Các nguyên tố phóng xạ và ảnh hưởng của bức xạ gamma trong tự
nhiên
Mục lục
Các nguyên t phóng x v nh h ng c a b c x gamma trong t nhiênố ạ àả ưở ủ ứ ạ ự 1
M c l cụ ụ 1
M uởđầ 2
các nguyên t phóng x v nh h ng c a b c x gamma trong tù nhiên.ố ạ àả ưở ủ ứ ạ 4
I.1 Các nguyên tè phóng x trong t nhiên.ạ ự 4
I.1.1 ng v phóng x c a Kali -40K.Đồ ị ạ ủ 6
I.1.2 Các ng v phóng x c a Thori v Uran 232Th, 235U,238Uđồ ị ạ ủ à 6
I.1.3 c i m c a các dãy phóng x t nhiên v hi n t ng cân b ng Đặ để ủ ạ ự à ệ ượ ằ
phóng x .ạ 8
I.2 Quy lu t phân b c a các nguyên t phóng x trên trái t.ậ ố ủ ố ạ đấ 9
I.2.1 Quy lu t phân b c a Uran v Thori trong v Trái t.ậ ố ủ à ỏ đấ 9
I.2.2 Quy lu t phân b c a Kali v Rubidi trong t á:ậ ố ủ à đấ đ 12
I.3 Vai trò c a b c x gamma trong a v t lý.ủ ứ ạ đị ậ 13
I.3.1 Vai trò c a b c x gamma.ủ ứ ạ 13
I.3.2 Phông b c x gamma.ứ ạ 14
su t li u b c x v nh h ng c a các ng v phóng x n môi tr ng xung ấ ề ứ ạ àả ưở ủ đồ ị ạđế ườ
quanh 17
II.1 Các i l ng o li u b c x dùng trong an to n b c x .đạ ượ đ ề ứ ạ à ứ ạ 17
II.1.1 Li u chi u.ề ế 17
II.1.2 Li u h p th D.ề ấ ụ 17
II.1.3 Su t li u h p thô:ấ ề ấ 18
II.1.4 Li u t ng ng.ề ươ đươ 18
II.1.4.1 H s ph m ch t Q.ệ ố ẩ ấ 18
II.1.4.2 Li u t ng ng.ề ươ đươ 19
II.1.4.3 Su t li u t ng ng :ấ ề ươ đươ 19
II.1.4.4 Su t li u chi u v m i quan h gi a su t li u chi u v h m ấ ề ế à ố ệ ữ ấ ề ế à à
l ng:ượ 20
II.1.4.5 Li u hi u d ng t ng ng.ề ệ ụ ươ đươ 20

khác nhau trong UNSCEAR - NewYork - 1988 bằng số liệu thực nghiệm chứa
các mức trung bình của bức xạ vũ trụ và các trường bức xạ, các phóng xạ của khí
Radon trên các địa dư hành chính của các nước trong những thời gian xác định.
Tuy nhiên các số liệu luôn có sự biến đổi, vì các đồng vị này luôn luôn bị phân
rã trong môi trường.Vì vậy nghiên cứu các số liệu này biến đổi theo thời gian,
theo không gian cũng là những việc cần làm. Hơn nữa ở nước ta nghiên cứu này
không được triển khai thường xuyên và cũng chưa ở một diện rộng, mới chỉ đo ở
các vùng cục bộ. Do đó có thể nói chúng ta chưa có số liệu cơ bản ban đầu một
cách đầy đủ, mà mới chỉ đo một vài điểm đặc trưng, đặc biệt chưa theo dõi suất
liều trên cơ sở số liệu về hàm lượng phóng xạ tự nhiên ở trong thời gian từ năm
1980 đến 1998. Mục đích của khoá luận này tôi nghiên cứu cả hai phương pháp
đo hàm lượng và suất liều trong cùng một không gian và thời gian ở một số địa
điểm đặc trưng của khu đất Đại Học Khoa Học Tự Nhiên-Hoà Lạc, bằng hệ thiết
bị detector bán dẫn siêu tinh khiết. Đây là các số liệu cơ bản ban đầu cả về hàm
lượng lẫn suất liều được đo, qua đó chúng ta có thể đánh giá được các loại đất đá
ở khu vực này, cũng như ảnh hưởng của suất liều đến môi trường xung quanh.
Ngoài ra, việc nghiên cứu hàm lượng phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ giúp
chúng ta tìm kiếm quặng phóng xạ cũng như việc tìm kiếm các nguyên tố cộng
sinh với các nguyên tố phóng xạ.
Hoàn thanh khoá luận này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình
của PGS.TS Đặng Huy Uyên, tập thể cán bộ trung tâm vật lý hạt nhân, đặc biệt
là GS.TS Trần Đức Thiệp, PGS.TS Nguyễn Văn Đỗ và thầy Nguyễn Văn Khuê
những người đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian vừa qua.
Bản khoá luận này là kết quả của quá trình 4 năm học tập trong trường với
sự giảng dạy của thầy cô giáo, là sự tổng hợp kiến thức của bản thân trong thời
gian học, cũng như trong quá trình đi thực tập tại trung tâm Vật lý hạt nhân.
Mặc dù đã cố gắng học hỏi, tìm tòi nghiên cứu các tài liệu, cũng như được
sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo và sự giúp đỡ của bạn bè. Nhưng do thời
gian hạn hẹp, khả năng và kinh nghiệm còn có hạn, nên không thể tránh khỏi sai
sót, rất mong được sự góp của quý thầy cô cùng tất cả các bạn.

+Nhóm thứ 3: Bao gồm các hạt nhân phóng xạ tự nhiên còn lại, chúng sinh ra
do những nguyên nhân ngoài trái đất như do tương tác của các tia vũ trụ có năng
lượng cao với khí quyển, đó là các nguyên tố như:
3
H,
7
Be,
10
Be,
14
C và một số
nguyên tố sinh ra do sự bắt notron hay có nguồn gốc từ các thiên thạch trong vũ
trụ đi vào trái đất.
Các đồng vị phóng xạ tự nhiên tạo thành các dãy cơ bản là
238
U,
235
U,

và
232
Th. Chúng tạo thành các dãy tương ứng là Uran, Actino Uran và Thori. Các
dãy cơ bản trên đều bắt đầu bằng đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã lớn (
238
U:
T
1/2
=4,5.10
9
năm,

40
K 0,019 1,39.10
9
87
Rb 27,85 5,0.10
10
232
Th 100 1,4.10
10
235
U 0,7 7,1.10
8
238
U 99,28 4,5.10
9
I.1.1 Đồng vị phóng xạ của Kali -
40
K.
40
K là đồng vị phóng xạ vừa phân rã β
+
,vừa phân rã β
-
đồng vị chiếm K. Khi
40
K phân rã β
-
sẽ biến thành
40
Ca. Hạt nhân con được tạo thành ở trạng thái cơ

tục phân rã tạo thành 3 dãy tự nhiên. Cả 3 dãy phóng xạ trên đều được kết thúc
bởi đồng vị phóng xạ chì bền.
Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy phóng xạ
232
Th có số khối được mô tả
theo công thức A=4n, với n là số nguyên biến đổi từ 52 đến 58.
Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy
235
U có số khối được mô tả theo công
thức A= 4n+3, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 58.
Các đồng vị phóng xạ thuộc dãy
238
U có số khối được mô tả theo công
thức A= 4n+2, với n là số nguyên biến đổi từ 51 đến 59.
Dãy phóng xạ
232
Th được bắt đầu từ
232
Th và kết thúc bởi đồng vị chì bền
208
Pb trải qua 6 phân rã α và 4 phân rã β:

232
Th
α

228
Ra
β


(5,3 giây) (0,445 giây) (10,6 giê) (60,6 phót) (3.10
-7
giây)

208
Tl
β

208
Pb (bền)
(3,1 phót)
Dãy phóng xạ
238
U được bắt đầu từ
238
U và kết thúc bởi đồng vị chì bền
208
Pb trải qua 8 phân rã α và 4 phân rã β:
238
U
α

234
Th
β

234
Pa
β
234

năm) (3,82 ngày) (3,05 phót) (26,8 phót) (19,7 phót)

214
Po
α

210
Pb
β

210
Bi
β
210
Po
α
206
Pb(bền) .
(1,6.10
-4
giây) (20,4 năm) (5 ngày) (138 ngày)
Dãy phóng xạ
235
U, gọi là dãy Actini, được bắt đầu từ
235
U và kết thúc bởi đồng
vị chì bền
207
Pb trải qua 7 phân rã α và 4 phân rã β:
235

