Luận văn thạc sĩ khoa học ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TRỌNG HUY XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ VÀ ĐẤT ĐÁ DƢỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HỊA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2014 Nguyễn Trọng Huy Luận văn thạc sĩ khoa học ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN TRỌNG HUY XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ RIÊNG CỦA MỘT SỐ ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO TRONG CHÈ VÀ ĐẤT ĐÁ DƢỚI CHÂN NÚI Ở KHU VỰC HỊA BÌNH Chun ngành: Vật lý ngun tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Văn Lốt Hà Nội – 2014 Nguyễn Trọng Huy Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHĨNG XẠ CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT 1.1 Hiện tƣợng qui luật phân rã phóng xạ 1.1.1.Quy luật phân rã phóng xạ 1.1.2 Chuỗi phân rã phóng xạ 1.1.3 Hiện tượng cân phóng xạ 1.2 Các chuỗi phóng xạ tự nhiên 11 1.2.1 Chuỗi phân rã đồng vị 238U 11 1.2.2 Chuỗi phóng xạ đồng vị 235U 13 1.2.3 Chuỗi phóng xạ đồng vị 232Th 14 1.3 Đặc điểm nồng độ phóng xạ mẫu đất đá mẫu thực vật 15 1.3.1 Nguồn gốc hạt phóng xạ chứa đất đá thực vật 15 1.3.2 Nồng độ phóng xạ chứa thực vật 16 1.3.3 Nồng độ phóng xạ mẫu đất đá 18 Chƣơng - PHƢƠNG PHÁP PHỔ GAMMA XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ 19 2.1 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp 19 2.1.1 Dịch chuyển gamma 19 2.1.2 Tương tác xạ gamma vật chất 20 2.2 Xác định hoạt độ phóng xạ theo phƣơng pháp phổ gamma 22 2.2.1 Cơ sở phương pháp 22 2.2.2 Phương pháp phổ gamma xác định hoạt độ phóng xạ 24 2.2.3 Phổ gamma đồng vị phóng xạ tự nhiên 28 2.3 Hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 30 Chƣơng - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35 3.1 Kiểm tra hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 35 3.2 Xây dựng đƣờng 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 mẫu thực vật 43 3.3.1 Quy trình phân tích mẫu thực vật 43 3.3.2 Kết phân tích hoạt độ phóng xạ riêng số mẫu chè 43 3.3.3 Quy trình phân tích mẫu đất đá 47 3.3.4 Kết phân tích hoạt độ phóng xạ riêng 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 Bảng 1.1 Dãy phóng xạ tự nhiên 238U 13 Bảng 1.2 Dãy phóng xạ tự nhiên 235U 14 Bảng 1.3 Dãy phóng xạ tự nhiên 232Th 15 Bảng 1.4 Hoạt độ phóng xạ riêng số mẫu thực vật số 18 điều kiện khác Bảng 2.1 Các đỉnh gamma có cường độ mạnh đồng vị 26 phóng xạ tự nhiên phát Bảng 3.1 Các thơng số phổ kế gammar ORTEC 36 Bảng 3.2 Hoạt độ phóng xạ riêng mẫu chuẩn 37 38 10 Bảng 3.3 Hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ tồn phần từ mẫu chuẩn RGU-1 cho mẫu thực vật Bảng 3.4 Hiệu suất ghi đỉnh hấp thụ tồn phần từ mẫu chuẩn RGU-1 cho mẫu đất đá Bảng 3.5 Hoạt độ phóng xạ mẫu chè búp Hòa Bin ̀ h 11 Bảng 3.6 Hoạt độ phóng xạ mẫu chè già Hòa Bình 45 12 Bảng 3.7 Kế t quả xác đinh ̣ hoa ̣t ̣ phóng xa ̣ riêng (Bq/kg) 46 41 44 đờ ng vi ̣phóng xa ̣ tự nhiên các mẫu chè 13 Bảng 3.8 Hoạt độ phóng xạ mẫu đất đá khu vực Hòa Bình 48 14 Bảng 3.9 Hoạt độ phóng xạ riêng (Bq/kg) mẫu đất số 49 nước giới 15 Bảng 3.10 Kế t quả phân tić h hoa ̣t ̣ phóng xa ̣ riêng mơ ̣t sớ mẫu đấ t đá và chè ở ba khu vực (Bq/kg) 49 Luận văn thạc sĩ khoa học Danh mục hình vẽ STT Nội dung Trang Hình 1.1 Sơ đồ phân rã 137Cs 137 Hình 1.2 Giản đồ Z-N phân biệt hạt nhân bền khơng bền Hình 1.3 Quy luật phân rã phóng xạ Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc vào thời gian hoạt độ Ba +β phóng xạ 99mTc 99Mo Hình 1.5 Đồ thị cân kỷ 10 Hình 1.6 Chuỗi phóng xạ 238U sản phẩm tạo thành 12 Hình 1.7 Chuỗi phóng xạ 235U sản phẩm tạo thành 13 Hình 1.8.Chuỗi phóng xạ 232Th sản phẩm tạo thành 14 Hình 2.1 Sơ đồ hệ phổ kế gamma bán dẫn ORTEC 31 10 Hình 2.2 Buồng chì ORTEC hệ phổ kế gamma phơng thấp 31 ORTEC 11 Hình 3.1 Phổ phơng thiết bị gamma thời gian 104116s 35 12 Hình 3.2 Phổ nguồn chuẩn 60Co với thời gian đo 762,84 s 36 13 Hình 3.3 Phổ gamma mẫu chuẩn IAEA- RGU-1 với thời gian 38 đo 112180s 14 Hình 3.4 Đồ thị đường cong hiệu suất ghi mẫu RGU-1 chuẩn 39 15 Hình 3.5 Mẫu đo dạng hình trụ 121 g 40 16 Hình 3.6 Phổ gamma mẫu chuẩn RGU1 121g đo 41 thời gian 57464s 17 Hình 3.7 Đồ thị đường cong hiệu suất ghi mẫu chuẩn RGU-1 42 121g 18 Hình 3.8 Phổ gamma mẫu chè búp Hòa Bin ̀ h 44 19 Hình 3.9 Phổ gamma mẫu chè già Hòa Bình 45 20 Hình 3.10 Dạng phổ gamma mẫu đất Hòa Bình 100g 48 Luận văn thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Mơi trường sống xung quanh ln tồn đồng vị phóng xạ điều xảy từ Trái Đất hình thành Phơng xạ tự nhiên sinh chất đồng vị phóng xạ chứa đất đá, nước, khơng khí, thực phẩm, nhà thể Nói cách hình ảnh, giới sống chìm ngập xạ Con người khơng thể trốn tránh mà chung sống với xạ ấy, lựa chọn đảm bảo cho mơi trường phóng xạ hợp lý Quả vậy, khắp nơi có chất phóng xạ Các chất phóng xạ tia xạ đến Trái Đất từ miền xa xơi vũ trụ bao la Đó chất phóng xạ tự nhiên Chúng gồm có đồng vị phóng xạ ngun thủy có thời gian sống dài cháu chúng (có từ tạo thành trái đất) đồng vị phóng xạ sinh tương tác tia vũ trụ với bầu khí trái đất 14 C chẳng hạn Đồng vị liên tục tạo thành phản ứng hạt nhân xạ vũ trụ có lượng cao với oxy nitơ có lớp khí gần bề mặt Trái đất Tuy vậy, chúng phân bố khơng nơi với nơi khác hàm lượng phóng xạ mơi trường phụ thuộc vào vị trí địa lý, kiến tạo địa chất, tình trạng sống người, vào vật liệu xây dựng kiến trúc ngơi nhà để ở… Ngồi ra, từ non kỷ với phát triển cơng nghệ hạt nhân, mơi trường xuất chất phóng xạ nhân tạo Chúng sinh từ cơng nghệ ứng dụng đồng vị phóng xạ, từ nhà máy điện hạt nhân từ vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân Gần bốn thập kỉ thử nghiệm ạt vũ khí ngun tử qua, nhiều vùng Trái đất tồn đồng vị phóng xạ cesium (137Cs), strongxi (90Sr), hydro nặng (3H)…, chúng lưu lại chủ yếu đất, bùn đáy số động thực vật với hàm lượng thấp Ngồi khơng khí chứa đồng vị phóng xạ 14 C và 7Be, đồng vị phóng xạ liên quan tới tia vũ trụ Phổ biến đồng vị phóng xạ kali (40K), nhận biết diện đồng vị 40 K có nhiều rau, thể người Bên cạnh hạt Luận văn thạc sĩ khoa học nhân dãy phóng xạ uran thori Sự có mặt đồng vị phóng xạ ln ảnh hưởng dù hay nhiều đến tình trạng sức khỏe người mơi trường xung quanh tác động xạ lên vật chất sống Và người từ đời phải sống chung với phóng xạ chịu ảnh hưởng loại phóng xạ Do đó, việc đo phóng xạ gamma đồng vị phóng xạ mơi trường