Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Trọng Huy ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TRỌNG HUY XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ VÀ ĐẤT ĐÁ DƯỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2014 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Trọng Huy ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TRỌNG HUY XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ VÀ ĐẤT ĐÁ DƯỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Văn Loát Hà Nội – 2014 Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT 3 1.1. Hiện tượng và qui luật phân rã phóng xạ 3 1.1.1.Quy luật phân rã phóng xạ 3 1.1.2. Chuỗi phân rã phóng xạ 6 1.1.3. Hiện tượng cân bằng phóng xạ 7 1.2. Các chuỗi phóng xạ tự nhiên 11 1.2.1. Chuỗi phân rã của đồng vị 238 U 11 1.2.2. Chuỗi phóng xạ của đồng vị 235 U 13 1.2.3. Chuỗi phóng xạ của đồng vị 232 Th 14 1.3. Đặc điểm của nồng độ phóng xạ trong mẫu đất đá và mẫu thực vật 15 1.3.1. Nguồn gốc hạt phóng xạ chứa trong đất đá và thực vật 15 1.3.2. Nồng độ phóng xạ chứa trong thực vật 16 1.3.3. Nồng độ phóng xạ trong mẫu đất đá 18 Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ 19 2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp 19 2.1.1. Dịch chuyển gamma 19 2.1.2. Tương tác của bức xạ gamma trong vật chất 20 2.2. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ gamma 22 2.2.1. Cơ sở của phương pháp 22 2.2.2. Phương pháp phổ gamma xác định hoạt độ phóng xạ 24 2.2.3. Phổ gamma của các đồng vị phóng xạ tự nhiên 28 2.3. Hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 30 Chương 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35 3.1. Kiểm tra hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 35 3.2. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi 37 3.2.1. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu thực vật 37 3.2.2. Xây dựng đường cong hiệu suất ghi cho mẫu đất đá 40 Luận văn thạc sĩ khoa học 3.3. Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu thực vật 43 3.3.1. Quy trình phân tích mẫu thực vật 43 3.3.2. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu chè 43 3.3.3. Quy trình phân tích mẫu đất đá 47 3.3.4. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của mẫu đất đá 47 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu STT Nội dung Trang 1 Bảng 1.1. Dãy phóng xạ tự nhiên 238 U 13 2 Bảng 1.2. Dãy phóng xạ tự nhiên 235 U 14 3 Bảng 1.3. Dãy phóng xạ tự nhiên 232 Th 15 4 Bảng 1.4. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu thực vật ở một số điều kiện khác nhau 18 5 Bảng 2.1. Các đỉnh gamma có cường độ mạnh nhất do các đồng vị phóng xạ tự nhiên phát ra. 26 6 Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của phổ kế gammar ORTEC 36 7 Bảng 3.2. Hoạt độ phóng xạ riêng của các mẫu chuẩn 37 8 Bảng 3.3. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần từ mẫu chuẩn RGU-1 cho mẫu thực vật 38 9 Bảng 3.4. Hiệu suất ghi tại các đỉnh hấp thụ toàn phần từ mẫu chuẩn RGU-1 cho mẫu đất đá 41 10 Bảng 3.5. Hoạt độ phóng xạ mẫu lá chè búp Hòa Bình 44 11 Bảng 3.6. Hoạt độ phóng xạ mẫu lá chè già Hòa Bình 45 12 Bảng 3.7. Kết quả xác định hoạt độ phóng xạ riêng (Bq/kg) của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong các mẫu chè 46 13 Bảng 3.8. Hoạt độ phóng xạ mẫu đất đá ở khu vực Hòa Bình 48 14 Bảng 3.9. Hoạt độ phóng xạ riêng (Bq/kg) của mẫu đất ở một số nước trên thế giới. 49 15 Bảng 3.10. Kết quả phân tích hoạt độ phóng xạ riêng (Bq/kg) của một số mẫu đất đá và chè ở ba khu vực 49 Luận văn thạc sĩ khoa học Danh mục hình vẽ STT Nội dung Trang 1 Hình 1.1. Sơ đồ phân rã 137 Cs 137 Ba +β 3 2 Hình 1.2. Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và không bền 4 3 Hình 1.3. Quy luật phân rã phóng xạ 6 4 Hình 1.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian của hoạt độ phóng xạ 99m Tc và 99 Mo 8 5 Hình 1.5. Đồ thị về cân bằng thế kỷ 10 6 Hình 1.6. Chuỗi phóng xạ của 238 U và các sản phẩm tạo thành 12 7 Hình 1.7. Chuỗi phóng xạ của 235 U và các sản phẩm tạo thành 13 8 Hình 1.8.Chuỗi phóng xạ của 232 Th và các sản phẩm tạo thành 14 9 Hình 2.1. Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 31 10 Hình 2.2. Buồng chì ORTEC trong hệ phổ kế gamma phông thấp ORTEC 31 11 Hình 3.1. Phổ phông của thiết bị gamma trong thời gian 104116s 35 12 Hình 3.2. Phổ nguồn chuẩn 60 Co với thời gian đo 762,84 s. 36 13 Hình 3.3. Phổ gamma của mẫu chuẩn IAEA- RGU-1 với thời gian đo 112180s 38 14 Hình 3.4. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi của mẫu RGU-1 chuẩn 39 15 Hình 3.5. Mẫu đo dạng hình trụ 121 g 40 16 Hình 3.6. Phổ gamma của mẫu chuẩn RGU1 121g được đo trong thời gian 57464s 41 17 Hình 3.7. Đồ thị đường cong hiệu suất ghi của mẫu chuẩn RGU-1 121g 42 18 Hình 3.8. Phổ gamma của mẫu chè búp Hòa Bình 44 19 Hình 3.9. Phổ gamma của mẫu chè già Hòa Bình 45 20 Hình 3.10. Dạng phổ gamma của mẫu đất Hòa Bình 100g 48 Luận văn thạc sĩ khoa học 1 MỞ ĐẦU Môi trường sống xung quanh chúng ta luôn tồn tại các đồng vị phóng xạ và điều này đã xảy ra ngay từ khi Trái Đất mới được hình thành. Phông bức xạ tự nhiên được sinh ra bởi các chất đồng vị phóng xạ chứa trong đất đá, nước, không khí, thực phẩm, nhà chúng ta đang ở và ngay cả trong cơ thể chúng ta. Nói một cách hình ảnh, thế giới chúng ta sống chìm ngập trong bức xạ. Con người không thể trốn tránh mà chỉ có thể chung sống với các bức xạ ấy, nhưng chúng ta có thể lựa chọn và đảm bảo cho mình một môi trường phóng xạ hợp lý nhất. Quả vậy, khắp mọi nơi đều có chất phóng xạ. Các chất phóng xạ và các tia bức xạ có thể đến Trái Đất từ những miền xa xôi trong vũ trụ bao la. Đó là những chất phóng xạ tự nhiên. Chúng gồm có các đồng vị phóng xạ nguyên thủy có thời gian sống dài và con cháu của chúng (có từ khi tạo thành trái đất) và các đồng vị phóng xạ sinh ra do tương tác của các tia vũ trụ với bầu khí quyển của trái đất như 14 C chẳng hạn. Đồng vị này liên tục được tạo thành do phản ứng hạt nhân giữa các bức xạ vũ trụ có năng lượng cao với oxy và nitơ có trong lớp khí quyển gần bề mặt của Trái đất. Tuy vậy, chúng phân bố không đều giữa nơi này với nơi khác vì hàm lượng phóng xạ trong môi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, tình trạng sống của con người, vào cả vật liệu xây dựng và kiến trúc ngôi nhà để ở… Ngoài ra, từ non một thế kỷ nay với sự phát triển của công nghệ hạt nhân, trong môi trường đã xuất hiện những chất phóng xạ nhân tạo. Chúng sinh ra từ các công nghệ ứng dụng đồng vị phóng xạ, từ các nhà máy điện hạt nhân và từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Gần bốn thập kỉ thử nghiệm ồ ạt vũ khí nguyên tử đã đi qua, nay trên nhiều vùng của Trái đất vẫn còn tồn tại những đồng vị phóng xạ như cesium ( 137 Cs), strongxi ( 90 Sr), hydro nặng ( 3 H)…, chúng còn lưu lại chủ yếu trong đất, bùn đáy và một số động thực vật với hàm lượng thấp. Ngoài ra trong không khí còn chứa các đồng vị phóng xạ 14 C và 7 Be, là các đồng vị phóng xạ liên quan tới tia vũ trụ. Phổ biến nhất là đồng vị phóng xạ kali ( 40 K), có thể nhận biết sự hiện diện của đồng vị 40 K có nhiều trong rau, quả và cơ thể con người. Bên cạnh đó là các hạt Luận văn thạc sĩ khoa học 2 nhân trong dãy phóng xạ uran và thori. Sự có mặt của các đồng vị phóng xạ luôn ảnh hưởng dù ít hay nhiều đến tình trạng sức khỏe của con người và môi trường xung quanh bởi sự tác động của bức xạ lên vật chất sống. Và con người từ khi ra đời đã phải sống chung với phóng xạ và chịu ảnh hưởng của mọi loại phóng xạ. Do đó, việc đo phóng xạ gamma của các đồng vị phóng xạ trong môi trường sống nhằm xác định phông phóng xạ tự nhiên, khảo sát mức độ ô nhiễm phóng xạ do hoạt động của con người tạo ra là việc làm quan trọng và cần thiết để giảm thiểu những rủi ro gây ra do phóng xạ. Từ những lý do trên, đề tài: “Xác định hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong chè và đất đá dưới chân núi ở khu vực Hòa Bình” nhằm xác định hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị có trong một số mẫu đất đá và chè, nhằm đánh giá hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị nhân tạo có thể còn được lưu giữ lại trên bề mặt núi đá. Về mặt lý thuyết, bản luận văn có nhiệm vụ tìm hiểu cơ cở vật lý, phương pháp và kỹ thuật thực nghiệm xác định hoạt độ phóng xạ riêng của các nguyên tố phóng xạ có trong mẫu đất đá và chè. Về thực nghiệm tiến hành đánh giá được mức độ giảm phông của buồng chì, xây dựng đường cong hiệu suất ghi và tiến hành thử nghiệm phân tích hoạt độ phóng xạ riêng của một số mẫu chè và đất đá. Luận văn dài 53 trang gồm 20 hình vẽ, 15 bảng biểu và 18 tài liệu tham khảo. Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn chia thành ba chương: Chương 1. Tổng quan về tính chất phóng xạ của mẫu đất đá và thực vật. Chương 2. Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma. Chương 3. Kết quả thực nghiệm. Luận văn thạc sĩ khoa học 3 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHÓNG XẠ CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT 1.1. Hiện tượng và quy luật phân rã phóng xạ Năm 1892 Becquerel đã quan sát thấy muối uranium và những hợp chất của nó phát ra những tia gồm 3 thành phần là tia  (alpha), tức là hạt 2 He 4 , tia  (beta), tức là hạt electron, và tia  (gamma), tức là bức xạ điện từ như tia X nhưng bước sóng rất ngắn. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng phân rã phóng xạ (radioactive decay). Các tia , ,  gọi là các tia bức xạ (radiation rays). Chúng đều có những tính chất như có thể kích thích một số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xuyên thấu qua vật chất [3]. Dịch chuyển gamma xảy ra khi một đồng vị phóng xạ ở trạng thái kích thích cao chuyển về trạng thái kích thích thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản. Phân rã phóng xạ có thể kéo theo hoặc không kéo theo dịch chuyển gamma. 