Hiện tượng mà Becquerel quan sát được là một trong những phát hiện tình cờ quan trọng nhất trong lịch sử vật lí, đánh dấu sự tìm ra hiện tượng phóng xạ. Lời giải chi tiết như sau:

1. Bản chất của Uranium: Uranium là một nguyên tố phóng xạ. Các hạt nhân uranium không bền vững, chúng tự phân rã một cách ngẫu nhiên và tự phát, phát ra các tia phóng xạ (như tia $\alpha$, $\beta$ và $\gamma$).

2. Tác dụng lên phim ảnh: Tấm phim ảnh (photographic plate) thời đó được phủ một lớp nhũ tương muối bạc, vốn rất nhạy cảm với ánh sáng. Tuy nhiên, các tia phóng xạ từ Uranium cũng có năng lượng cao và khả năng ion hóa mạnh, nên chúng cũng có thể gây ra những thay đổi hóa học trên nhũ tương phim tương tự như tác dụng của ánh sáng.

3. Vai trò của miếng kim loại hình chữ thập: Miếng kim loại này đóng vai trò là một vật cản. Khi các tia phóng xạ từ hòn đá Uranium phát ra theo mọi hướng, những tia nào gặp miếng kim loại sẽ bị hấp thụ hoặc bị chặn lại, không thể xuyên qua để chạm tới tấm phim.

4. Kết luận: Do tấm phim được để trong bóng tối, nên những vết sáng (hoặc vùng bị đen đi tùy loại phim) xuất hiện trên phim chính là kết quả của việc các tia phóng xạ từ Uranium tác động lên nhũ tương. Vì miếng kim loại hình chữ thập đã chắn các tia phóng xạ tại đúng vị trí của nó, nên vùng phim phía sau miếng kim loại không bị tác động, tạo nên hình ảnh 'bóng' của chữ thập trên tấm phim.

Nguyên nhân chính: Do hòn đá Uranium tự phát ra các tia phóng xạ có khả năng xuyên thấu và tác động lên tấm phim ảnh dù không có ánh sáng.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 104:

1. Tính chất của hiện tượng phóng xạ:

Hiện tượng phóng xạ xảy ra có tính tự phát. Điều này được chứng minh qua thí nghiệm của Becquerel: khi ông đặt muối Uranium lên một tấm kính ảnh và che lại bằng giấy đen (để ngăn ánh sáng), tấm kính ảnh vẫn bị ám đen. Điều này cho thấy các tia phóng xạ được phát ra từ chính hạt nhân nguyên tử Uranium mà không cần bất kỳ nguồn kích thích nào từ môi trường bên ngoài.

Do đó, tốc độ phóng xạ (độ phóng xạ) không phụ thuộc vào các yếu tố môi trường như: nhiệt độ, áp suất, trạng thái vật lí (rắn, lỏng, khí) hay các phản ứng hóa học của chất phóng xạ.

2. Khả năng điều khiển hiện tượng phóng xạ:

Chúng ta không thể điều khiển được hiện tượng phóng xạ (không thể làm tăng tốc hay chậm lại quá trình phân rã của một hạt nhân cụ thể). Vì vậy:

• Lý do: Phóng xạ là một quá trình nội tại của hạt nhân. Năng lượng liên kết hạt nhân cực kỳ lớn, khiến các tác động từ môi trường bên ngoài (như nhiệt năng hay áp suất) quá nhỏ để có thể làm thay đổi cấu trúc hay trạng thái năng lượng của hạt nhân.
• Kết luận: Đối với mỗi đồng vị phóng xạ, hằng số phóng xạ $\lambda$ và chu kỳ bán rã $T$ là những đặc trưng cố định, không thay đổi dưới tác động của các điều kiện vật lí, hóa học thông thường.

Dựa vào kết quả thí nghiệm trong Bảng 23.1 (số hạt phân rã trong các khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp), ta thực hiện phân tích như sau:

1. Nhận xét về số lượng phân rã trong các khoảng thời gian bằng nhau liên tiếp:

Khi quan sát số lượng phân rã trong Bảng 23.1, ta thấy số hạt phân rã trong mỗi khoảng thời gian là không giống nhau (có sự dao động, tăng giảm ngẫu nhiên), mặc dù các khoảng thời gian này là bằng nhau. Điều này cho thấy hiện tượng phân rã hạt nhân không diễn ra đều đặn theo thời gian đối với một mẫu chất phóng xạ trong thời gian ngắn.