215
Po
α

211
Pb
β

211
Bi
β
211
Po
α
207
Pb(bền)
α
α
(1,78.10
-3
giây) (36,1 phót) (2,16giây) (0,5 giây)
α β

207
Tl (4,79 phót)
I.1.3 Đặc điểm của các dãy phóng xạ tự nhiên và hiện tượng cân bằng
phóng xạ.
Cả 3 dãy phóng xạ đều bắt đầu từ các hạt nhân phân rã α, có chu kỳ bán
rã rất lớn so với chu kỳ bán rã của các hạt nhân con cháu trong dãy. Do tuổi của
các mẫu quặng rất lớn, cỡ tuổi của Trái Đất, do đó đến nay các dãy phóng xạ đều

thái kích thích có năng lượng cao. Vì vậy, các nguyên tố này khi phân rã sẽ phát
ra các bức xạ gamma có năng lượng lớn và cường độ mạnh. Cho nên có thể sử
dụng các nguyên tố này để phân tích và xác định hàm lượng của Uran, Thori và
Kali trong đất đá.
Hoạt độ phóng xạ alpha của dãy
235
U chỉ cỡ 5% hoạt độ phóng xạ alpha
của dãy
238
U.
Cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố trong dãy phóng xạ
238
U rất
mạnh so với cường độ bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ trong dãy
235
U
và
232
Th phát ra.
Cả 3 dãy phóng xạ
238
U,
235
U,
232
Th đều chứa 3 đồng vị phóng xạ của Radi
là
226
Ra,
222

Bng di a ra hm lng trung bỡnh ca Uran v Thoritrong cỏc loi ỏ
macma v t s v hm lng ca Uran v Thori. c trng ni bt ca loi ỏ
macma l t s gia hm lng ca Uran v Thori (Th/U) luụn luụn ln hn 1,
mc dự hm lng ca Uran v Thori trong cỏc loi t ỏ ny l khỏc nhau. T
s ny bin thiờn trong khong t 2,7 i vi ỏ Peridiot n 4 Bảng dới đa ra
hàm lợng trung bình của Uran và Thoritrong các loại đá macma và tỷ số về
hàm lợng của Uran và Thori. Đặc trng nổi bật của loại đá macma là tỷ số giữa
hàm lợng của Uran và Thori (Th/U) luôn luôn lớn hơn 1, mặc dù hàm lợng của
Uran và Thori trong các loại đất đá này là khác nhau. Tỷ số này biến thiên
trong khoảng từ 2,7 đối với đá Peridiot đến 4ữ5,0 i vi ỏ Granit cú tớnh
kim.
Bng 2: Hm lng trung bỡnh (ppm) ca Uran v Thori trong cỏc loi ỏ
macma.
Loi ỏ U Th Th/U
Loi ỏ xõm nhp:
ỏ peridiot, peoxen 0,03 0,08 2,7
ỏ gabro, ỏ diaba 0,6 1,8 3,0
ỏ iorit 1,8 6,0 3,3
Đá plagionit 2,7 9,6 4,0
Đá granit 4,5 18,0 4,0
Đá granit có tính kiềm
≈ 6,0
25,0
4,0÷5,0
Các loại phun trào:
Đá diaba, đá bazan 0,7 2,3 3,2
Đá andezit 1,2 4,0 3,3
Đá liparit 4,7 19,0 4,0
Đối với các loại đá trầm tích, tỷ số Th/U biến thiên trong khoảng rộng và
có loại tỷ số nhỏ hơn 2. Đặc điểm này được thể hiện ở bảng 3 dưới đây:

