Hiện tượng phóng xạ, biểu thức Định luật phóng xạ, Công thức tính chu kỳ bán rã - Vật lý 12 bài 37

Trong bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu hiện tượng phóng xạ xảy ra như thế nào? nó chứng minh điều gì? Định luật phóng xạ phát biểu ra sao, Công thức tính Định luật phóng xạ và Chu kỳ bán rã được viết thế nào?

Từ phát hiện phóng xạ của Béc-cơ-ren, hai ông bà Pi-e Quy-ri (Curie) và Ma-ri Quy-ri lại tìm thêm được hai chất phóng xạ là pôlôni và rađi, trong đó rađi có tính phóng xạ mạnh hơn nhiều so với urani, sau đó người ta tìm ra hiện tượng phóng xạ nhân tạo.

I. Hiện tượng phóng xạ

1. Hiện tượng phóng xạ là gì?

- Định nghĩa: Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). 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. Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con.

2. Các dạng phóng xạ

a) Phóng xạ anpha α:

- Phản ứng phóng xạ α:

- Tia α là dòng hạt nhân  chuyển động với tốc độ 20000 km/s. Quãng đường đi được của tia α trong không khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micromét.

b) Phóng xạ beta trừ β^-:

- Phản ứng phóng xạ β^-:

- Phóng xạ β^- là quá trình phát ra tia β^-. Tia β^- là dòng các electron ()

c) Phóng xạ beta cộng β⁺:

- Phản ứng phóng xạ β⁺:

- Phóng xạ β⁺ là quá trình phát ra tia β⁺. Tia β⁺ là dòng các pôzitron (). Pô zitron có điện tích +e và khối lượng bằng khói lượng electron. Nó là phản hạt của electron.

- Các hạt  và  chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng, tạo thành các tia β^- và β⁺. Các tia này có thể truyền được vài mét trong không khí và vài milimét trong kim loại.

d) Phóng xạ gamma γ:

- Một số hạt nhân con sau quá trình phóng xạ α hay β⁺, β^- được tạo ra ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và phát ra bức xạ γ, gọi là tia γ.

- Các tia γ đi được vài mét trong bêtông và vài xentimét 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 (không phụ thuộc nhiệt độ, áp suất,...)

- Là một quá trình ngẫu nhiên (không có thời gian phân rã xác định).

2. Định luật phóng xạ

- Phát biểu định luật phóng xạ: Đặc trưng cho mỗi chất phóng xạ là thời gian T, gọi là chu kỳ bán rã. Cứ sau khoảng thời gian 1 chu kỳ bán rã T thì một nửa lượng chất phóng xạ đã bị phân rã biến thành chất khác.

- Công thức định luật phân rã phóng xạ: N = N₀e^-λt

 Với  là hằng số phóng xạ; 

 Suy ra số hạt nhân phân rã: 

3. Chu kì bán rã

- Định nghĩa: Chu kì bán rã là thời gian qua đó số lượng các hạt nhân còn lại 50% (nghĩa là phân rã 50%).

- Công thức chu kỳ bán rã T: 

- Dưới đây là bảng chu kỳ bán rã của một số chất phóng xạ:

Bảng chu kỳ bán rã của một số chất phóng xạ

III. Đồng vị phóng xạ nhân tạo

- Ngoài các đồng vị phóng xạ có sẵn trong tự nhiên, người ta cũng chế tạo được nhiều đồng vị phóng xạ, gọi là đồng vị phóng xạ nhân tạo.

1. Phóng xạ nhân tạo và phương pháp nguyên tử đánh dấu

- Người ta tạo ra các hạt nhân phóng xạ của các nguyên tố X bình thường không phải là chất phóng xạ theo sơ đồ tổng quát sau :

-  là đồng vị phóng xạ của X. Khi trộn lẫn với các hạt nhân bình thường không phóng xạ, các hạt nhân phóng xạ được gọi là các nguyên tử đánh dấu, cho phép ta khảo sát sự tồn tại, sự phân bố, sự chuyển vận của nguyên tố X.

- Phương pháp nguyên tử đánh dấu có nhiều ứng dụng quan trọng trong sinh học, hóa học, y học,... Trong y học người ta đưa các đồng vị khác nhau vào cơ thể để theo dõi sự xâm nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định trong cơ thể người để theo dõi tình trạng bệnh lý.

2. Đồng vị ¹⁴C , đồng hồ của Trái Đất

-  là một đồng vị phóng xạ β^-, chu kì bán rã 5730 năm. Tỉ lệ C trong cácbon điôxít CO₂ của khí quyển là 10^-6%.

- Bằng cách so sánh độ phóng xạ của mẫu cây tươi và mẫu cây đã chết cùng loại và cùng khối lượng ta có thể xác định được thời gian từ lúc cây ấy chết cho đến nay. Điều này được ứng dụng trong ngành khảo cổ học để xác định niên đại của các cổ vật.

- Đơn vị của độ phóng xạ là becơren (Bq) và curi (Ci): 1Bq = 1 phân rã/s.

IV. Bài tập vận dụng định luật phóng xạ và chu kỳ bán rã

* Bài 1 trang 194 SGK Vật Lý 12: Một hạt nhân  phóng xạ α, β-, β+, γ hãy hoàn chỉnh bảng sau:

° Lời giải bài 1 trang 194 SGK Vật Lý 12:

- Ta có bảng sau:

* Bài 2 trang 194 SGK Vật Lý 12: Chọn câu đúng. Quá trình phóng xạ hạt nhân.

A. thu năng lượng

B. tỏa năng lượng

C. không thu, không tỏa năng lượng

D. có trường hợp thu, có trường hợp tỏa năng lượng.

° Lời giải bài 2 trang 194 SGK Vật Lý 12:

◊ Chọn đáp án: B. tỏa năng lượng

- Quá trình phóng xạ hạt nhân tỏa năng lượng. Trong phản ứng toả năng lượng các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn. Các hiện tượng: phóng xạ, phân hạch, nhiệt hạch luôn là phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

* Bài 3 trang 194 SGK Vật Lý 12: Trong số các tia: α, β^-, β⁺, γ tia nào đâm xuyên mạnh nhất? Tia nào đâm xuyên yếu nhất?

° Lời giải bài 3 trang 194 SGK Vật Lý 12:

- Khả năng đâm xuyên tia γ là mạnh nhất vì bước sóng ngắn nhất, năng lượng lớn nhất.

- Khả năng đâm xuyên tia α là yếu nhất vì bước sóng dài nhất, năng lượng nhỏ nhất.

* Bài 4 trang 194 SGK Vật Lý 12: Quá trình phóng xạ nào không có sự thay đổi cấu tạo hạt nhân?

A. Phóng xạ α     B. Phóng xạ β^-

C. Phóng xạ β⁺   D. Phóng xạ γ

° Lời giải bài 4 trang 194 SGK Vật Lý 12:

◊ Chọn đáp án: D. Phóng xạ γ

a) Phóng xạ α: 

- Hạt nhân con ở vị trí lùi hai ô so với hạt nhân mẹ

b) Phóng xạ β^-: 

- Hạt nhân con ở vị trí tiến một ô so với hạt nhân mẹ

c) Phóng xạ β⁺: 

- Hạt nhân con ở vị trí lùi một ô so với hạt nhân mẹ

d) Phóng xạ γ

- Tia γ có bản chất là sóng điện từ nên không có sự biến đổi hạt nhân.

* Bài 5 trang 194 SGK Vật Lý 12: Hãy chọn câu đúng. Trong quá trình phóng xạ, số lượng hạt phân hủy giảm đi vào thời gian t theo quy luật

A. -αt + β (α,β>0)     B.      C.     D.e^-λt

° Lời giải bài 5 trang 194 SGK Vật Lý 12:

◊ Chọn đáp án: D.e^-λt

- Số lượng hạt nhân giảm theo hàm mũ: N = N₀.e^-λt