2. Khả năng dự đoán thời điểm và số lượng phân rã:

• Về thời điểm xảy ra: KHÔNG thể dự đoán được. Phóng xạ là hiện tượng tự phát, mỗi hạt nhân phân rã độc lập với các hạt nhân khác và không phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài.
• Về số lượng phân rã: KHÔNG thể dự đoán chính xác số lượng hạt sẽ phân rã trong một khoảng thời gian ngắn cụ thể. Ta chỉ có thể dự đoán giá trị trung bình của số hạt phân rã dựa trên xác suất thống kê khi xét trên một số lượng hạt nhân rất lớn.

Kết luận: Hiện tượng phóng xạ mang tính ngẫu nhiên và tự phát.

1. Các tính chất của tia phóng xạ $\alpha$:
Tia $\alpha$ thực chất là dòng các hạt nhân nguyên tử Heli ($^4_2 ext{He}$), bao gồm 2 proton và 2 neutron. Các tính chất chính bao gồm:

• Điện tích: Mang điện tích dương ($+2e$).
• Khối lượng: Có khối lượng tương đối lớn ($m_\alpha \approx 4\text{u}$).
• Khả năng ion hoá: Rất mạnh do có điện tích lớn và tốc độ tương đối chậm, dễ dàng ion hoá các nguyên tử trong môi trường mà nó đi qua.
• Khả năng đâm xuyên: Rất kém. Tia $\alpha$ có thể bị chặn lại bởi một tờ giấy mỏng hoặc chỉ đi được một quãng đường ngắn (vài cm) trong không khí.

2. Phương trình phân rã $\alpha$ của hạt nhân $^{235}_{92}\text{U}$:
Khi hạt nhân $^{235}_{92}\text{U}$ phóng xạ $\alpha$, nó sẽ phát ra một hạt nhân Heli ($^4_2 ext{He}$). Theo định luật bảo toàn số khối và bảo toàn điện tích, hạt nhân con (ký hiệu là $\text{X}$) sẽ có:

• Số khối: $A = 235 - 4 = 231$
• Số hiệu nguyên tử (điện tích): $Z = 92 - 2 = 90$

1. Các tính chất của phóng xạ $\beta$

Phóng xạ $\beta$ là quá trình hạt nhân không bền vững tự phân rã, phát ra các hạt $\beta$. Có hai loại tia $\beta$ chính:

• Bản chất: Tia $\beta^-$ là dòng các electron ($e$), tia $\beta^+$ là dòng các positron ($e^+$). Positron là phản hạt của electron, có cùng khối lượng nhưng trái dấu điện tích.
• Điện tích: Tia $\beta^-$ mang điện tích âm ($-e$), tia $\beta^+$ mang điện tích dương ($+e$).
• Khả năng đâm xuyên: Mạnh hơn tia $\alpha$ nhưng yếu hơn tia $\gamma$. Nó có thể bị chặn lại bởi một tấm nhôm mỏng vài milimét.
• Sự lệch hướng: Vì mang điện, tia $\beta$ bị lệch hướng khi đi qua điện trường hoặc từ trường. Tia $\beta^-$ và $\beta^+$ bị lệch về hai hướng ngược nhau.

2. Viết phương trình phân rã

a. Phân rã $\beta^-$ của đồng vị ${}_{38}^{90}Sr$ (Strontium):

Trong phân rã $\beta^-$, một neutron trong hạt nhân biến thành một proton, một electron ($\beta^-$) và một antineutrino ($\bar{\nu}_e$). Số khối $A$ không đổi, số hiệu nguyên tử $Z$ tăng thêm 1 đơn vị ($38 \rightarrow 39$). Nguyên tố có $Z=39$ là Yttrium (Y).

