Bài 3. Phóng xạ trang 102, 103, 104 Vật Lí 12 Cánh diều

CHMĐ

Trả lời câu hỏi mở đầu trang 102 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Quá trình nào xảy ra khiến cho lượng \({}_6^{14}C\) trong xác sinh vật giảm dần theo thời gian?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết bán rã

Lời giải chi tiết:

Tất cả các loại carbon đều chứa 6 proton trong hạt nhân, nhưng số lượng neutron có thể khác nhau. Trong trường hợp của carbon-14 (\({}_6^{14}C\)), có 8 neutron trong hạt nhân. Tuy nhiên, carbon-14 là một đồng vị không ổn định, và nó trải qua quá trình phân rã tự nhiên, gọi là phân rã phóng xạ.

Trong quá trình phân rã phóng xạ, carbon-14 phân rã thành một nguyên tử khác với việc phát ra hạt beta (một electron) và một antineutrino. Phản ứng này diễn ra theo phương trình:

\({}_6^{14}C \to {}_7^{14}N + {}_1^0e + {}_0^0\widetilde v\)

CH 1

Trả lời câu hỏi 1 trang 104 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Giải thích sự lệch khác nhau của các tia phóng xạ trong điện trường ở hình 3.5.

Hình 3.5. Sự lệch của các tia phóng xạ trong điện trường giữa hai bản kim loại song song tích điện trái dấu.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về phóng xạ

Lời giải chi tiết:

Ta thấy các tia β⁺, β^- và α bản chất đều là các dòng hạt mang điện do đó các tia này đều bị lệch trong điện trường với:

Tia β⁺ là dòng các hạt positron kí hiệu là \({}_1^0e\).

Tia β^- là dòng các hạt electron kí hiệu là \({}_{ - 1}^0e\).

Tia α là dòng các hạt nhân \({}_2^4He\).

Tuy nhiên tia γ là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn hay chính là các hạt photon có năng lượng cao, mà các hạt photon lại không mang điện do đó tia γ không bị lệch trong điện trường.

CH 2

Trả lời câu hỏi 2 trang 104 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Trong Hình 3.6. điền tên các tia phóng xạ theo khả năng đâm xuyên của chúng qua các chất. 

Hình 3.6. Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ qua các chất

Phương pháp giải:

Khả năng đâm xuyên của các tia phóng xạ qua các chất

Lời giải chi tiết:

Từ tính chất của các tia ta có thể xác định được :

Tia α không xuyên qua được tờ bìa dày 1mm.

Tia β có thể xuyên qua tờ bìa dày 1mm nhưng không xuyên qua được là nhôm dày vài mm

Tia γ có thể xuyên qua tờ bìa dày 1mm và lá nhôm dày vài mm nhưng không xuyên qua được tấm chì dày vài cm.

LT

Trả lời câu hỏi luyện tập trang 104 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Hoàn thành các phương trình phóng xạ sau đây và chỉ ra phương trình đó biểu diễn quá trình phóng xạ nào. 

a) \({}_{94}^{238}Pu \to {}_{95}^{238}Am + ? + {}_0^0\widetilde v\)

b) \({}_{88}^{226}Ra \to {}_{88}^{222}Rn + ?\)

c) \({}_7^{12}N \to ? + {}_1^0e + {}_0^0v\)

Phương pháp giải:

Vận dụng định luật bảo toàn điện tích

Lời giải chi tiết:

a) \({}_{94}^{238}Pu \to {}_{95}^{238}Am + {}_{ - 1}^0e + {}_0^0\widetilde v\)

b) \({}_{88}^{226}Ra \to {}_{88}^{222}Rn + {}_2^4He\)

c) \({}_7^{12}N \to {}_6^{14}C + {}_1^0e + {}_0^0v\)

LT

Trả lời câu hỏi luyện tập trang 105 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Sau khoảng thời gian là bao nhiêu chu kì bán rã thì số hạt nhân chất phóng xạ còn lại bằng \(\frac{1}{{16}}\) số hạt nhân ban đầu?

Phương pháp giải:

Vận dụng công thức tính số phóng xạ còn lại

Lời giải chi tiết:

Ta có công thức tính số phóng xạ còn lại: \(N = {N_0}{.2^{ - \frac{t}{T}}} = {N_0}.\frac{1}{{16}} \Rightarrow {2^{ - \frac{t}{T}}} = \frac{1}{{16}} \Rightarrow t = 4T\)

Vậy sau 4 chu kì bán rã thì số phóng xạ còn lại bằng \(\frac{1}{{16}}\) số hạt nhân ban đầu.