liên kết ion và đều là các kim loại thuộc nhóm kim loại kiềm.
40
K chim khong
0,0119% lng Kali t nhiờn, cũn
87
Rb chim khong 27,85% Rubidi t nhiờn.
Hm lng trung bỡnh ca Kali v Rubidi cng nh t l hm lng ca
chỳng trong cỏc loi t ỏ khỏc nhau l khỏc nhau. Cỏc s liu c th v hm
lng ca Kali v Rubidi cng nh t s hm lng gia chỳng c trỡnh by
cỏc bng sau:
Bng 4: Hm lng trung bỡnh (ppm) ca Kali v Rubidi trong mt s
loi ỏ macma.
Loi ỏ K Rb K/Rb
ỏ Granit 37700 145 240
ỏ Andehit 13300 31 430
Loi ỏ Bazan Kali 64050 430 140
ỏ Bazan Olivin cú tớnh kim 13800 33 418
Bảng 5: Hàm lượng trung bình (ppm) của Kali và Rubidi trong một số loại đá
trầm tích.
Loại đá K Rb K/Rb
Đá phiếm 26000 140 186
Đá pha cát 10700 60 167
Đá vôi 2700 3 900
Đá trầm tích cacbonat 2900 10 290
Đá trầm tích pha cát 2270 110 227
Từ các số liệu ta thấy rằng
40
K trong các loại đá trầm tích nhỏ hơn trong các
loại đá macma.
I.3 Vai trò của bức xạ gamma trong địa vật lý.

Trong tt c cỏc loi t ỏ thuc v trỏi t u cha cỏc nguyờn t phúng x t
nhiờn Uran, Thori, Kali v Rubidi vi hm lng khỏc nhau. Trong ú Rubidi l
ht nhõn phõn ró beta mm thun tuý, cú chu k rt ln. Hm lng ca nú
trong t ỏ rt nh. Vỡ vy Trong tất cả các loại đất đá thuộc vỏ trái đất
đều chứa các nguyên tố phóng xạ tự nhiên Uran, Thori, Kali và Rubidi với hàm l-
ợng khác nhau. Trong đó Rubidi là hạt nhân phân rã beta mềm thuần tuý, có
chu kỳ rất lớn. Hàm lợng của nó trong đất đá rất nhỏ. Vì vậy
87
Rb ít c
quan tõm trong a vt lý ht nhõn. Bc x do
87
Rb phỏt ra khụng úng gúp vo
phụng phúng x chung trờn mt t.
Các nguyên tố phóng xạ trong đất đá và trong các vật liệu xây dựng đều
nằm trong 3 họ phóng xạ Uran, Thori và Kali.
40
K là nguyên tố phóng xạ kèm
theo bức xạ gamma có năng lượng 1,46MeV. Các hạt nhân con cháu của Uran,
Thori và Kali phân rã alpha hoặc beta thường được tạo thành ở các trạng thái
kích thích, chúng phát ra các bức xạ gamma đặc trưng để trở về trạng thái cơ
bản.
Các bức xạ gamma nhất là các bức xạ có năng lượng cao, có hệ số suy
giảm trong đất đá rất nhỏ. Quãng chạy của các bức xạ gamma trong đất đá rất
lớn. Khi được sinh ra từ các líp đất đá gần mặt đất, các bức xạ gamma có thể bay
ra khỏi mặt đất tạo thành phông phóng xạ gamma trên mặt đất. Ngoài ra phông
bức xạ trên mặt đất còn do bức xạ vũ trụ gây ra. Thành phần phông phóng xạ
gamma do tia vũ gây ra phụ thuộc vào chiều cao so với mực nước biển. Thành
phần này thường rất nhỏ so với các bức xạ gamma do các nguyên tố phóng xạ
dưới mặt đất và vật liệu xây dựng xung quanh gây nên. Như vậy, khi nói đến
phông phóng xạ có nghĩa là nó được tạo thành từ các nguyên tố có trong đất.

1764
5,7
6,8
18,9
36,0
41,2
16,3
15,8
Dãy
232
Th
228
Ac
212
Pb
208
Tl
6,1 giê
10,6 giê
3,1 phót
911
969
239
583
2614
20,0
13,3
43,1
29,0
33,7

1 Rad=100 erg/g=10
-
J/kg
Trong hệ SI dùng đơn vị có tên là Gray (Gy):
1Gy=1 J/kg
Như vậy: 1Gy=10
4
erg/g=100 Rad.
Năng lượng trung bình của bức xạ ion hoá là năng lượng của bức xạ ion
hoá được truyền cho vật chất trong một thể tích và bằng:

ξ
=R
in
- R
out
+ΣQ
Trong đó:
R
in
là năng lượng bức xạ tới thể tích. Nó bằng tổng năng lượng của tất cả
các hạt mang điện và không mang điện đi vào trong thể tích đó trừ đi năng lượng
tĩnh.
R
out
là năng lượng bức xạ thoát khỏi thể tích.
ΣQ là tổng tất cả các thay đổi của năng lượng khối (nếu giảm thì đại lượng
này mang dấu +, còn nếu tăng mang dấu -) của các hạt nhân và các hạt cơ bản
trong mọi tương tác xẩy ra trong thể tích đó.
II.1.3 Suất liều hấp thô:

Trong đó:
D là liều hấp thô
Q hệ số phẩm chất tại điểm đo.
H=Q.D
Đơn vị đo liều tương đương có tên là rem:
1 rem =1 Rad x Q
Một đơn vị đo liều tương đương là J.Kg
-1
. Tên riêng của liều tương đương
là Sievert (Sv).
1 Sv = 1 Gy x Q
Vậy: 1 Sv = 100 rem
II.1.4.3 Suất liều tương đương
H
:
Suất liều tương đương
H
là tỷ số của dH trên dt:
H
=
dt
dH
Thứ nguyên của suất liều tương đương là J.Kg
-1
.giây
-1
. Tên riêng của
H
là
Sv/s.

K
+ 0,65q
U
+0,29q
Th
Suất liều chiếu I được tính ra SuÊt liÒu chiÕu I ®îc tÝnh ra µR/h, trong đó:
q
U
là

hàm lượng của Uran được

tính ra ppm
q
Th
là hàm lượng của Th được

tính ra ppm
q
K
là hàm lượng của K được

tính ra %.
II.1.4.5 Liều hiệu dụng tương đương.
Trong địa vật lý hạt nhân nghiên cứu môi trường thường xác định liều
hiệu dụng tương đương, nó tỷ lệ với suất liều chiếu và được xác định bằng
công thức sau:
H = K.I.Q.N.t
Trong đó:
K là hệ số phụ thuộc vào môi trường, trong không khí K = 0,869.

Ảnh hưởng di truyền là những ảnh hưởng đối với quá trình sinh sản và
xuất hiện những đột biến trong các thế hệ di truyền. Các ảnh hưởng thuộc loại
này có thể xẩy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, cho nên khi có sự cố xẩy ra
chóng ta chưa chắc chắn được rằng đó là do ảnh hưởng của bức xạ. Tuy vậy
chúng ta có thể kiểm nghiệm bằng cách: Nếu sự cố này tăng khi ta chiếu với liều
lượng tăng và các cơ quan sinh sản các kết quả được cho ở bảng sau:
Bảng 7: Mức độ ảnh hưởng của các liều chiếu khác nhau và các khu vực khác
nhau.
Liều lượng(Rad) Khu vực chịu tác dụng Ảnh hưởng gây ra
500 ÷ 10000
3000
1000
Liều lượng toàn phần là
200
500 ÷ 800
50
400
200
50
Khu vực có u
Khu vực địa phương
Mắt
Khu vực địa phương
Các tuyến sinh sản
Các tuyến sinh sản
Toàn bộ cơ thể
Toàn bộ cơ thể
Toàn bộ cơ thể
Bệnh u
Ung loét do bức xạ

234
U
230
Th
226
Ra
210
Pb –
210
Po
Dãy
232
Th
228
Ra –
224-
Ra
Nhân tạo các vụ nổ hạt nhân
3
H
90
Sr
137
Cs
-
-
-
-
-
0,02

-
-
-
0,2- 0,9
40
60
8,5
-
-
-
-
-
-
2 - 3
-
0,8- 1,6
Từ kết quả bảng 8 chóng ta thấy ở trong phổi của con người các chất
phóng xạ Ýt cư trú nhưng trên thực tế thì các chất phóng xạ khí Radon và Toron
lai cư trú ở phổi nhiều nhất. Ở Hungaria người ta đã khảo sát và đã nhận được
các kết quả trình bày ở bảng sau:
Bảng 9: Liều lượng phóng xạ vào phổi tính trung bình trong 1 năm từ các
nguồn chiếu xạ khác nhau.
Nguồn chiếu xạ Hoạt độ phóng xạ cân
bằng Bq/m
3
Liều lượng phóng xạ
vào phổi tính trung bình
trong 1 năm (µGy/năm)
222
Rn và các nguyên tố