${}_{38}^{90}Sr \rightarrow {}_{39}^{90}Y + {}_{-1}^{0}e + \bar{\nu}_e$

b. Phân rã $\beta^+$ của đồng vị ${}_{9}^{18}F$ (Fluorine):

Trong phân rã $\beta^+$, một proton trong hạt nhân biến thành một neutron, một positron ($\beta^+$) và một neutrino ($\nu_e$). Số khối $A$ không đổi, số hiệu nguyên tử $Z$ giảm đi 1 đơn vị ($9 \rightarrow 8$). Nguyên tố có $Z=8$ là Oxygen (O).

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

Kết luận: Phân rã $\beta^-$ làm tăng số proton trong hạt nhân, trong khi phân rã $\beta^+$ làm giảm số proton, cả hai đều giữ nguyên tổng số nucleon.

1. Các tính chất của phóng xạ $\gamma$:
Tia $\gamma$ có các tính chất đặc trưng sau:

• Bản chất: Là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, năng lượng rất cao (là các photon năng lượng cao).
• Điện tích và khối lượng: Không mang điện và không có khối lượng nghỉ.
• Khả năng ion hóa: Thấp hơn nhiều so với tia $\alpha$ và tia $\beta$.
• Khả năng xuyên thấu: Rất mạnh. Tia $\gamma$ có thể xuyên qua cơ thể người, các tấm nhôm hay gỗ. Để ngăn chặn tia $\gamma$, cần dùng các vật liệu có mật độ cao như chì ($\text{Pb}$) hoặc bê tông dày.

2. Phương trình phân rã của Technitium ($\text{}_{43}^{99}\text{Tc}$):
Trong y học hạt nhân, đồng vị $\text{}_{43}^{99}\text{Tc}$ thường ở trạng thái kích thích (ký hiệu là $\text{Tc}^*$ hoặc $\text{Tc-99m}$). Khi phân rã $\gamma$, hạt nhân này giải phóng năng lượng dưới dạng photon $\gamma$ để trở về trạng thái cơ bản mà không làm thay đổi số khối $A$ và số hiệu nguyên tử $Z$.
Phương trình phân rã như sau:
$$\text{}_{43}^{99}\text{Tc}^* \rightarrow \text{}_{43}^{99}\text{Tc} + \gamma$$
Giải thích:

• $\text{}_{43}^{99}\text{Tc}^*$: Hạt nhân Technitium ở trạng thái kích thích.
• $\text{}_{43}^{99}\text{Tc}$: Hạt nhân Technitium ở trạng thái cơ bản.
• $\gamma$: Tia gamma (photon năng lượng cao).

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

Xét trong điện trường (Hình 23.3), ta có các phân tích sau:

• Tia $\alpha$ (Alpha): Cấu tạo từ hạt nhân Heli ($^4_2 ext{He}$), mang điện tích dương ($q > 0$). Do đó, trong điện trường, tia $\alpha$ chịu tác dụng của lực điện hướng về phía bản cực âm, làm quỹ đạo của nó bị lệch về phía bản âm.
• Tia $\beta$ (Beta): Cấu tạo từ các electron ($\beta^-$), mang điện tích âm ($q < 0$). Do đó, trong điện trường, tia $\beta$ chịu tác dụng của lực điện hướng về phía bản cực dương, làm quỹ đạo của nó bị lệch về phía bản dương.
• Tia $\gamma$ (Gamma): Là bức xạ điện từ, không mang điện ($q = 0$). Do đó, tia $\gamma$ không tương tác với điện trường và truyền đi theo đường thẳng, không bị lệch.

Trong từ trường, tương tự, tia $\alpha$ và $\beta$ do mang điện tích trái dấu nên sẽ bị lực Lorentz làm lệch theo hai hướng ngược nhau, còn tia $\gamma$ vẫn truyền thẳng vì không mang điện.

2. Giải thích khả năng đâm xuyên của các tia $\alpha, \beta, \gamma$:

Khả năng đâm xuyên tỉ lệ nghịch với mức độ tương tác của hạt phóng xạ với các nguyên tử/phân tử của môi trường mà nó đi qua.