sống nhằm xác định phơng phóng xạ tự nhiên, khảo sát mức độ nhiễm phóng xạ hoạt động người tạo việc làm quan trọng cần thiết để giảm thiểu rủi ro gây phóng xạ Từ lý trên, đề tài: “Xác định hoạt độ phóng xạ riêng số đồng vị phóng xạ tự nhiên nhân tạo chè đất đá chân núi khu vực Hòa Bình” nhằm xác định hoạt độ phóng xạ số đồng vị có số mẫu đất đá chè , nhằ m đánh giá hoa ̣t ̣ phóng xa ̣ riêng của mơ ̣t sớ đờ ng v ị nhân ta ̣o có thể còn đươ ̣c lưu giữ la ̣i bề mă ̣t núi đá Về mă ̣t lý thú t , luận văn có nhiệm vụ tìm hiểu cở vật lý pháp kỹ thuật thực nghiệm xác định hoạt độ phóng xạ , phương riêng ngun tố phóng xa ̣ có mẫu đất đá chè Về thực nghiê ̣m tiế n hành đánh giá đư ợc mức độ giảm phơng buồng chì, xây dựng đường cong hiê ̣u ś t ghi và tiế n hành thử nghiê ̣m phân tić h hoa ̣t ̣ phóng xạ riêng số mẫu chè đất đá L ̣n văn dà i 53 trang gờ m 20 hình vẽ, 15 bảng biểu 18 tài liệu tham khảo Ngồi phần mở đầu kết luận, Luận văn chia thành ba chương: Chương Tổng quan tính chất phóng xạ mẫu đất đá thực vật Chương Xác định hoạt độ phóng xạ theo phương pháp phổ Gamma Chương Kết thực nghiệm Luận văn thạc sĩ khoa học Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT PHĨNG XẠ CỦA MẪU ĐẤT ĐÁ VÀ THỰC VẬT 1.1 Hiện tƣợng quy luật phân rã phóng xạ Năm 1892 Becquerel quan sát thấy muối uranium hợp chất phát tia gồm thành phần tia  (alpha), tức hạt 2He4, tia  (beta), tức hạt electron, tia  (gamma), tức xạ điện từ tia X bước sóng ngắn Hiện tượng gọi tượng phân rã phóng xạ (radioactive decay) Các tia , ,  gọi tia xạ (radiation rays) Chúng có tính chất kích thích số phản ứng hóa học, phá hủy tế bào, ion hóa chất khí, xun thấu qua vật chất [3] Dịch chuyển gamma xảy đồng vị phóng xạ trạng thái kích thích cao chuyển trạng thái kích thích thấp trạng thái Phân rã phóng xạ kéo theo khơng kéo theo dịch chuyển gamma 1.1.1 Quy luật phân rã phóng xạ Hiện tượng phóng xạ tượng hạt nhân khơng bền, tự biến đổi thành hạt nhân khác cách phát tia ,   Hạt nhân phóng xạ gọi hạt nhân mẹ, hạt nhân tạo thành hạt nhân Thí dụ: 137 Cs 137 (1.1) Ba + β- Hình 1.1 Sơ đồ phân rã Hình 1.1 trình bày q trình phân rã 137 137 137 Cs Cs 137 Ba + β- Ba + β-, gồm hai nhánh phát beta, nhánh thứ với hạt beta lượng 0,4959 MeV, hệ số phân nhánh 94,4% Luận văn thạc sĩ khoa học nhánh thứ hai với hạt beta lượng 0,6617 MeV, hệ số phân nhánh 5,6% Hạt nhân 137 Ba sau phân rã theo nhánh thứ nằm trạng thái kích thích tiếp tục phân rã gamma để chuyển trạng thái Phân rã phóng xạ kéo theo khơng kéo theo dịch chuyển gamma Tính phóng xạ phụ thuộc vào tính khơng bền vững hạt nhân tỉ số N/Z q cao hay q thấp so với giá trị trung bình (hình 1.2) quan hệ khối lượng hạt nhân mẹ, hạt nhân hạt phát Z 100 Sp=0 Z=N 80 60 Các hạt nhân + phóng xạ  Sn=0 Các hạt nhân bền 40 - Các hạt nhân phóng xạ  20 20 40 60 80 100 120 140 160 N Hình 1.2 Giản đồ Z-N phân biệt hạt nhân bền khơng bền [15] Khi phân rã phóng xạ số hạt nhân chưa bị phân rã sẽ giảm theo thời gian Giả sử thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã phóng xạ N.Sau thời gian dt số hạt trở thành N - dN có dN hạt nhân phân rã Độ giảm số hạt nhân chưa bị phân rã - dN tỉ lệ với N dt : - dN = Ndt (1.2) Trong