1.1.1. Quy luật phân rã phóng xạ Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền, tự biến đổi thành hạt nhân khác bằng cách phát ra tia ,  và . Hạt nhân phóng xạ gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân tạo thành là hạt nhân con. Thí dụ: 137 Cs 137 Ba + β - (1.1) Hình 1.1. Sơ đồ phân rã 137 Cs 137 Ba + β - Hình 1.1 trình bày quá trình phân rã 137 Cs 137 Ba + β - , gồm hai nhánh phát beta, nhánh thứ nhất với hạt beta năng lượng 0,4959 MeV, hệ số phân nhánh 94,4% 137 Cs 7/2 + 30,04 năm 1,1576 MeV 0,6617 MeV 0,0000 MeV 11/2 - 3/2 + β - 94,4% β - 5,6% 137 Ba β β Lun vn thc s khoa hc 4 v nhỏnh th hai vi ht beta nng lng 0,6617 MeV, h s phõn nhỏnh 5,6%. Ht nhõn 137 Ba sau phõn ró theo nhỏnh th nht nm trng thỏi kớch thớch v tip tc phõn ró gamma chuyn v trng thỏi c bn. Phõn ró phúng x cú th kộo theo hoc khụng kộo theo dch chuyn gamma. Tớnh phúng x ph thuc vo tớnh khụng bn vng ca ht nhõn do t s N/Z quỏ cao hay quỏ thp so vi giỏ tr trung bỡnh (hỡnh 1.2) v quan h khi lng gia ht nhõn m, ht nhõn con v ht c phỏt ra. Z 100 80 20 40 60 0 20 40 60 80 100 120 140 160 N - Z=N S =0 p S =0 n Caực õaùt nõaõn põoựng xaù + Caực õaùt nõaõn Caực õaùt nõaõn ben põoựng xaù Hỡnh 1.2. Gin Z-N phõn bit cỏc ht nhõn bn v khụng bn [15]. Khi phõn ró phúng x s ht nhõn cha b phõn ró s gim theo thi gian. Gi s ti thi im t, s ht nhõn cha b phõn ró phúng x l N.Sau thi gian dt s ht ú tr thnh N - dN vỡ cú dN ht nhõn ó phõn ró. gim s ht nhõn cha b phõn ró - dN t l vi N v dt : - dN = Ndt (1.2) Trong ú h s t l gi l hng s phõn ró (decay constant), cú giỏ tr xỏc nh i vi mi ng v phúng x. T cụng thc (1.2) ta cú : dN N = - dt (1.3) Thc hin phộp ly tớch phõn cụng thc (1.3) ta cú : N = N 0 e -t (1.4) [...]... ngy Bn Trong s cỏc ng v con trong chui phõn ró ca 238U ch cú 5 ng v trong bng 1.1 ó c gch chõn l cú th o c bng ph k gamma mt cỏch tng i d 1.2.2 Chui phõn ró phúng x ca ng v 235U Trong t nhiờn, ng v phúng x 235 U ch chim 0.72% trong tng s uran Chui phõn ró phúng x ca ng v 235U c a ra trong bng 1.2 Chui phõn ró ny cú 12 ng v bao gm 11 tng phõn ró v cú 7 loi ht alpha cú nng lng khỏc nhau c phỏt ra trong. .. x trong rau, qu nh hn iu kin sy nhit cao - Hot phúng x trong rau qu gim theo cỏc iu kin khỏc nhau t sy nhit cao n ra sch v cui cựng l sy nhit thp - iu kin sy nhit cao hot phúng x riờng cao nht ó c tỡm thy trong cõy rau trng (56,11 0,72 Bq / kg); hot phúng x riờng thp nht ó c tỡm thy trong khoai tõy (53 0,42 Bq / kg) 1.3.3 Nng phúng x trong mu t ỏ Kali phõn b ch yu trong v Trỏi t Nng trong. .. chớnh suy gim hot do phõn ró k t thi gian ly mu 2.2.3.2 o hot ca ng v 40K ng v 40 K luụn cú mt trong ph phụng ng v ny chim mt t l khong 0.17% ca cỏc ng v kali cú trong t nhiờn ng v ny cú mt trong g, trong vt liu xõy dng v thm chớ trong c cỏc c th sng S hin din ca ng v 40K trong ph phụng ca detector v trong cỏc mu vi phõn b compton liờn tc s nh hng ỏng k n gii hn phỏt hin ca cỏc nh gamma cú nng lng... nhỏnh ca gamma cú nng lng c trng E c tớnh theo cụng thc: 19 Lun vn thc s khoa hc I Số tia bức xạ gamma có năng lượng E được phát ra (2.2) 100 phân rã của hạt nhân mẹ 2.1.2 Tng tỏc ca bc x gamma trong vt cht