• Tia $\alpha$ (Kém nhất): Có khối lượng lớn nhất và điện tích dương lớn ($+2e$). Do kích thước lớn và điện tích cao, hạt $\alpha$ dễ dàng tương tác Coulomb với các electron và hạt nhân của vật chất, bị cản trở nhanh chóng. Do đó, khả năng đâm xuyên kém nhất (chỉ đi được một đoạn ngắn trong không khí, bị chặn lại bởi một tờ giấy mỏng).
• Tia $\beta$ (Trung bình): Có khối lượng rất nhỏ (bằng $1/7300$ khối lượng hạt $\alpha$) và điện tích nhỏ hơn ($|q| = e$). Vì nhẹ và điện tích ít hơn, nó ít tương tác với môi trường hơn tia $\alpha$, nên có khả năng đâm xuyên mạnh hơn (có thể xuyên qua tờ giấy, nhưng bị chặn lại bởi một tấm nhôm mỏng).
• Tia $\gamma$ (Mạnh nhất): Là sóng điện từ, không mang điện và không có khối lượng nghỉ. Nó không tương tác tĩnh điện với vật chất mà chỉ tương tác thông qua các hiện tượng hấp thụ và tán xạ photon. Điều này cho phép tia $\gamma$ đi xuyên qua hầu hết các vật liệu thông thường với quãng đường rất dài. Để chặn tia $\gamma$, cần các vật liệu có mật độ electron cao như chì hoặc bê tông dày.

Kết luận: Thứ tự khả năng đâm xuyên tăng dần là: $\alpha < \beta < \gamma$.

1. Phát biểu định nghĩa chu kì bán rã:
Chu kì bán rã của một chất phóng xạ là khoảng thời gian mà sau đó một nửa số hạt nhân không ổn định của chất đó bị phân rã thành hạt nhân của chất khác.

2. Tính chu kì bán rã của đồng vị ${}_8^{15}O$:

Bước 1: Phân tích dữ kiện
- Thời gian phân rã: $t = 244$ s.
- Tỉ lệ số hạt nhân đã bị phân rã: $75\%$.
$\Rightarrow$ Tỉ lệ số hạt nhân còn lại là: $100\% - 75\% = 25\%$.
Vậy $N = 25\% N_0 = 0,25 N_0 = \frac{1}{4} N_0$.

Bước 2: Áp dụng công thức
Thay vào công thức phân rã:
$$\frac{N}{N_0} = 2^{-\frac{t}{T}}$$
$$\Rightarrow 0,25 = 2^{-\frac{244}{T}}$$
$$\Rightarrow \frac{1}{4} = \left(\frac{1}{2}\right)^2 = 2^{-\frac{244}{T}}$$
$$\Rightarrow 2 = \frac{244}{T}$$

Bước 3: Tính toán kết quả
$$T = \frac{244}{2} = 122 \text{ s}$$

Kết luận: Chu kì bán rã của đồng vị ${}_8^{15}O$ là 122 giây.

1. Ý nghĩa của hằng số phóng xạ $\lambda$:
Hằng số phóng xạ $\lambda$ là xác suất phân rã của một hạt nhân phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Nó đặc trưng cho mức độ kém bền vững của hạt nhân đó. Nếu $\lambda$ càng lớn thì hạt nhân càng dễ phân rã, chu kì bán rã $T$ càng ngắn và ngược lại.

2. Bài tập về dược chất Flortaucipir (${}_9^{18}F$):
Thông số cho trước: $T = 110$ phút $\approx 6600$ giây.

a) Thời gian để lượng ${}_9^{18}F$ giảm còn 10% và 1%:
Sử dụng công thức: $\frac{N}{N_0} = 2^{-\frac{t}{T}} \implies t = -T \cdot \frac{\ln(N/N_0)}{\ln 2}$

• Khi còn 10% ($N/N_0 = 0,1$):
  $t_1 = -110 \cdot \frac{\ln(0,1)}{\ln 2} \approx -110 \cdot \frac{-2,3025}{0,6931} \approx 365,4$ phút (khoảng 6 giờ 5 phút).
• Khi còn 1% ($N/N_0 = 0,01$):
  $t_2 = -110 \cdot \frac{\ln(0,01)}{\ln 2} \approx -110 \cdot \frac{-4,6052}{0,6931} \approx 730,8$ phút (khoảng 12 giờ 11 phút).

