Khám phá bức xạ Alpha, Beta và Gamma

Từ thuở sơ khai của vũ trụ, phóng xạ đã hiện diện và đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành và biến đổi của vạn vật. Hiểu được bản chất của nó, ta sẽ mở ra cánh cửa tri thức về thế giới vi mô đầy kỳ thú. Vatly.edu.vn hân hạnh mang đến cho các bạn học sinh THPT về lý thuyết vật lý hạt nhân qua ba loại bức xạ alpha, beta và gamma. Bài viết sẽ cung cấp cho các bạn kiến thức đầy đủ và hệ thống câu hỏivề chủ đề này.

Khái niệm về phóng xạ

Phóng xạ hay phóng xạ hạt nhân là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ).

Đặc điểm của phóng xạ:

• Tự phát: Hạt nhân nguyên tử tự phân rã mà không cần tác động từ bên ngoài.
• Ngẫu nhiên: Không thể dự đoán chính xác khi nào một hạt nhân cụ thể sẽ phân rã.
• Bức xạ: Phóng xạ đi kèm với sự phát ra các tia phóng xạ, bao gồm: Tia alpha (α), tia beta (β), tia gamma (γ).

Phân tích các dạng phóng xạ

Phân tích công thức và đặc điểm của ba dạng phóng xạ chính: phóng xạ alpha (α), phóng xạ beta (β) và phóng xạ gamma (γ) sẽ giúp ta hiểu rõ hơn về cơ chế và tác động của chúng trong vật lý hạt nhân.

Phóng xạ Alpha (α)

Phóng xạ alpha xảy ra khi một hạt nhân phát ra một hạt alpha, là một hạt nhân helium-4 ( hoặc α). Khi một nguyên tử phóng xạ alpha, hạt nhân của nó mất đi 2 proton và 2 neutron, dẫn đến sự thay đổi cả về số khối và số proton:

Trong đó: 

 là hạt nhân mẹ, là hạt nhân con và là hạt alpha.

Đặc điểm:

• Bức xạ alpha có khả năng ion hóa cao nhưng tầm xuyên thấu thấp; chúng dễ dàng bị chặn bởi tờ giấy hoặc lớp da người.
• Do kích thước lớn và khối lượng cao, hạt alpha mất năng lượng nhanh chóng khi di chuyển qua vật chất.

Phóng xạ Beta (β)

Phóng xạ beta có thể xảy ra theo hai dạng chính: phóng xạ beta minus (β-) và phóng xạ beta plus (β+).

Beta minus (β-): Một neutron chuyển đổi thành một proton, phát ra một electron (e−) và một antineutrino (νe):

Beta plus (β+): Một proton chuyển đổi thành một neutron, phát ra một positron (e+) và một neutrino (νe):

Đặc điểm:

• Bức xạ beta có khả năng xuyên thấu cao hơn alpha nhưng ít ion hóa hơn; có thể bị chặn bởi lớp kim loại mỏng.
• Electron hoặc positron phát ra trong phóng xạ beta có năng lượng đa dạng, cho phép chúng di chuyển xa hơn trong vật chất.

Phóng xạ Gamma (γ)

Phóng xạ gamma không kèm theo sự thay đổi trong số khối hoặc số proton của hạt nhân. Nó xảy ra khi hạt nhân ở trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản, phát ra bức xạ gamma, dạng năng lượng điện từ có bước sóng cực ngắn:

\[ _{Z}^{A}X^{*} \rightarrow _{Z}^{A}X + \gamma \]

Đặc điểm:

• Là bức xạ điện từ với năng lượng cao, không mang điện tích.
• Có khả năng xuyên thấu rất cao, có thể xuyên qua chì và bê tông, nhưng thường bị giảm tốc động kể bởi các vật liệu này.

Bảng tổng hợp các đặc điểm của 3 dạng phóng xạ

Dạng phóng xạ	Khối lượng	Điện tích	Khả năng ion hóa	Sức thâm nhập
Alpha (α)	4	+2	Mạnh	Yếu
Beta (β-)	1/1837	-1	Trung bình	Vừa phải
Beta (β+)	1/1837	+1	Trung bình	Vừa phải
Gamma (γ)	0	0	Yếu	Mạnh

Phân tích các định luật phóng xạ

Quy trình nhận diện phóng xạ

Quá trình phóng xạ thực chất là sự chuyển đổi hạt nhân từ một trạng thái không ổn định sang ổn định. Đặc điểm của quá trình này bao gồm:

Tự phát và không thể kiểm soát: Quá trình phóng xạ không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ hay áp suất.

