Câu hỏi mở đầu trang 104

Đề bài: Khi gói miếng kim loại hình chữ thập (+) cùng một hòn đá có chứa uranium bằng tấm phim và để trong bóng tối vài ngày, Becquerel đã phát hiện trên tấm phim có vết sáng giống dấu chữ thập như hình bên. Nguyên nhân nào gây tác dụng lên phim dù nó được để trong bóng tối?

Lời giải:

Nguyên nhân gây tác dụng lên phim là do các tia phóng xạ phát ra từ hòn đá chứa uranium.

• Các tia phóng xạ này không nhìn thấy được bằng mắt thường nhưng có thể xuyên qua các vật chất mỏng như giấy gói, kim loại mỏng và làm đen tấm phim.
• Vì miếng kim loại hình chữ thập cản được các tia phóng xạ nên phần phim bên dưới miếng kim loại không bị đen, còn phần xung quanh bị đen → tạo ra vết sáng hình chữ thập trên phim.

I. Hiện tượng phóng xạ

Hoạt động trang 104

Đề bài: Tìm hiểu thông tin về phát hiện của Becquerel và thí nghiệm trên, cho biết:

1. Hiện tượng phóng xạ xảy ra có tính tự phát hay phụ thuộc vào các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất,…?
2. Có thể điều khiển được hiện tượng phóng xạ không? Tại sao?

Lời giải:

1. Hiện tượng phóng xạ xảy ra hoàn toàn tự phát, không phụ thuộc vào các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất,…

2. Không thể điều khiển được hiện tượng phóng xạ.

Vì: Phóng xạ là quá trình biến đổi tự phát của các hạt nhân không bền vững, chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất phóng xạ, không chịu tác động từ các yếu tố bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, xúc tác,…).

Hoạt động trang 105

Đề bài: Sử dụng kết quả thí nghiệm trong Bảng 23.1 hãy thực hiện các yêu cầu sau:

• Nhận xét về số lượng phân rã trong các khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp.
• Có thể dự đoán được thời điểm xảy ra và số lượng các phân rã phóng xạ không?

Lời giải:

• Nhận xét:

Trong các khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp (mỗi khoảng 5 s), số phân rã ghi nhận được lần lượt là: 1; 3; 2; 0; 3; 1.

→ Số lượng phân rã trong các khoảng thời gian bằng nhau không bằng nhau, mà biến đổi ngẫu nhiên, không theo quy luật nhất định.

• Dự đoán:

Không thể dự đoán trước được:

• Thời điểm cụ thể mà một hạt nhân sẽ phân rã.
• Số lượng phân rã xảy ra trong một khoảng thời gian nhất định.

→ Điều này chứng tỏ quá trình phóng xạ có tính ngẫu nhiên.

Câu hỏi trang 106 (phóng xạ α)

Đề bài:

1. Hãy nêu các tính chất của tia phóng xạ α.
2. Hãy viết phương trình phân rã α của hạt nhân $^{235}_{\phantom{1}92}\text{U}$.

Lời giải:

1. Tính chất của tia phóng xạ α:

• Bản chất là hạt nhân $^{4}_{2}\text{He}$, mang điện tích dương.
• Có tốc độ khoảng $2 \cdot 10^7$ m/s.
• Ion hoá mạnh môi trường vật chất.
• Khả năng đâm xuyên yếu: chỉ đi được vài cm trong không khí, bị chặn lại bởi một tờ giấy dày khoảng 1 mm.

2. Phương trình phân rã α của $^{235}_{\phantom{1}92}\text{U}$:

Áp dụng dạng tổng quát: $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A-4}_{Z-2}Y + ^{4}_{2}\text{He}$

Với $A = 235$, $Z = 92$: $A – 4 = 231$; $Z – 2 = 90$ (nguyên tố Thorium – Th).

$$^{235}_{\phantom{1}92}\text{U} \rightarrow ^{231}_{\phantom{1}90}\text{Th} + ^{4}_{2}\text{He}$$

Câu hỏi trang 106 (phóng xạ β)

Đề bài:

1. Hãy nêu các tính chất của phóng xạ β.
2. Viết phương trình phân rã $β^-$ và $β^+$ tương ứng của các đồng vị $^{90}_{38}\text{Sr}$ và $^{18}_{\phantom{1}9}\text{F}$.