b) Xác định số lượng hạt đồng vị:
Độ phóng xạ ban đầu $H_0 = 10^9$ Bq. Hằng số phóng xạ $\lambda$ là:
$\lambda = \frac{\ln 2}{T} = \frac{0,6931}{110 \cdot 60} \approx 1,05 \times 10^{-4} \text{ s}^{-1}$

• Số lượng hạt ban đầu $N_0$:
  Từ công thức $H_0 = \lambda N_0 \implies N_0 = \frac{H_0}{\lambda} = \frac{10^9}{1,05 \times 10^{-4}} \approx 9,52 \times 10^{12}$ hạt.
• Số lượng hạt sau 1 ngày ($t = 24 \cdot 60 = 1440$ phút):
  $\frac{t}{T} = \frac{1440}{110} \approx 13,09$ lần chu kì.
  $N = N_0 \cdot 2^{-\frac{t}{T}} = 9,52 \times 10^{12} \cdot 2^{-13,09} \approx 9,52 \times 10^{12} \cdot 1,14 \times 10^{-4} \approx 1,08 \times 10^9$ hạt.

Kết luận:
- Thời gian giảm còn 10% là 365,4 phút, còn 1% là 730,8 phút.
- Số hạt ban đầu là $9,52 \times 10^{12}$ hạt; sau 1 ngày còn lại $1,08 \times 10^9$ hạt.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 111 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Tác hại của phóng xạ đến sức khỏe con người

a) Các loại phơi nhiễm phóng xạ: Có hai loại phơi nhiễm chính:

• Phơi nhiễm ngoài: Xảy ra khi cơ thể tiếp xúc với nguồn phóng xạ nằm bên ngoài (ví dụ: đứng gần một khối uranium hoặc tiếp xúc với tia X trong y tế). Khi đó, các tia phóng xạ xuyên qua da vào trong cơ thể.
• Phơi nhiễm trong: Xảy ra khi các hạt nhân phóng xạ xâm nhập vào bên trong cơ thể thông qua đường hô hấp (hít phải bụi phóng xạ), đường tiêu hóa (ăn uống thực phẩm nhiễm xạ) hoặc qua vết thương hở trên da. Loại này nguy hiểm hơn vì nguồn phóng xạ nằm trực tiếp trong mô và gây tổn thương liên tục.

b) Biểu hiện khi bị phơi nhiễm phóng xạ: Tùy vào liều lượng và thời gian phơi nhiễm mà biểu hiện khác nhau:

• Cấp tính (Hội chứng phóng xạ cấp tính): Xảy ra khi nhận liều lượng lớn trong thời gian ngắn. Biểu hiện: Buồn nôn, nôn, mệt mỏi, bỏng phóng xạ trên da, rụng tóc, suy tủy xương (giảm bạch cầu, tiểu cầu), gây xuất huyết và tử vong nhanh chóng.
• Mãn tính (Tác động lâu dài): Xảy ra khi phơi nhiễm liều thấp trong thời gian dài. Biểu hiện: Gây đột biến gene, ung thư (ung thư máu, ung thư tuyến giáp), tổn thương các cơ quan nội tạng và gây dị tật bẩm sinh cho thế hệ sau.

c) Cách phòng tránh nhiễm phóng xạ: Áp dụng nguyên tắc 'Kiềng ba chân' trong an toàn bức xạ:

• Thời gian: Giảm thiểu tối đa thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ.
• Khoảng cách: Tăng khoảng cách từ cơ thể đến nguồn phóng xạ (cường độ bức xạ giảm theo bình phương khoảng cách).
• Che chắn: Sử dụng các vật liệu có khả năng hấp thụ bức xạ (ví dụ: tấm chì cho tia X, gamma; bê tông dày cho các lò phản ứng hạt nhân; tấm nhôm hoặc nhựa cho hạt beta).

