Phân rã phóng xạ
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ | bức xạ |
| positron/ˈpɒzɪtrɒn/ | positron |
| photon/ˈfəʊtɒn/ | photon |
| penetration/ˌpenɪˈtreɪʃn/ | khả năng xuyên thấu |
| ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ | có khả năng ion hóa |
| deflected/dɪˈflektɪd/ | bị lệch hướng |
| antiparticles/ˌæntɪˈpɑːtɪklz/ | hạt phản vật chất |
| neutrinos/njuːˈtriːnəʊz/ | neutrino |
Ba loại bức xạ
- Một hạt nhân không ổn định sẽ ổn định lại bằng cách phóng ra bức xạ.
- Có ba loại — alpha, beta và gamma — và chúng có hành vi rất khác nhau.
- Phân biệt chúng là trọng tâm của chủ đề này.
Mỗi loại là gì
- α: hạt nhân heli ($^{4}_{2}\alpha$), điện tích $+2e$, khối lượng $\approx 4\ \text{u}$.
- β: electron tốc độ cao ($\beta^{-}$) hoặc positron ($\beta^{+}$), điện tích $\mp e$, khối lượng rất nhỏ.
- γ: photon năng lượng cao, không mang điện tích, không có khối lượng.
Phân rã phóng xạ
A = A₀·bᵗ
Hoạt độ giảm theo hàm mũ — hãy đặt cơ số b nhỏ hơn 1.
Hạt α là:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Hạt α là $^{4}_{2}\alpha$ — một hạt nhân heli-4 với điện tích $+2e$.
Khả năng xuyên thấu và ion hóa
- α: bị ngăn chặn bởi giấy; khả năng ion hóa mạnh.
- β: bị ngăn chặn bởi vài mm nhôm.
- γ: chỉ giảm đi khi đi qua chì dày; khả năng ion hóa yếu.
Gắn mỗi loại bức xạ với vật liệu ngăn chặn nó.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Khả năng xuyên thấu tăng dần: α < β < γ; khả năng ion hóa thì ngược lại (α là chất ion hóa mạnh nhất).
Trong ba loại, bức xạ α có khả năng ion hóa mạnh nhất.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Có — α là chất ion hóa mạnh nhất (nên khả năng xuyên thấu kém nhất); γ là chất ion hóa yếu nhất (năng lực xuyên thấu tốt nhất).
Trong điện trường
- Điện trường đẩy các điện tích: α bị lệch về phía bản âm, β$^{-}$ lệch theo hướng ngược lại, γ không bị lệch chút nào.
- Lực là $F = Eq$, nên α chịu gấp đôi lực so với β — nhưng khối lượng của nó lớn hơn hàng nghìn lần, nên nó cong ít hơn nhiều.
- Quy tắc tương tự cho bất kỳ hai hạt mang điện nào trong cùng một điện trường: so sánh lực theo điện tích, gia tốc theo $\dfrac{q}{m}$.
Một hạt α, một hạt β⁻ và tia γ đi vào cùng một điện trường đều cạnh nhau. Câu nào sau đây đúng?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Điện tích trái dấu bị đẩy theo hướng ngược nhau. β⁻ có tỷ lệ điện tích trên khối lượng lớn hơn nhiều, nên gia tốc lớn hơn hẳn; γ không mang điện nên không chịu tác dụng lực.
Hạt phản vật chất và neutrino
- Mỗi hạt đều có một hạt phản vật chất — cùng khối lượng, trái dấu điện tích (positron là phản hạt của electron).
- Phân rã β luôn phát ra một (anti)neutrino nữa: gần như không khối lượng, không điện tích, rất khó phát hiện.
Positron là ____ của electron.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Hạt phản vật chất có cùng khối lượng nhưng điện tích trái dấu — positron là $+e$ đối với $-e$ của electron.
Tại sao phổ β liên tục
- Phân rã α chia sẻ năng lượng giữa hai hạt → α có một mức năng lượng xác định (rời rạc).