CH 1

Trả lời câu hỏi 1 trang 106 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ phụ thuộc vào yếu tố nào? 

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về độ phóng xạ

Lời giải chi tiết:

Độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố chính:

+ Tỷ lệ phóng xạ tự nhiên (hoặc hằng số phóng xạ): Đây là tỷ lệ mà một số hạt phóng xạ phân rã trong một đơn vị thời gian. Mỗi loại izotope có một hằng số phóng xạ riêng, và nó quyết định tốc độ phóng xạ tự nhiên của mẫu. Các izotop không ổn định sẽ phóng xạ với tốc độ khác nhau, dựa trên độ không ổn định của hạt nhân của chúng.

+ Khối lượng và loại chất phóng xạ: Khối lượng của mẫu phóng xạ ảnh hưởng đến tỷ lệ phóng xạ. Một mẫu có khối lượng lớn hơn sẽ chứa nhiều hạt phóng xạ hơn, do đó, tỷ lệ phóng xạ sẽ cao hơn. Loại chất phóng xạ cũng quan trọng, vì một số loại đồng vị có tỷ lệ phóng xạ tự nhiên cao hơn so với những loại khác.

CH 2

Trả lời câu hỏi 2 trang 106 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Vì sao độ phóng xạ của một mẫu chất phóng xạ giảm theo thời gian với cùng quy luật như số hạt chất phóng xạ? 

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết phóng xạ

Lời giải chi tiết:

Độ phóng xạ kí hiệu là H được xác định bằng số hạt nhân phân rã trong một giây:

\(H = \frac{{\Delta N}}{{\Delta t}}\)

H phụ thuộc vào lượng hạt nhân phân rã do đó nó cũng giảm theo thời gian với cùng quy luật như hạt chất phóng xạ theo công thức:

\(H = \lambda N\)

LT

Trả lời câu hỏi luyện tập trang 106 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Một mẫu chất phóng xạ β⁺ là \({}_8^{15}O\) có độ phóng xạ 2,80.10⁷ Bq. Biết rằng hằng số phóng xạ của \({}_8^{15}O\) là 5,67.10^-3s^-1 .

a) Xác định số hạt nhân chất phóng xạ có trong mẫu khi đó.

b) Xác định số hạt positron mẫu chất phát ra trong khoảng thời gian 1,00 ms. Coi gần đúng rằng độ phóng xạ của mẫu không thay đổi trong khoảng thời gian rất ngắn này.

Phương pháp giải:

Vận dụng công thức tính số phóng xạ

Lời giải chi tiết:

a) Ta có công thức: \(H = \lambda N\) do đó số hạt nhân chất phóng xạ có trong mẫu khi đó là:

\(N = \frac{H}{\lambda } = \frac{{2,{{8.10}^7}}}{{5,{{67.10}^{ - 3}}}} = 0,{494.10^{10}}\) hạt

b) Ta có phương trình phóng xạ:

\({}_8^{15}O \to {}_7^{15}N + {}_1^0e + {}_0^0v\)

Công thức tính số hạt nhân chất phóng xạ còn lại:

\(N = {N_0}.{e^{ - \lambda t}}\)

Từ đó ta có thể tính được số hạt nhân còn lại sau t = 10^-3s:

\(N = {N_0}.{e^{ - \lambda t}} = 0,{494.10^{10}}.{e^{ - 5,{{67.10}^{ - 3}}{{.10}^{ - 3}}}} = 4939971990\) hạt

Do đó số hạt nhân đã bị phân rã là:

\(\Delta N = {N_0} - N = 28010\) hạt

Trong quá trình phóng xạ trên, mỗi hạt nhân bị phóng xạ sẽ phát ra một hạt positron, do đó số định số hạt positron mẫu chất phát ra trong khoảng thời gian trên là: 28010 hạt.

VD

Trả lời câu hỏi vận dụng trang 107 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Một mẫu chứa đồng vị \({}_{27}^{60}Co\) là chất phóng xạ 27 với chu kì bán rã 5,27 năm, được sử dụng trong điều trị ung thư. Độ phóng xạ của mẫu khi mới sản xuất là H₀. Mẫu đó sẽ hết hạn sử dụng khi độ phóng xạ của nó giảm còn 0,70H₀. Xác định thời hạn sử dụng của mẫu đó.

Phương pháp giải:

Vận dụng công thức tính độ phóng xạ

Lời giải chi tiết:

Ta có công thức tính độ phóng xạ của mẫu chất theo độ phóng xạ ban đầu, hằng số phóng xạ và thời gian t:\(H = {H_0}.{e^{ - \lambda t}} = 0,7{H_0} \Rightarrow {e^{ - \lambda t}} = 0,7 \Rightarrow {e^{ - \frac{{\ln 2}}{T}t}} = 0,7 \Rightarrow  - \frac{{\ln 2}}{T}t = \ln (0,7) \Rightarrow t = \frac{{ - \ln (0,7)}}{{LN2}}.5,27 = 2,7118\)năm

Vậy thời hạn sử dụng của mẫu đó khoảng 2,7118 năm.

CH

Trả lời câu hỏi trang 107 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Tính chất nào của các tia phóng xạ là cơ sở cho phương pháp trị liệu bằng bức xạ?

Hình 3.9. Máy chiếu xạ chiếu chùm tia phóng xạ vào khối u trong cơ thể người bệnh.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết phóng xạ

Vận dụng lí thuyết phóng xạ

Lời giải chi tiết:

Tính chất của các tia phóng xạ là cơ sở cho phương pháp trị liệu bằng bức xạ là khả năng của chúng để xâm nhập vào mô tế bào và gây ra sự tổn thương hoặc tiêu diệt tế bào sống. Các tia phóng xạ, bao gồm cả tia X và tia gamma, có thể tác động lên các tế bào ung thư hoặc tế bào khối u một cách hiệu quả.

Khi các tia phóng xạ chạm vào mô tế bào, chúng tương tác với các phân tử và tạo ra các tác động ion hóa trong tế bào. Các tác động ion hóa này có thể phá hủy DNA của tế bào, gây ra tổn thương hoặc sửa chữa DNA không chính xác, dẫn đến tử vong hoặc làm cho tế bào không thể tiếp tục phân chia và mở rộng. Do đó, việc sử dụng bức xạ để tiêu diệt các tế bào ung thư là một phương pháp điều trị hiệu quả.

Trong các phương pháp trị liệu bằng bức xạ như hóa trị liệu bằng bức xạ, các tia phóng xạ được sử dụng để hướng tới và tiêu diệt các tế bào ung thư mà không gây tổn thương lớn cho mô bình thường xung quanh. Các quá trình này dựa vào khả năng của bức xạ để tác động lên các tế bào ung thư một cách hiệu quả hơn so với tế bào khỏe mạnh.

VD

Trả lời câu hỏi vận dụng trang 108 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Hạt nhân \({}_6^{14}C\) là chất phóng xạ β^- có chu kì bán rã là 5 730 năm. Trong cây có chất phóng xạ \({}_6^{14}C\) do hấp thụ carbon dioxide từ không khí trong quá trình quang hợp. Độ phóng xạ của một mẫu gỗ tươi và một mẫu gỗ cổ đại đã chết cùng loài, cùng khối lượng lần lượt là 0,250 Bq và 0,215 Bq. Xác định xem mẫu gỗ cổ đại đã chết cách đây bao lâu.

Phương pháp giải:

Vận dụng công thức bán rã

Lời giải chi tiết:

Ta có công thức tính độ phóng xạ của mẫu chất theo độ phóng xạ ban đầu, hằng số phóng xạ và thời gian t:

H = 0,215 Bq

Trong đó theo bài, độ phóng xạ của mẩu gỗ tươi là H = 0,25 Bq, độ phóng xạ của mẫu gỗ cổ đại đã chết cùng loài: H = 0,215 Bq

Từ đó ta có:

\(0,215 = 0,25.{e^{ - \frac{{\ln 2}}{T}t}}\)

Với T = 5730 năm

\( \Rightarrow t = \frac{{ - \ln \left( {\frac{{0,215}}{{0,25}}} \right)}}{{\ln 2}}.5730 = 1246,8\)năm

Vậy mẫu gỗ cổ đại đã chết cách đây khoảng t = 1246,8 năm.

THT

Trả lời câu hỏi tìm hiểu thêm trang 108 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Giải thích tác dụng của những việc làm:

a. Nhấc các nguồn phóng xạ bằng kẹp dài.

b. Cất giữ các nguồn phóng xạ trong các hộp có vỏ chỉ dày.

c. Luôn mặc quần áo bảo hộ khi làm việc với các nguồn phóng xạ.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức thực tế của bản thân

Lời giải chi tiết:

a. Nhắc các nguồn phóng xạ bằng kẹp dài:

+ Khi làm việc với các nguồn phóng xạ, việc sử dụng kẹp dài giúp tạo ra khoảng cách an toàn giữa người làm việc và nguồn phóng xạ.

