.2 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ BỀN Đối với các đồng vị bền, đi kèm với ký hiệu và số nguyên tử khối là phần trăm của mỗi đồng vị xuất hiện trong tự nhiên cũng như tiết diện hấp thụ neutron nhiệt và khối lượng theo đơn vị amu. Hình 4 là một khối điển hình của một đồng vị bền từ bảng các đồng vị phóng xạ. 1.3 THÔNG TIN CÁC ĐỒNG VỊ KHÔNG BỀN Đối với các đồng vị không bền, ngoài các thông tin trên thì còn có thông tin về thời gian bán rã, loại phân rã (ví dụ như phân rã β- , α,...), năng lượng phân rã tổng cộng theo đơn vị MeV và khối lượng theo đơn vị amu. Hình 5 là một khối điển hình của một đồng vị không bền từ bảng các đồng vị phóng xạ. 1.4 TỈ SỐ NEUTRON – PROTON Hình 6 cho thấy sự phân bố của các đồng vị bền được biểu diễn trên cùng các trục như bảng các đồng vị phóng xạ. Khi số khối tăng thì tỉ số số neutron trên số proton cũng tăng theo. Ví dụ Helium-4(2 proton và 2 neutron) và Oxygen-16(8 proton và 8 neutron) thì tỉ số này là 1; Indium-115(49 proton và 66 neutron) thì tỉ số này tăng lên 1,35; và đối với Uranium-238(92 proton và 146 neutron) thì tỉ số này là 1,59. Nếu một hạt nhân nặng bị tách thành hai phần, thì mỗi phần sẽ tạo thành một hạt nhân con, có tỉ số số neutron trên số proton xấp sĩ như tỉ số của hạt nhân mẹ. Các hạt nhân có tỉ số số neutron trên proton cao nằm ở dưới về phía phải của đường biểu diễn các hạt nhân bền được biểu diễn trên Hình 6. Tính không bền của hạt nhân là do số neutron quá lớn, sự không bền này nói chung sẽ được điều chỉnh bằng sự liên tiếp phát các bức xạ beta- β, và trong mỗi phát xạ β thì một neutron chuyển thành một proton và chuyển hạt nhân đến tỉ số số neutron trên số proton bền hơn. 1.5 ĐỘ PHONG PHÚ TRONG TỰ NHIÊN CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Độ nhiều tương đối của một đồng vị trong tự nhiên so với các đồng vị khác của cùng một nguyên tố thường là không đổi. Bảng đồng vị phóng xạ biểu diễn độ nhiều tương đối xuất hiện trong tự nhiên của các đồng vị của cùng một nguyên tố theo đơn vị phần trăm nguyên tử. Phần trăm nguyên tử là tỉ lệ phần trăm của các nguyên tử của một loại đồng vị của một nguyên tố. Phần trăm nguyên tử viết gọn là a/o. Ví dụ độ nhiều đồng vị của đồng vị oxygen-18 là 0,20%, giả sử trong một cốc nước chứa 8,23 x 1024 nguyên tử oxygen thì sẽ có 1,65 x 1024 nguyên tử đồng vị oxygen-18 trong cốc nước đó. Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố được định nghĩa là khối lượng nguyên tử trung bình của các đồng vị của nguyên tố đó. Khối lượng nguyên tử của một nguyên tố có thể được tính bằng cách lấy tổng các tích độ nhiều đồng vị của mỗi đồng vị với khối lượng nguyên tử của đồng vị đó. Ví dụ: Tính khối lượng nguyên tử của nguyên tố lithium nếu biết lithium có hai đồng vị là lithium-6 có độ nhiều nguyên tử là 7,5% và khối lượng nguyên tử là 6,015122 amu và lithium-7 có độ nhiều nguyên tử là 92,5% và khối lượng nguyên tử là 7,016003 amu. Giải: Khối lượng nguyên tử Lithium = (0,075)(6,015122 amu) + (0,925)(7,016003 amu) = 6,9409 amu Một đại lượng đo khác của độ nhiều đồng vị là phần trăm khối lượng (w/o). Phần trăm khối lượng là phần trăm khối lượng của một đồng vị riêng biệt. Ví dụ một mẫu vật liệu chứa 100 kg uranium trong đó thành phần uranium-235 có phần trăm khối lượng là 28 w/o có nghĩa là có 28 kg đồng vị uranium-235. 2. QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM 2.1 URANIUM GIÀU Uranium được khai thác từ đất có chứa các đồng vị uranium-238, uranium-235 và uranium-234. Trong đó uranium-238 trong tự nhiên chiếm nhiều nhất (99,2745%), phần còn lại thì chủ yếu là uranium-235 (0,7200%) và một số lượng nhỏ uranium-234. Mặc dù tất cả các đồng vị của uranium có chung các tính chất hóa học, nhưng mỗi đồng vị lại có những tính chất thuộc về hạt nhân khác nhau đáng kể. Đồng vị uranium- 235 thường là nguyên liệu chính dùng trong nhà máy điện hạt nhân để tạo ra điện hạt nhân; chế tạo vũ khí hạt nhân. Quá trình làm giàu uranium tạo ra uranium giàu. Uranium giàu là uranium trong đó đồng vị uranium-235 có nồng độ cao hơn giá trị nồng độ có trong tự nhiên. Quá trình làm giàu cũng sẽ dẫn đến sản phẩm phụ uranium nghèo. Uranium nghèo là uranium trong đó đồng vị uranium-235 có nồng độ thấp hơn giá trị nồng độ có trong tự nhiên. Mặc dù uranium nghèo được xem như là sản phẩm phụ của quá trình làm giàu, nhưng nó thực sự có giá trị trong lĩnh vực hạt nhân và công nghiệp thương mại và quốc phòng. 