- Phân rã β chia sẻ năng lượng giữa ba hạt (kèm theo neutrino) → năng lượng β phân bố từ 0 đến một giá trị cực đại (liên tục).
Các hạt β được phát ra với dải năng lượng liên tục vì năng lượng được phân chia giữa:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Với ba hạt chia sẻ, β có thể nhận bất kỳ phần nào lên đến giá trị tối đa. Phân rã α chia cho hai hạt, cố định năng lượng của α.
Phương trình phân rã
- α: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha$.
- β$^{-}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{e}$ (một neutron biến thành proton).
- β$^{+}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z-1}\text{Y} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$ (một proton biến thành neutron).
Trong phân rã α, số nucleon $A$ giảm bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Hạt α mang đi 4 nucleon (2 proton + 2 neutron), nên $A$ giảm đi 4 (và $Z$ giảm đi 2).
Trong phân rã β$^{-}$, số proton $Z$:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Một neutron biến thành proton, nên $Z$ tăng 1 trong khi $A$ giữ nguyên.
Ví dụ minh họa: nitơ-12 và điện trường
Nitơ-12, $^{12}_{7}\text{N}$, phân rã bằng cách phát ra positron. Positron phát ra và một hạt α sau đó đi qua cùng một điện trường đều.
- Phương trình: $^{12}_{7}\text{N} \to {}^{12}_{6}\text{C} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$. Kiểm tra: $12 = 12 + 0$ và $7 = 6 + 1$.
- Điện tích của positron: $+e$ — phản hạt của electron.
- Lực trong điện trường: $F = Eq$, nên $\dfrac{F_{\alpha}}{F_{\beta}} = \dfrac{2e}{e} = 2$.
- Gia tốc: $a = \dfrac{Eq}{m}$, nên $\dfrac{a_{\alpha}}{a_{\beta}} = \dfrac{2e / 4\,\text{u}}{e / (\text{u}/1840)} \approx \dfrac{1}{3700}$ — positron tăng tốc nhanh hơn hàng nghìn lần.
- Kiểm tra: gấp đôi lực nhưng khối lượng gấp bốn nghìn lần: α hầu như không bị bẻ cong. Cả hai đều bị đẩy theo cùng một hướng, vì cả hai đều mang điện tích dương.
Hạt nhân X (điện tích $+2e$, khối lượng $4\ \text{u}$) và hạt nhân Y (điện tích $+e$, khối lượng $3\ \text{u}$) ở trong cùng một điện trường đều. Tỷ số gia tốc của X : gia tốc của Y là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$a = \dfrac{Eq}{m}$, do đó tỷ số là $\dfrac{2/4}{1/3} = \dfrac{0.5}{0.333} = 1.5$. Chỉ riêng tỷ số lực sẽ là $2$; khối lượng làm thay đổi điều này.
Một hạt β$^{-}$ đến từ hạt nhân — một neutron biến thành proton — chứ không phải từ các electron quay quanh. Tia γ thay đổi không $A$ cũng không $Z$; nó chỉ mang theo năng lượng. Và lý do tại sao năng lượng β liên tục là do (anti)neutrino chia sẻ năng lượng — đó chính là câu hỏi "giải thích" yêu thích nhất của đề thi trong chủ đề này.
Bạn đã nắm vững
- α = hạt nhân He, $+2e$, $4\ \text{u}$ (bị giấy ngăn, chất ion hóa mạnh); β = electron/positron (bị Al ngăn); γ = photon (chì)
- trong điện trường: lực $\propto q$, gia tốc $\propto \dfrac{q}{m}$; α và β$^{-}$ bị bẻ cong theo hướng ngược nhau, γ không bị bẻ cong
- phân rã β phát ra (anti)neutrino, đó là lý do phổ năng lượng của nó liên tục; α: $A{-}4, Z{-}2$; β$^{-}$: $Z{+}1$; β$^{+}$: $Z{-}1$