Chu kì bán rã, độ phóng xạ và số liệu đo

Quan sát hình cùng phần giải thích bên dưới.

Gọi $N_0$ là số hạt nhân mẹ ở thời điểm ban đầu và $N$ là số hạt nhân mẹ còn lại sau thời gian $t$. Với một đồng vị phóng xạ không được bổ sung thêm, ta có $$N=N_0\,2^{-t/T_{1/2}}=N_0e^{-\lambda t},\qquad \lambda=\frac{\ln2}{T_{1/2}}.$$ Sau một chu kì bán rã, $N=N_0/2$; sau hai chu kì, $N=N_0/4$; sau $n$ chu kì, $N=N_0/2^n$. Khối lượng của đồng vị mẹ còn lại giảm theo cùng tỉ lệ. Cần phân biệt lượng **còn lại** là $N$ với lượng **đã phân rã** là $N_0-N$.

Độ phóng xạ, kí hiệu $H$, cho biết số phân rã trung bình xảy ra trong một giây: $$H=\lambda N.$$ Đơn vị của độ phóng xạ là becquerel (Bq), với $1\ \mathrm{Bq}=1$ phân rã mỗi giây. Vì $N$ giảm theo thời gian nên $H$ cũng giảm theo cùng quy luật: $$H=H_0\,2^{-t/T_{1/2}}=H_0e^{-\lambda t}.$$ Khi tính $H$ theo Bq, $\lambda$ phải được đổi về đơn vị $\mathrm{s}^{-1}$. Độ phóng xạ của mẫu không đồng nhất với số đếm của máy, vì máy chỉ ghi nhận một phần bức xạ phát ra.

Với mẫu ở ví dụ trên, cứ thêm 6 giờ thì khối lượng đồng vị mẹ giảm một nửa: 80 → 40 → 20 → 10 → 5 mg. Mỗi khoảng 6 giờ làm giảm cùng một **tỉ lệ**, nhưng lượng giảm tuyệt đối lần lượt là 40, 20, 10 rồi 5 mg. Vì thế đồ thị là một đường cong, không phải đường thẳng. Muốn tìm thời điểm mẫu còn một phần tám lượng ban đầu, viết $1/8=(1/2)^3$. Mẫu đã trải qua ba chu kì bán rã, nên thời gian là $3\times6=18$ giờ.

Ngay cả khi không đặt mẫu cần đo, thiết bị vẫn có thể ghi nhận bức xạ từ môi trường xung quanh. Số đếm này gọi là **số đếm phông**. Nếu phông ổn định và cách bố trí phép đo không đổi, số đếm do mẫu gây ra được tính gần đúng bằng $$R_{\text{mẫu}}=R_{\text{đo}}-R_{\text{phông}}.$$ Chỉ sau khi trừ phông mới nên lấy tỉ số số đếm ở hai thời điểm để suy ra chu kì bán rã. Số đếm còn phụ thuộc hiệu suất đầu thu, khoảng cách và cách bố trí, nên các phép đo dùng để so sánh phải được thực hiện trong cùng điều kiện.

Trong nhà máy điện hạt nhân, phản ứng phân hạch dây chuyền được duy trì có kiểm soát. Nhiệt từ lò phản ứng làm nóng chất tải nhiệt, tạo hơi quay tua bin và máy phát: **Năng lượng hạt nhân → nhiệt năng → cơ năng của tua bin → điện năng.** Thanh điều khiển hấp thụ neutron giúp điều chỉnh tốc độ phản ứng; hệ thống làm mát đưa nhiệt ra khỏi vùng phản ứng. Nhà máy có khả năng phát điện liên tục và không trực tiếp thải khí carbon dioxide trong quá trình vận hành, nhưng đòi hỏi yêu cầu an toàn cao và phải quản lí chất thải phóng xạ lâu dài. | Lĩnh vực | Cách sử dụng kiến thức hạt nhân | |---|---| | Y học | Dùng chất đánh dấu để tạo ảnh; dùng bức xạ trong một số phương pháp điều trị và khử khuẩn | | Sinh học, nông nghiệp | Theo dõi đường đi của chất; nghiên cứu gây đột biến và tuyển chọn giống | | Bảo quản thực phẩm | Chiếu xạ trong quy trình kiểm soát để giảm vi sinh vật, côn trùng hoặc làm chậm một số quá trình sinh học | Mỗi ứng dụng đều phải cân nhắc lợi ích, liều bức xạ, khả năng bảo vệ và xử lí chất thải. Đây là phần giải thích nguyên lí, không phải hướng dẫn thao tác với nguồn phóng xạ.