Ngẫu nhiên: Không thể dự đoán trước được thời điểm cụ thể mà một hạt nhân cụ thể sẽ phân rã.

Quy luật điều khiển phóng xạ

Phóng xạ được quy định bởi một mô hình suy giảm hàm số mũ qua thời gian. Cụ thể là

• Số lượng hạt nhân ban đầu là N. Sau thời gian t, số lượng hạt nhân còn lại có thể được mô tả qua công thức: \(N(t)=N_{0}\times2^{-\frac{t}{T}}=N_{0}\times e^{-\lambda t}\)
  
• Trong đó T là chu kỳ bán rã, là khoảng thời gian mà số lượng hạt nhân giảm đi một nửa.
• Hằng số phóng xạ λ được xác định bởi λ = ln 2 / T
  
• Lượng hạt nhân đã phân rã là: N0−N(t)
  
• Vì khối lượng tỉ lệ trực tiếp với số hạt nhân, công thức cho khối lượng còn lại sau thời gian t là: \[m(t) = m_0 \times 2^{-\frac{t}{T}} = m_0 \times e^{-\lambda t}\]

Chu kỳ bán rã trong phóng xạ

• Chu kỳ bán rã là khoảng thời gian để số lượng hạt nhân giảm xuống còn một nửa.
• Chu kỳ bán rã T có thể được tính bằng công thức:
  
• Một danh sách chu kỳ bán rã cho một số chất phóng xạ cung cấp cái nhìn sâu sắc vào độ ổn định tương đối của chúng.

Bảng chu kỳ bán rã của một số chất phóng xạ thuộc công thức phóng xạ ở vật lý 12

Chất	Ký hiệu	Chu kỳ bán rã (T)	Loại phóng xạ
Poloni 210	^210Po	138,4 ngày	α
Chì 210	^210Pb	22,3 năm	β
Bismuth 210	^210Bi	5,01 ngày	β
Radium 226	^226Ra	1602 năm	α
Radon 222	^222Rn	3,82 ngày	α
Carbon 14	^14C	5730 năm	β
Iot 131	^131I	8,02 ngày	β
Cobalt 60	^60Co	5,27 năm	β
Urani 238	^238U	4,51 tỷ năm	α
Thori 232	^232Th	14,05 tỷ năm	α

Các ứng dụng của phóng xạ

Y học

• Chụp X-quang: Sử dụng tia X để tạo hình ảnh các cấu trúc bên trong cơ thể.
• Chụp cắt lớp vi tính (CT): Sử dụng tia X và máy tính để tạo hình ảnh chi tiết hơn về các cấu trúc bên trong cơ thể.
• Chụp PET (Positron Emission Tomography): Sử dụng đồng vị phóng xạ để theo dõi hoạt động chuyển hóa của cơ thể.
• Chụp SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography): Sử dụng đồng vị phóng xạ để tạo hình ảnh 3D của các cơ quan trong cơ thể.
• Xạ trị: Sử dụng tia X hoặc tia gamma để tiêu diệt tế bào ung thư.
• Sử dụng đồng vị phóng xạ để điều trị các bệnh như cường giáp, ung thư tuyến giáp.

Nông nghiệp

• Cải thiện giống cây trồng: Sử dụng tia phóng xạ để tạo đột biến gen, tạo ra các giống cây trồng mới có năng suất cao, khả năng chống chịu sâu bệnh tốt hơn.
• Bảo quản thực phẩm: Sử dụng tia phóng xạ để tiêu diệt vi sinh vật, giúp bảo quản thực phẩm lâu hơn.

Công nghiệp

• Kiểm tra khuyết tật: Sử dụng tia phóng xạ để kiểm tra các khuyết tật bên trong các vật liệu như kim loại, bê tông.
• Đo lường độ dày: Sử dụng tia phóng xạ để đo độ dày của các vật liệu như giấy, kim loại.
• Xác định niên đại: Sử dụng phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ để xác định tuổi của các vật liệu như đá, gỗ.

Khảo cổ học

• Xác định niên đại: Sử dụng phương pháp xác định niên đại bằng đồng vị phóng xạ để xác định tuổi của các di vật khảo cổ.
• Phân tích thành phần hóa học: Sử dụng tia X để phân tích thành phần hóa học của các di vật khảo cổ.

Bài tập ứng dụng về phóng xạ vật lý 12 (có đáp án)

Câu 1: Phát biểu nào sau đây là sai về hiện tượng phóng xạ?

A. Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân tự phát biến đổi thành một hạt nhân khác.

B. Phóng xạ có thể xảy ra với cả hạt nhân nguyên tử bền và không bền.

C. Phóng xạ có thể xảy ra với cả hạt nhân nguyên tử đứng yên và đang chuyển động.

D. Phóng xạ là một quá trình biến đổi năng lượng từ dạng năng lượng hạt nhân sang dạng năng lượng khác.

Đáp án: B.

Câu 2: Tia phóng xạ nào có khả năng đâm xuyên mạnh nhất?

A. Tia α

B. Tia β-

C. Tia β+

D. Tia γ

Đáp án: D.

Câu 3: Một chất phóng xạ ban đầu có 1024 nguyên tử. Sau 1 giờ, số nguyên tử của chất này còn lại 256 nguyên tử. Chu kỳ bán rã của chất phóng xạ này là:

A. 15 phút.

B. 30 phút.

C. 45 phút.

D. 60 phút.

Đáp án: A.

Câu 4: Hạt nhân pôlôni 210 84 Po 210  phân rã α thành hạt nhân chì 206 82 Pb 206 . Biết m P o = 209 , 9828 u ; m P b = 205 , 9744 u ; m α = 4 , 0026 u . Năng lượng tỏa ra trong phân rã này là:

A. 5,683 MeV.

B. 5,486 MeV.

C. 5,289 MeV.

D. 5,092 MeV.

Đáp án: B.

Câu 5: Một nguồn phóng xạ có chu kỳ bán rã là T. Sau thời gian 3T, số hạt nhân còn lại trong nguồn bằng:

A. ⅛ số hạt nhân ban đầu.

B. ¼  số hạt nhân ban đầu.

C. ½   số hạt nhân ban đầu.

D. ¾   số hạt nhân ban đầu.

Đáp án: A.

Câu 6: Tia β- là dòng hạt:

A. Electron.

B. Positron.

C. Proton.

D. Nơtron.

Đáp án: A.

Câu 7: Đại lượng nào sau đây đặc trưng cho khả năng xuyên sâu của tia phóng xạ vào vật chất?

A. Chu kỳ bán rã.

B. Hoạt độ phóng xạ.

C. Năng lượng của tia phóng xạ.

D. Khối lượng của tia phóng xạ.

Đáp án: C.

Câu 8: Tia γ là:

A. Dòng hạt nhân heli.

B. Dòng hạt electron.

C. Dòng hạt positron.

D. Sóng điện từ có năng lượng cao.

Đáp án: D.

Câu 9: Khi một hạt nhân phóng xạ α, hạt nhân con sẽ:

A. Giảm số khối 2 đơn vị và giảm số proton 2 đơn vị.

B. Giảm số khối 4 đơn vị và giảm số proton 2 đơn vị.

C. Tăng số khối 2 đơn vị và tăng số proton 2 đơn vị.

D. Tăng số khối 4 đơn vị và tăng số proton 2 đơn vị.

Đáp án: B.

Câu 10: Một chất phóng xạ có chu kỳ bán rã là 2 giờ. Sau 8 giờ, từ 1000 hạt nhân ban đầu, số hạt nhân còn lại là:

A. 125.

B. 250.

C. 375.

D. 500.

Đáp án: C.

Hành trình khám phá bí ẩn về phóng xạ đến đây là kết thúc. Hy vọng bài viết đã cung cấp cho các bạn học sinh THPT kiến thức đầy đủ và hữu ích về chủ đề này. Đừng ngần ngại tiếp tục theo dõi và khám phá thêm nhiều chủ đề thú vị khác tại vatly.edu.vn để làm phong phú thêm tình yêu với vật lý của bạn.