Lời giải:

1. Tính chất của phóng xạ β:

• Gồm hai loại: $β^-$ (bản chất là electron $^{\phantom{-}0}_{-1}e$) và $β^+$ (bản chất là positron $^{0}_{1}e$).
• Có tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng.
• Ion hoá môi trường ở mức trung bình.
• Khả năng đâm xuyên trung bình: có thể xuyên qua tờ giấy 1 mm nhưng bị chặn bởi tấm nhôm dày khoảng 1 mm.

2. Phương trình phân rã:

• Phân rã $β^-$ của $^{90}_{38}\text{Sr}$ (dạng: $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A}_{Z+1}Y + ^{0}_{-1}e + \tilde{\nu}$):

$Z + 1 = 39$ → nguyên tố Yttrium (Y).

$$^{90}_{38}\text{Sr} \rightarrow ^{90}_{39}\text{Y} + ^{\phantom{-}0}_{-1}e + \tilde{\nu}$$

• Phân rã $β^+$ của $^{18}_{\phantom{1}9}\text{F}$ (dạng: $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A}_{Z-1}Y + ^{0}_{1}e + \nu$):

$Z – 1 = 8$ → nguyên tố Oxygen (O).

$$^{18}_{\phantom{1}9}\text{F} \rightarrow ^{18}_{\phantom{1}8}\text{O} + ^{0}_{1}e + \nu$$

Câu hỏi trang 107 (phóng xạ γ)

Đề bài:

1. Hãy nêu các tính chất của phóng xạ γ.
2. Technetium ($^{99}_{43}\text{Tc}^*$) là đồng vị phóng xạ γ, được sử dụng rất phổ biến trong y học hạt nhân để chụp ảnh cơ quan bên trong cơ thể người. Viết phương trình phân rã của đồng vị này.

Lời giải:

1. Tính chất của phóng xạ γ:

• Là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn (cỡ nhỏ hơn $10^{-11}$ m), có năng lượng cao.
• Không mang điện → không bị lệch trong điện trường và từ trường.
• Ion hoá môi trường yếu hơn tia α và β.
• Khả năng đâm xuyên rất mạnh: dễ dàng xuyên qua các vật liệu thông thường. Muốn cản tia γ cần dùng vật liệu có mật độ lớn và bề dày lớn (ví dụ: tấm chì dày khoảng 10 cm).

2. Phương trình phân rã γ của $^{99}_{43}\text{Tc}^*$:

Dạng tổng quát: $^{A}_{Z}Y^* \rightarrow ^{A}_{Z}Y + \gamma$

$$^{99}_{43}\text{Tc}^* \rightarrow ^{99}_{43}\text{Tc} + \gamma$$

Hoạt động trang 107

Đề bài: Dựa vào đặc điểm các tia phóng xạ em hãy:

1. Giải thích hướng lệch của từng tia phóng xạ trong điện trường và trong từ trường ở Hình 23.3.
2. Giải thích lí do tại sao các tia α, β và γ có khả năng đâm xuyên khác nhau.

Lời giải:

1. Giải thích hướng lệch của các tia phóng xạ:

• Trong điện trường (Hình 23.3a):

• Tia α (mang điện tích $+2e$): lệch về phía bản âm do bị bản dương đẩy.
• Tia $β^+$ (mang điện tích $+e$): cũng lệch về phía bản âm, nhưng lệch mạnh hơn tia α vì khối lượng nhỏ hơn nhiều.
• Tia $β^-$ (mang điện tích $-e$): lệch về phía bản dương.
• Tia γ (không mang điện): đi thẳng, không bị lệch.

• Trong từ trường (Hình 23.3b):

• Các tia mang điện dương ($α$, $β^+$) và tia mang điện âm ($β^-$) lệch theo hai hướng ngược nhau do tác dụng của lực Lorentz.
• Tia β (nhẹ hơn) bị lệch mạnh hơn tia α.
• Tia γ không mang điện nên đi thẳng, không bị lệch.

2. Khả năng đâm xuyên khác nhau vì:

• Tia α: có khối lượng lớn, mang điện tích $+2e$ → ion hoá rất mạnh khi đi qua vật chất → mất năng lượng nhanh → đâm xuyên yếu nhất.
• Tia β: nhẹ hơn tia α nhiều, chỉ mang điện tích $\pm e$ → ion hoá ở mức trung bình → đâm xuyên trung bình.
• Tia γ: là sóng điện từ, không mang điện, ion hoá yếu nhất → ít mất năng lượng khi đi qua vật chất → đâm xuyên mạnh nhất.