hệ số tỉ lệ  gọi số phân rã (decay constant), có giá trị xác định đồng vị phóng xạ Từ cơng thức (1.2) ta có : dN = - dt N (1.3) Thực phép lấy tích phân cơng thức (1.3) ta có : N = N0e-t (1.4) Luận văn thạc sĩ khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Trịnh Văn Giáp (2011), “ Điều tra khảo sát để xây dựng sở liệu phơng phóng xạ mơi trường lãnh thổ đất liền giai đoạn 2009 – 2011” – Báo cáo kết nhiệm vụ khoa học cơng nghệ cấp năm 2009 – 2011 [3] Ngơ Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [4] Bùi Văn Lốt (2009), Địa vật lý hạt nhân, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội [5] Nguyễn Quang Long (2013), “Thiế t lâ ̣p sở dữ liê ̣u phơng phóng xa ̣ mơi trường Hà Nơ ̣i (phầ n Hà Nơ ̣i mở rơ ̣ng ) hồn thiện đồ kĩ thuật số phơng phóng xa ̣ mơi trường Hà Nội tỷ lệ: 1:100.000” – Báo cáo tởng kết năm 2013 Tiếng Anh [6] Al-Masri, M.S., H Mukallati, A Al-Hamwil, H Khalili, M Hassan, H Assaf, Y Amin and A Nashawati (2004), “Natural radionuclides in Syrian diet and their daily intake”, J.dionalytical and nuclear Chemistry, 260(2): 405-412 [7] Audi, G (2003), Nuclear Physics, A729 p 337 – 676 [8] Abu-Khadra SA, Eissa HS (2008), “Natural radionuclides in different plants, together with their corresponding soils in Egypt at Inshas region and the area nearby, IX radiation physics & protection conference”, National Network of Radiation Physics-Egyptian Atomic Energy Authority: Nasr city - Cairo [9] Bui Van Loat, Nguyen Van Quan, Le Tuan Anh, Tran The Anh, Nguyen The Nghia, Nguyen Van Hung (2009), “Studying of characteristic of GEM 40P4 HPGE detector by experiment”, VNU Journal of science, MathematicsPhysics 25, 231-236 Luận văn thạc sĩ khoa học [10] Chibowski, S (2000), “Studies of radioactive contamination and heavy metals contents in vegetables and fruits”, J Envir Study, 9(4):249-253 [11] Denagbe, S.J., Radon-222 concentrantion in subsoils and its exhalation rate from a soil sample, Radiation Measurements, 200 32:p 27-34 [12] Guivarch, A., P Hinsinger and S Staunton (1999), “Root uptake and distribution of radiocaesium from contaminated soils and the enhancement of Cs adsorption in the rhizosphere”, J Plant and Soil, 211(1): 131-138 [13].Huda Abdulrahman Al-Sulaiti (2011), “Determination of Natural Radioactivity Levels in the State of Quatar Using High Resolution Gamma-ray Spectrometry”, A thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy; University of Surrey [14] Kessaratikoon, P and Awaekechi, S (2008), “Natural radioactivity measurement in soil samples collected from municipal area of Hat Yai district in Songkhla province, Thailand”, KMITL Sci, J., Vol [15] K.N Mukhin (1987), “Physics of atomic nucleus”, 59 [16] Nasim-Akhtar and M Tufail (2007), “Natural radioactivity intake into wheat grown on fertilized farms in twodistrict of Pakistan”, Radiation Protection Dosimetry, 123(1):103-111 [17] ORTEC – MAESTRO – 32, ORTEC part No.777800 [18] Winkelmann, G., N Romanov, P Goloshopov, P.Gesewasky, S Mundisl, H Buchrodu, M C.Brummer and W Burkat (1998), “Measurement of radioactivity in environment samples from the southern urals”, J Rad and Envir, Biophysics 37(1): 57-61