2.2 QUÁ TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM Vì tính chất thương mại và quốc phòng của mỗi quốc gia đòi hỏi làm giàu uranium. U235 được làm giàu bằng phương pháp tách đồng vị. 2.2.1 KHUẾCH TÁN KHÍ Quy trình làm giàu uranium bằng phương pháp khuếch tán khí, bên trong thiết bị, khí uranium-6-flour(UF6) được đưa chậm vào các đường ống dẫn, tại đây UF6 được bơm qua các bộ lọc đặc biệt gọi là các “barrier” (còn gọi là các màng tổ ong – Porous Membrane). Các lỗ trống của barrier rất nhỏ để các phân tử khí UF6 đi qua được. Quá trình làm giàu xảy ra khi mà các phân tử khí UF6 nhẹ hơn(chứa các nguyên tử U234 và U235) tiến tới khuếch tán qua các barrier nhanh hơn các phân tử khí UF6 nặng chứa U238 Dĩ nhiên là sẽ cần hàng trăm barrier xếp theo từng lớp cho đến khi khí UF6 chứa đủ Quá trình khuếch tán khí sử dụng phương pháp khuếch tán phân tử để tách một loại khí ra khỏi hỗn hợp hai loại khí. Sự tách đồng vị được thực hiện bằng cách khuếch tán Uranium (trong khí UF6 ) qua “màng tổ ong” nhờ vào tính khác nhau của vận tốc phân tử của hai đồng vị. U235 cần sử dụng trong lò phản ứng. Ở phần cuối của quá trình UF6 giàu sẽ được lấy ra khỏi ống dẫn và được ngưng tụ thành dạng lỏng rót vào thùng chứa. 2.2.2 LI TÂM KHÍ Quá trình làm giàu uranium bằng phương pháp li tâm sử dụng một số lượng lớn các xi-lanh quay, được xếp thành một dãy nối tiếp. Trong quá trình này, khí UF6 được đưa vào một xi-lanh và được quay ở tốc độ cao. Sự quay này tạo một lực li tâm mạnh để cho các phân tử khí nặng(chứa U238) chuyển động ra phía ngoài của xi-lanh và các phân tử khí nhẹ(chứa U235) tập trung vào gần tâm hơn. Dòng uranium giàu được lấy ra và tiếp tục đưa vào tầng cao hơn kế tiếp, trong khi đó dòng uranium nghèo được tái sử dụng và được đưa xuống tầng thấp hơn kế tiếp. Quá trình xảy ra sẽ cho lượng uranium giàu đáng kể. 2.2.3 LASER PHÂN TÁCH Sự tách đồng vị uranium có thể đạt được dựa trên nguyên lý quang kích thích (kích thích phân tử sử dụng ánh sáng laser). Kỹ thuật như vậy có tên là AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation). Nói chung, quá trình làm giàu sử dụng ba hệ thống chính, đó là hệ thống laser, hệ thống quang học, và hệ thống module phân tách. Laser điều hưởng được có thể phát triển để bắn ra một bức xạ đơn sắc (ánh sáng một màu). Các mẫu đồng vị chịu ảnh hưởng của tia laser đơn sắc sau đó sẽ bị biến đổi lý tính hoặc hóa tính, mà điều này làm cho nguyên liệu có khả năng phân tách. AVLIS sử dụng hợp kim U-Fe trong khi đó SILEX và MLIS sử dụng UF6. 3. ĐỘ HỤT KHỐI. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Hai định luật riêng biệt là định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn năng lượng không được áp dụng chặt chẽ trong phạm vi hạt nhân. Có thể chuyển đổi giữa khối lượng và năng lượng (E = mc2). Thay vì hai định luật bảo toàn riêng biệt thì một định luật bảo toàn chung phát biểu tổng khối lượng và năng lượng được bảo toàn. Khối lượng không tự nhiên xuất hiện hoặc mất đi. Sự giảm xuống của khối lượng sẽ kéo theo sự tăng lên tương ứng của năng lượng và ngược lại. 3.1 ĐỘ HỤT KHỐI Các phép đo cẩn thận đã chỉ ra rằng khối lượng của một nguyên tử riêng biệt nhẹ hơn tổng các khối lượng của các neutron, proton và electron riêng lẻ cấu tạo nên nguyên tử đó. Sự sai khác khối lượng này là rất nhỏ. Sự khác nhau giữa khối lượng của nguyên tử và tổng các khối lượng của các phần của nó được gọi là độ hụt khối (∆m). Độ hụt khối được tính theo phương trình (1 – 1). Việc tính toán độ hụt khối cần chú ý đến độ chính xác của các phép đo khối lượng vì sự khác nhau trong khối lượng thì nhỏ so với khối lượng nguyên tử. Việc làm tròn số các khối lượng của các nguyên tử và các hạt dưới ba hoặc bốn chữ số cũng ảnh hưởng quan trọng đến kết quả tính toán độ hụt khối. ∆m = [Z(mp + me) + (A – Z)mn] – matom Trong đó ∆m: độ hụt khối (amu) mp : khối lượng một proton (1,007277 amu) mn : khối lượng một neutron (1,008665 amu) me : khối lượng một electron (0,000548597 amu) matom : khối lượng hạt nhân
 (amu) Z : số proton N : số neutron Ví dụ: Tính độ hụt khối của Lithium-7 biết khối lượng của lithium-7 là 7,016003 amu. Giải: 3.2 NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Độ mất mát khối lượng, hay độ hụt khối là do sự chuyển đổi khối lượng thành năng lượng liên kết khi hạt nhân được tạo thành. Năng lượng liên kết được định nghĩa là lượng năng lượng cần cung cấp cho một hạt nhân để tách toàn bộ các hạt thuộc hạt nhân của hạt nhân đó (các nucleon). Ta cũng có thể hiểu đó là lượng năng lượng giải phóng ra khi hạt nhân được tạo thành từ các hạt riêng biệt. Năng lượng liên kết là năng lượng tương đương với độ hụt khối. Vì độ hụt khối được chuyển thành năng lượng liên kết khi hạt nhân được tạo thành nên ta có thể tính năng lượng liên kết sử dụng hệ số chuyển đổi nhận được từ mối liên hệ giữa khối lượng – năng lượng từ Thuyết Tương Đối Einsteins. Phương trình nổi tiếng của Einsteins về mối liên hệ giữa khối lượng – năng lượng là E = mc2 trong đó c là vận tốc ánh sáng ( c = 2,998x103m/s). Năng lượng tương đương với một đơn vị nguyên tử khối (1 amu) có thể tihs được bằng cách dùng phương trình Eisteins và các hệ số chuyển đổi Vì một đơn vị khối lượng nguyên tử tương đương với năng lượng là 931.5MeV nên năng lượng liên kết được tính theo phương trình (1 – 2) Ví dụ: Tính độ hụt khối và năng lượng liên kết của Uranium-235, biết rằng khối lượng nguyên tử của Uranium-235 là 235,043924 amu. Giải: 3.3 CÁC MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA HẠT NHÂN Các nucleon trong hạt nhân của một nguyên tử giống như các electron quay quanh hạt nhân, tồn tại trên các lớp tương ứng với các trạng thái năng lượng. Các lớp năng lượng của hạt nhân được định nghĩa và hiểu ít rõ ràng bằng các lớp năng lượng của electron. Một hạt nhân có một trạng thái ứng với mức năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản và các trạng thái kích thích riêng biệt (rời rạc, gián đoạn). Các trạng thái năng lượng gián đoạn của electron trong nguyên tử được đo bằng đơn vị eV hoặc KeV, còn các mức năng lượng của hạt nhân thì lớn hơn rất nhiều và thường đo bằng đơn vị MeV. Một hạt nhân trong trạng thái kích thích sẽ không giữ ở mức năng lượng đó trong một thời gian vô hạn. Giống như các electron trong một nguyên tử bị kích thích, các nucleon trong hạt nhân bị kích thích sẽ chuyển sang trạng thái có mức năng lượng thấp và cùng lúc phát ra một chùm bức xạ điện từ gián đoạn, gọi là tia gamma (γ). Sự khác nhau giữa chùm tia X và chùm tia γ là mức năng lượng của chúng và chúng được phát ra từ lớp vỏ điện tử hay từ hạt nhân. Trạng thái cơ bản và các trạng thái kích thích của hạt nhân được miêu tả trong sơ đồ mức năng lượng hạt nhân. Sơ đồ mức năng lượng hạt nhân bao gồm các thanh ngang xếp lên nhau. Mỗi trạng thái kích thích ứng với một thanh. Khoảng cách theo chiều dọc giữa thanh biểu diễn trạng thái kích thích và thanh biểu diễn trạng thái cơ bản tương ứng với mức năng lượng của trạng thái kích thích đối với trạng thái cơ bản. Sự khác nhau về năng lượng của trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản này được gọi là năng lượng kích thích của trạng thái kích thích tương ứng. Trạng thái cơ bản của một đồng vị phóng xạ có năng lượng kích thích bằng 0. Các thanh của năng lượng kích thích được gán nhãn với các mức năng lượng tương ứng. Hình 7 là sơ đồ mức năng lượng của nickel-60.