II. Định luật phóng xạ. Độ phóng xạ

Câu hỏi trang 108

Đề bài:

1. Phát biểu định nghĩa chu kì bán rã.
2. Đồng vị phóng xạ $^{15}_{\phantom{1}8}\text{O}$ sau khoảng thời gian 244 s có 75% số hạt nhân ban đầu đã bị phân rã thành hạt nhân khác. Tính chu kì bán rã của $^{15}_{\phantom{1}8}\text{O}$.

Lời giải:

1. Định nghĩa chu kì bán rã:

Chu kì bán rã $T$ của một chất phóng xạ là khoảng thời gian mà một nửa số hạt nhân của chất đó bị phân rã, biến đổi thành hạt nhân khác.

2. Tính chu kì bán rã của $^{15}_{\phantom{1}8}\text{O}$:

Sau thời gian $t = 244$ s, có 75% số hạt nhân ban đầu đã phân rã.

→ Số hạt nhân còn lại là:

$$\dfrac{N_t}{N_0} = 100\% – 75\% = 25\% = \dfrac{1}{4} = \dfrac{1}{2^2}$$

Áp dụng định luật phóng xạ (công thức 23.1): $N_t = N_0 \cdot 2^{-t/T}$

$$\dfrac{N_t}{N_0} = 2^{-t/T} = \dfrac{1}{2^2}$$

$$\Rightarrow \dfrac{t}{T} = 2 \Rightarrow T = \dfrac{t}{2} = \dfrac{244}{2} = 122 \text{ s}$$

Vậy chu kì bán rã của $^{15}_{\phantom{1}8}\text{O}$ là $T = 122$ s.

Câu hỏi trang 109

Đề bài:

1. Nêu ý nghĩa của hằng số phóng xạ.
2. Dược chất phóng xạ Flortaucipir (chứa $^{18}_{\phantom{1}9}\text{F}$ là đồng vị phóng xạ $β^+$) được tiêm vào bệnh nhân nhằm chụp ảnh bên trong cơ thể (chụp ảnh PET – Bài 24). Biết $^{18}_{\phantom{1}9}\text{F}$ có chu kì bán rã khoảng 110 phút.
   a) Sau khi tiêm bao lâu thì lượng $^{18}_{\phantom{1}9}\text{F}$ giảm còn 10% và 1% so với lúc đầu?

   b) Mỗi mL dược chất phóng xạ Flortaucipir có độ phóng xạ ban đầu là $10^9$ Bq. Xác định số lượng hạt đồng vị $^{18}_{\phantom{1}9}\text{F}$ có trong mỗi mL dược chất tại thời điểm ban đầu và sau đó 1 ngày.

Lời giải:

1. Ý nghĩa của hằng số phóng xạ $\lambda$:

• $\lambda$ là đại lượng đặc trưng cho mỗi chất phóng xạ.
• $\lambda$ càng lớn thì tốc độ phân rã của chất phóng xạ càng nhanh (chu kì bán rã càng ngắn) và ngược lại.
• Đơn vị: $s^{-1}$.

2. Cho $T = 110$ phút.

a) Thời gian để $^{18}\text{F}$ giảm còn 10% và 1%:

Áp dụng công thức: $N_t = N_0 \cdot 2^{-t/T}$ → $\dfrac{N_t}{N_0} = 2^{-t/T}$

• Còn 10% ($N_t/N_0 = 0{,}1$):

$$2^{-t/T} = 0{,}1 \Rightarrow \dfrac{t}{T} = \log_2 10 \approx 3{,}32$$

$$\Rightarrow t \approx 3{,}32 \cdot 110 \approx 365 \text{ phút} \approx 6{,}1 \text{ giờ}$$

• Còn 1% ($N_t/N_0 = 0{,}01$):

$$2^{-t/T} = 0{,}01 \Rightarrow \dfrac{t}{T} = \log_2 100 \approx 6{,}64$$

$$\Rightarrow t \approx 6{,}64 \cdot 110 \approx 730 \text{ phút} \approx 12{,}2 \text{ giờ}$$

b) Số hạt $^{18}\text{F}$ trong 1 mL dược chất:

• Đổi đơn vị: $T = 110$ phút $= 110 \cdot 60 = 6600$ s.