+ Khoảng cách an toàn giúp giảm nguy cơ tiếp xúc trực tiếp với phóng xạ, giảm nguy cơ bị phơi nhiễm và bảo vệ sức khỏe của người làm việc.

b. Cất giữ các nguồn phóng xạ trong các hộp có vỏ chỉ dày:

+ Các hộp có vỏ chỉ dày được thiết kế để chứa các nguồn phóng xạ một cách an toàn.

+ Vỏ chỉ dày giúp làm giảm lượng phóng xạ bức xạ ra ngoài và giữ cho nguồn phóng xạ được bảo quản và vận chuyển một cách an toàn.

c. Luôn mặc quần áo bảo hộ khi làm việc với các nguồn phóng xạ:

+ Quần áo bảo hộ được thiết kế để bảo vệ người lao động khỏi tiếp xúc trực tiếp với nguồn phóng xạ.

+ Nó cũng có thể bao gồm các phụ kiện bảo hộ như găng tay, kính bảo hộ và mặt nạ để bảo vệ toàn diện.

+ Sử dụng quần áo bảo hộ giúp giảm nguy cơ tiếp xúc với phóng xạ, ngăn chặn sự xâm nhập của chất phóng xạ vào cơ thể và bảo vệ sức khỏe của người lao động.

LT

Trả lời câu hỏi luyện tập trang 109 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Trong nghiên cứu địa chất, các nhà khoa học sử dụng đơn vị picocuri (pCi) để so sánh độ phóng xạ rất nhỏ của các mẫu đất đá tự nhiên.

1pCi =10^-12 Ci

Trong đó, 1 Ci là độ phóng xạ của 1 gam g Ra có chu kì bán rã là 1600 năm.

Hãy đổi 1Ci ra đơn vị Bq. Lấy khối lượng mol nguyên tử của  là 26 g/mol và số Avogadro là 6,02.10²³ nguyên tử/mol.

Phương pháp giải:

Vận dụng chu kì bán rã

Lời giải chi tiết:

\(1Ci = \frac{{\frac{1}{{226}}.6,{{02.10}^{23}}}}{{1600.365.24.3600}} = 3,{7.10^{10}}Bq\)

VD

Trả lời câu hỏi vận dụng trang 109 SGK Vật lí 12 Cánh diều

Bạn đã gặp các biển báo như trong Hình 3.13 ở đâu? Bạn nên làm gì khi nhìn thấy những biển báo đó?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức thực tế của bản thân

Lời giải chi tiết:

Biển báo nguy hiểm do phóng xạ thường được đặt tại các khu vực hoặc cơ sở nơi có nguy cơ tiếp xúc với phóng xạ, chẳng hạn như các phòng điều trị bệnh, phóng xạ công nghiệp, các nhà máy điện hạt nhân, hoặc các cơ sở xử lý chất phóng xạ. Các biển báo này thông thường có các ký hiệu hoặc hình ảnh đặc biệt để chỉ ra sự hiện diện của nguy cơ phóng xạ.

Khi nhìn thấy các biển báo nguy hiểm do phóng xạ, bạn nên tuân thủ các hướng dẫn và biện pháp an toàn được liệt kê trên biển báo. Điều quan trọng là phải tuân thủ các hướng dẫn an toàn cụ thể cho khu vực đó, bao gồm:

+ Hạn chế thời gian tiếp xúc với khu vực hoặc vật liệu phóng xạ.

+ Sử dụng các thiết bị bảo hộ cá nhân như mặt nạ, găng tay, áo bảo hộ, kính bảo hộ, nếu cần thiết.

+ Theo dõi các hướng dẫn cụ thể của nhân viên an toàn hoặc nhân viên có kinh nghiệm trong lĩnh vực phóng xạ.

Nếu bạn không có sự đào tạo hoặc kinh nghiệm cần thiết để tiếp xúc với phóng xạ một cách an toàn, bạn nên tránh xa khu vực đó và thông báo cho nhân viên chuyên môn hoặc cơ quan quản lý an toàn về vấn đề đó. Đừng bao giờ tự ý xâm nhập vào các khu vực có nguy cơ phóng xạ mà không có sự hướng dẫn hoặc giám sát của người có kinh nghiệm.