Nghiờn cu v cỏc tng tỏc gamma vi detector l mt ti quan trng bit c vỡ sao cỏc photon c phỏt hin v suy gim nng lng Trong cỏc tng tỏc gia tia gamma vi detector, cú ba quỏ trỡnh úng vai trũ ch cht ... cht cng 238 U Trong thc t, iu ny cú ngha rng hot o c trong mu ca bt k ng v con chỏu no cng gn nh l hot ca ng v m 238 U v ca tt c cỏc ng v phúng x khỏc cú trong chui phõn ró Cú th o hot ca vi ng v trong chui cú oỏn nhn chớnh xỏc hn Trong s cỏc ng v con trong chui phõn ró ca 238U khụng phi ng v no cng cú th o gamma mt cỏch d dng Thc t ch cú 6 ng v trong bng 1.1 ó c gch chõn l cú th o c mt cỏch tng i... khi t n s cõn bng phúng x bn, hot phúng x ca cỏc ng v trong chui phõn ró u bng nhau T (1.27) ta thu c biu thc tng t nh (1.26): N1 : N2 : : Nn = T1/2,1 : T1/2,2 : : T1/2,n (1.28) Trong cõn bng th k, ht nhõn m cú tc phõn ró rt chm vi hot gn nh khụng thay i trong nhiu chu kỡ bỏn ró, trong khi ú cỏc ht nhõn con c to ra ri phõn ró tip Trong h kớn, cỏc ht nhõn con cú th t ti hot nh ca ht nhõn... theo cụng thc : n = I H (2.10) Trong ú: H l hot phúng x cú trong mu I l cng tia gamma (h s phõn nhỏnh) cú nng lng E Vi tia gamma cú nng lng xỏc nh, I bit, xỏc nh s tia gamma nng lng E phỏt ra t mu trong mt n v thi gian s bit hot phúng x H ca ng v cú trong mu xỏc nh n da vo din tớch nh hp th ton phn ca bc x gamma c trng Gi n0 l tc m ti nh hp th ton phn ó tr phụng trong mt n v thi gian, l hiu sut... v Trỏi t Nng trong ỏ vụi khong 0,1 % v tng lờn n 4 % trong ỏ granit Hot phúng x riờng trung bỡnh ca 40 K trong v Trỏi t l 0,62 Bq/gam Trong cỏc loi ỏ granit nghốo canxi v xianit thỡ giỏ tr ny cú th vt quỏ 1,82 Bq/gam i vi nhng loi t nghốo thỡ nng 40 K ch khong 440 Bq/kg Cú th lm tng ỏng k nng kali trong t bng cỏc hot ng nụng nghip c tin hnh trong sut 20 nm vi cng ln 18 Lun vn thc s khoa hc Chng... vi phõn ró gamma c gi l hin tng bin hoỏn ni Trong quỏ trỡnh ny, nng lng chờnh lch khụng bc x ra di dng photon m s xy ra tng tỏc trng a cc in t vi cỏc electron qu o v tỏch mt trong cỏc electron ny ra khi nguyờn t Nng lng truyn cho electron phi ln hn nng lng liờn kt thỡ quỏ trỡnh ny mi xy ra õy l s khỏc bit vi phõn ró - m trong ú cỏc electron bc x c to ra trong chớnh quỏ trỡnh phõn ró Chiu hng ca quỏ... Nng phúng x trong mu thc vt Theo kt qu nghiờn cu chung ca cỏc nh khoa hc, trong cỏc loi rau qu, thc vt u cha mt lng nguyờn t phúng x vi nng nht nh Nng ny ph thuc vo nhiu yu t khỏc nhau nh mc ụ nhim phúng x ca t, nc, khụng khớ; mc (kh nng) hp th phúng x ca tng loi, tng cỏ th thc vt Mt s kt qu nghiờn cu c th v thnh phn, nng v tớnh cht ca cỏc nguyờn t phúng x cha trong cỏc mu thc vt: Trong trỏi cõy, . đất đá dưới chân núi ở khu vực Hòa Bình nhằm xác định hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị có trong một số mẫu đất đá và chè, nhằm đánh giá hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị nhân tạo. HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TRỌNG HUY XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ VÀ ĐẤT ĐÁ DƯỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH Chuyên. HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TRỌNG HUY XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ VÀ ĐẤT ĐÁ DƯỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HÒA BÌNH