Hằng số phóng xạ:

$$\lambda = \dfrac{\ln 2}{T} = \dfrac{0{,}693}{6600} \approx 1{,}05 \cdot 10^{-4} \text{ s}^{-1}$$

• Tại thời điểm ban đầu:

Áp dụng công thức (23.2): $H_0 = \lambda N_0 \Rightarrow N_0 = \dfrac{H_0}{\lambda}$

$$N_0 = \dfrac{10^9}{1{,}05 \cdot 10^{-4}} \approx 9{,}52 \cdot 10^{12} \text{ hạt}$$

• Sau 1 ngày ($t = 24$ giờ $= 1440$ phút):

Số chu kì bán rã: $\dfrac{t}{T} = \dfrac{1440}{110} \approx 13{,}09$

$$N = N_0 \cdot 2^{-t/T} \approx 9{,}52 \cdot 10^{12} \cdot 2^{-13{,}09}$$

$$N \approx 9{,}52 \cdot 10^{12} \cdot 1{,}15 \cdot 10^{-4} \approx 1{,}09 \cdot 10^{9} \text{ hạt}$$

Kết luận: Số hạt $^{18}\text{F}$ ban đầu $\approx 9{,}52 \cdot 10^{12}$ hạt; sau 1 ngày còn $\approx 1{,}09 \cdot 10^{9}$ hạt.

III. Ảnh hưởng của tia phóng xạ. Biển cảnh báo phóng xạ

Hoạt động trang 111

Đề bài:

1. Tìm hiểu qua sách báo, internet về tác hại của phóng xạ đến sức khoẻ của con người và cho biết:a) Các loại phơi nhiễm phóng xạ.

   b) Biểu hiện khi bị phơi nhiễm phóng xạ.

   c) Cách phòng tránh nhiễm phóng xạ.

2. Nêu tên các địa điểm có nguy cơ phóng xạ trong Hình 23.9. Nếu gặp các biển cảnh báo đó em sẽ làm gì?

Lời giải:

1.

a) Các loại phơi nhiễm phóng xạ:

• Phơi nhiễm ngoài: nguồn phóng xạ ở bên ngoài cơ thể, các tia phóng xạ chiếu vào cơ thể từ ngoài vào.
• Phơi nhiễm trong: chất phóng xạ xâm nhập vào bên trong cơ thể qua đường hô hấp, ăn uống, hoặc qua vết thương hở.

b) Biểu hiện khi bị phơi nhiễm phóng xạ:

• Ngắn hạn: bỏng phóng xạ, buồn nôn, nôn mửa, suy nhược thần kinh,…
• Dài hạn: đột biến gen, ung thư, ảnh hưởng di truyền cho thế hệ sau,…

c) Cách phòng tránh nhiễm phóng xạ:

• Giữ khoảng cách đủ xa với nguồn phóng xạ.
• Sử dụng tấm chắn (chì, bê tông,…) để cản tia phóng xạ.
• Giảm thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ.
• Không tiếp cận các khu vực có biển cảnh báo phóng xạ.

2. Các địa điểm có nguy cơ phóng xạ trong Hình 23.9:

• a) Nhà máy điện hạt nhân.
• b) Thiết bị lưu trữ chất thải phóng xạ.
• c) Kho lưu giữ vật liệu phóng xạ.
• d) Phòng chụp PET/CT (phòng chẩn đoán hình ảnh y học hạt nhân).

Nếu gặp các biển cảnh báo đó, em sẽ:

• Không tiếp cận khu vực có biển cảnh báo.
• Nhanh chóng rời xa khu vực đó.
• Không mở, không làm hỏng thiết bị hoặc vật chứa nguồn phóng xạ.
• Nếu ở nơi công cộng, báo ngay cho người có trách nhiệm hoặc cơ quan chức năng.

IV. Nguyên tắc an toàn phóng xạ

Hoạt động trang 112

Đề bài:

1. Hãy tìm hiểu và nêu thêm nguyên tắc an toàn phóng xạ. Việc tuân thủ quy tắc an toàn phóng xạ có vai trò gì?
2. Trong y học và công nghiệp, nguồn phóng xạ và chất thải phóng xạ được bảo quản trong các thiết bị lưu trữ (ví dụ như Hình 23.12) hoặc đặt trong các hầm cách li với các nguồn nước (ví dụ Hình 24.2). Người ta đã áp dụng nguyên tắc an toàn phóng xạ nào?