2. Các địa điểm có nguy cơ phóng xạ và cách xử lý

Các địa điểm thường có nguy cơ phóng xạ (dựa trên biển cảnh báo hình 23.9):

• Phòng chụp X-quang, CT Scanner trong bệnh viện.
• Phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân hoặc hóa học phóng xạ.
• Nhà máy điện hạt nhân hoặc khu vực lưu trữ chất thải phóng xạ.
• Các khu mỏ khai thác uranium.
• Khu vực kiểm tra an ninh sân bay (máy quét toàn thân).

Hành động khi gặp biển cảnh báo phóng xạ:

• Tuyệt đối không tự ý đi vào: Không bước vào khu vực có biển cảnh báo nếu không có sự cho phép hoặc hướng dẫn của người có chuyên môn.
• Tuân thủ chỉ dẫn: Nếu bắt buộc phải vào (ví dụ: chụp X-quang), hãy tuân thủ tuyệt đối hướng dẫn của kỹ thuật viên (như mặc áo chì bảo vệ).
• Giữ khoảng cách: Nếu thấy biển cảnh báo ở nơi công cộng, hãy tránh xa khu vực đó.
• Thông báo: Nếu thấy biển cảnh báo bị hỏng hoặc đặt ở nơi không an toàn, cần báo ngay cho ban quản lý hoặc cơ quan chức năng để xử lý.

1. Các nguyên tắc an toàn phóng xạ và vai trò của việc tuân thủ

Ngoài những kiến thức cơ bản, các nguyên tắc an toàn phóng xạ mở rộng bao gồm:

• Nguyên tắc Thời gian: Giảm thiểu tối đa thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ. Thời gian chiếu xạ càng ngắn, liều lượng bức xạ hấp thụ vào cơ thể càng thấp.
• Nguyên tắc Khoảng cách: Tăng khoảng cách từ cơ thể đến nguồn phóng xạ. Cường độ bức xạ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (đối với nguồn điểm).
• Nguyên tắc Che chắn: Sử dụng các vật liệu có khả năng hấp thụ tia phóng xạ (như chì, bê tông, nước) để ngăn chặn tia phóng xạ truyền đến con người.
• Quản lý và Giám sát: Sử dụng biển cảnh báo nguy hiểm, mặc đồ bảo hộ chuyên dụng, sử dụng liều kế cá nhân để theo dõi mức độ phơi nhiễm và đào tạo chuyên môn cho người vận hành.

Vai trò của việc tuân thủ: Việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn phóng xạ có vai trò sống còn trong việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Tia phóng xạ có khả năng ion hóa các phân tử trong tế bào, gây tổn thương DNA, dẫn đến đột biến gen, ung thư hoặc gây ra các bệnh lý cấp tính (nhiễm độc phóng xạ). Việc tuân thủ giúp giảm thiểu liều lượng hấp thụ xuống mức an toàn, đảm bảo hiệu quả sử dụng phóng xạ trong y tế và công nghiệp mà không gây nguy hại.

2. Phân tích trường hợp lưu trữ nguồn và chất thải phóng xạ

Trong y học và công nghiệp, việc bảo quản nguồn phóng xạ trong các thiết bị lưu trữ chuyên dụng hoặc hầm cách ly áp dụng hai nguyên tắc an toàn phóng xạ chính:

• Nguyên tắc Che chắn: Các thiết bị lưu trữ thường được chế tạo từ vật liệu có mật độ nguyên tử cao như chì (Pb), thép hoặc bê tông dày. Những vật liệu này có khả năng hấp thụ và ngăn chặn hầu hết các tia $\alpha, \beta$ và đặc biệt là tia $\gamma$ (có khả năng đâm xuyên mạnh), không cho chúng thoát ra ngoài môi trường xung quanh.
• Nguyên tắc Khoảng cách: Việc đặt trong các hầm cách ly, thường nằm sâu dưới lòng đất hoặc ở những khu vực xa khu dân cư, giúp tăng khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến con người. Theo quy luật bình phương nghịch đảo, khi khoảng cách tăng lên, cường độ bức xạ giảm mạnh, đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

Kết luận: Sự kết hợp giữa vật liệu che chắn và khoảng cách cách ly tạo nên một hệ thống bảo vệ kép, triệt tiêu tối đa nguy cơ rò rỉ phóng xạ ra môi trường.