Lời giải:

1. Một số nguyên tắc an toàn phóng xạ thêm:

• Sử dụng thiết bị đo và cảnh báo phóng xạ khi làm việc.
• Mặc đồ bảo hộ chuyên dụng khi tiếp xúc với nguồn phóng xạ.
• Tuân thủ giới hạn liều hấp thụ phóng xạ trong năm.
• Được đào tạo, huấn luyện về an toàn phóng xạ trước khi làm việc.

Vai trò của việc tuân thủ: giúp bảo vệ sức khoẻ con người, hạn chế tối đa các tác hại của tia phóng xạ đối với cơ thể, môi trường và cộng đồng.

2. Các nguyên tắc an toàn phóng xạ được áp dụng:

• Sử dụng tấm chắn tốt: thiết bị lưu trữ có vỏ dày, làm bằng vật liệu có mật độ lớn (thép, chì,…) để cản tia phóng xạ.
• Giữ khoảng cách đủ xa: đặt trong các hầm cách li với các nguồn nước, tránh xa khu vực sinh hoạt của con người.

Em có thể

Nêu được cách xác định niên đại của các di vật khảo cổ bằng phóng xạ

Lời giải:

Phương pháp xác định niên đại các di vật khảo cổ (mẫu vật có nguồn gốc hữu cơ) dựa vào đồng vị phóng xạ carbon $^{14}_{\phantom{1}6}\text{C}$:

• Trong khí quyển, tỉ lệ $^{14}\text{C}$ so với tổng số nguyên tử carbon luôn không đổi ($K(14) \approx 10^{12}$).
• Khi sinh vật còn sống: chúng liên tục trao đổi carbon với môi trường → tỉ lệ $^{14}\text{C}$ trong cơ thể bằng tỉ lệ trong không khí.
• Khi sinh vật chết đi: không còn trao đổi carbon nữa, lượng $^{14}\text{C}$ trong cơ thể giảm dần theo định luật phóng xạ (chu kì bán rã $T = 5730$ năm).
• So sánh tỉ lệ $^{14}\text{C}$ trong mẫu vật hiện tại với tỉ lệ ban đầu → áp dụng công thức $N_t = N_0 \cdot 2^{-t/T}$ → tính được thời gian $t$ từ khi sinh vật chết đến nay.

Ngoài ra, có thể dùng các đồng vị phóng xạ khác như $^{238}\text{U}$, $^{40}\text{K}$, $^{36}\text{Cl}$,… để xác định tuổi của các mẫu vật vô cơ (đá, khoáng sản,…).

Biết cách phòng tránh khi thấy biển cảnh báo vị trí có phóng xạ nguy hiểm

Lời giải:

Khi thấy biển cảnh báo phóng xạ, cần thực hiện:

• Không tiếp cận khu vực có biển cảnh báo.
• Rời xa khu vực đó càng nhanh càng tốt.
• Không mở, không làm hỏng các thiết bị hoặc vật chứa nguồn phóng xạ.
• Nếu ở nơi công cộng, cần báo ngay cho người có trách nhiệm hoặc cơ quan chức năng để có biện pháp xử lý phù hợp.
• Trường hợp bắt buộc phải đi qua, cần đảm bảo: giữ khoảng cách xa nhất có thể, đi nhanh để giảm thời gian tiếp xúc và sử dụng thiết bị bảo hộ nếu có.

Giải thích được tại sao chúng ta vẫn có thể tiếp xúc với các nguồn phóng xạ một cách an toàn

Lời giải:

Chúng ta vẫn có thể tiếp xúc an toàn với các nguồn phóng xạ nhờ tuân thủ các nguyên tắc an toàn phóng xạ:

• Giữ khoảng cách đủ xa đối với nguồn phóng xạ: khi tăng gấp đôi khoảng cách thì liều hấp thụ giảm đi 4 lần.
• Sử dụng tấm chắn phóng xạ đủ tốt: dùng vật liệu có mật độ lớn và bề dày lớn (chì, bê tông, thép,…) để cản tia phóng xạ.
• Giảm thiểu thời gian phơi nhiễm phóng xạ: thời gian tiếp xúc càng ngắn, liều hấp thụ càng nhỏ.
• Bảo quản đúng cách nguồn phóng xạ trong thiết bị lưu trữ chuyên dụng hoặc hầm cách li.
• Tuân thủ giới hạn liều hấp thụ cho phép (ví dụ: quy định tại Việt Nam là $D_{hd(max)} = 1$ mSv/năm với người bình thường).

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn