HAT PHYSICS LEARNING · VẬT LÍ 12 · KẾT NỐI TRI THỨC

BÀI 23 · HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

Chương IV · SGK trang 104–113 · Tia α, β, γ · Chu kì bán rã · Hoạt độ · An toàn bức xạ

SGK: Bài 23 · Vật lí 123 mô hình tương tác36 tự luyện · 22 kiểm tra
01 · MỤC TIÊU

Hiểu sự phân rã ngẫu nhiên – đọc được quy luật thống kê

Bản chất phóng xạ

Nhận biết phóng xạ tự phát, ngẫu nhiên, phân biệt các tia α, β⁻, β⁺ và γ; viết đúng phương trình phân rã với A, Z và các hạt đi kèm khi cần.

Định luật phóng xạ

Giải thích ý nghĩa T, λ, xác định số hạt mẹ còn lại, phần đã phân rã và số chu kì từ bảng/đồ thị.

Hoạt độ – niên đại

Vận dụng H=λN, H=H₀e⁻λᵗ; sử dụng Bq chính xác; phân tích nguyên tắc định tuổi mẫu nguồn gốc hữu cơ bằng carbon-14.

Ứng xử an toàn

Nhận biết nguy cơ bức xạ ion hóa, phân biệt phơi nhiễm ngoài và nhiễm bẩn, giải thích thời gian – khoảng cách – che chắn và tuân thủ biển cảnh báo.

Tình huống khởi động: Nếu đặt một máy đếm bức xạ tại vị trí cố định cạnh nguồn do phòng thí nghiệm được cấp phép quản lí, vì sao các khoảng 5 s liên tiếp có thể nhận số xung khác nhau dù mẫu không thay đổi? Hãy dự đoán và đối chiếu sau phần mô phỏng.
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM

Hiện tượng phóng xạ – tia phóng xạ – bán rã – độ phóng xạ

I. Bản chất phóng xạ và tính ngẫu nhiên

Phóng xạ là sự biến đổi tự phát của hạt nhân không bền thành hạt nhân khác, đồng thời phát ra bức xạ. Với một hạt nhân đơn lẻ, không thể xác định chính xác thời điểm nó phân rã; với một số lượng rất lớn hạt nhân, ta mô tả được quy luật thống kê.

Tránh nhầm: “Chu kì bán rã 8 ngày” không có nghĩa mỗi hạt nhân sống đúng 8 ngày; đó là khoảng thời gian để số hạt nhân mẹ trung bình còn một nửa. Thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất thông thường không phải cách điều khiển chu kì bán rã.

II. Các dạng phóng xạ và quy tắc biến đổi A, Z

Phóng xạ alpha (α)(1)
\[{}^{A}_{Z}X\longrightarrow{}^{A-4}_{Z-2}Y+{}^{4}_{2}\mathrm{He}\]
α là hạt nhân helium-4 (2 proton, 2 neutron); A giảm 4, Z giảm 2.
Áp dụng khi hạt nhân có khả năng phân rã α; việc cân bằng A, Z chưa đủ để chứng minh một kênh phân rã xảy ra.
Phóng xạ beta trừ (β⁻)(2)
\[{}^{A}_{Z}X\longrightarrow{}^{A}_{Z+1}Y+e^-+\bar\nu_e\]
Trong hạt nhân, neutron biến đổi thành proton; phát electron và phản neutrino electron.
Số khối A giữ nguyên; số proton Z tăng 1; không bỏ qua phản neutrino trong biểu diễn đầy đủ.
Phóng xạ beta cộng (β⁺)(3)
\[{}^{A}_{Z}X\longrightarrow{}^{A}_{Z-1}Y+e^++\nu_e\]
Positron mang điện tích +e; đi kèm neutrino electron; A không đổi, Z giảm 1.
Quá trình chỉ xảy ra khi điều kiện năng lượng phù hợp.
Phát xạ gamma (γ)(4)
\[{}^{A}_{Z}X^*\longrightarrow{}^{A}_{Z}X+\gamma\]
Hạt nhân ở trạng thái kích thích X* chuyển về trạng thái năng lượng thấp; photon γ không mang điện.
A và Z không đổi trong riêng quá trình phát xạ γ.
Nguồn phátGiấyNhômLớp chắn dàyαβγSơ đồ minh họa định tính; mức suy giảm thật phụ thuộc năng lượng tia, chất liệu và bề dày.

III. Định luật phóng xạ và ý nghĩa của chu kì bán rã

Số hạt nhân mẹ chưa phân rã(5)
\[N(t)=N_0\,2^{-t/T}=N_0e^{-\lambda t},\qquad \lambda=\frac{\ln 2}{T}\]
N₀: số hạt nhân mẹ ở thời điểm t=0; N(t): số còn lại; t: thời gian; T: chu kì bán rã; λ: hằng số phân rã.
t≥0, T>0; t và T cùng đơn vị. Kết quả là giá trị kì vọng thống kê cho mẫu gồm rất nhiều hạt nhân. λ có đơn vị nghịch đảo của đơn vị thời gian dùng cho T.
Phần đã phân rã và phần còn lại(6)
\[f=\frac{N(t)}{N_0}=2^{-t/T},\qquad f_{\mathrm{phan\,ra}}=1-f\]
f là tỉ lệ số hạt nhân mẹ chưa phân rã; phân biệt với số hạt nhân con trong chuỗi phân rã nhiều bước.
Công thức phần đã phân rã chỉ xét chính hạt nhân mẹ ban đầu, không đồng nhất với tổng số hạt nhân con còn hiện diện nếu con cũng phóng xạ.
Hoạt độ / độ phóng xạ(7)
\[H(t)=-\frac{\mathrm dN}{\mathrm dt}=\lambda N(t)=H_0\,2^{-t/T},\quad H_0=\lambda N_0\]
H: số phân rã trung bình trong mỗi giây, đơn vị Bq; 1 Bq=1 phân rã/s; 1 Ci=3,7×10¹⁰ Bq.
Khi dùng Bq, phải đổi T sang giây để λ có đơn vị s⁻¹. Số xung thực tế máy đếm không nhất thiết bằng H vì hình học đo, hiệu suất, hấp thụ và nhiễu nền.
Thời giant=0t=Tt=2Tt=3Tt=4T
N/N₀ hoặc H/H₀11/21/41/81/16
Đã phân rã0%50%75%87,5%93,75%

IV. Định tuổi C-14 và ảnh hưởng của bức xạ

Với mẫu từng trao đổi carbon khi sống, nếu biết tỉ lệ C-14 còn lại f so với mức ban đầu ước tính, thì tuổi lí tưởng hóa được tính:

Tuổi mẫu từ tỉ lệ C-14 còn lại(8)
\[t=-\frac{T}{\ln 2}\ln f=-T\log_2 f\]
Đối với carbon-14, lấy T≈5730 năm; 0<f≤1. Khi f=1 thì tuổi biểu kiến bằng 0.
Mô hình minh họa không tính các hiệu chỉnh lịch sử hàm lượng C-14 khí quyển, hiệu chuẩn, nhiễm bẩn, sai số và giới hạn phương pháp; tuổi thực tế cần phân tích chuyên môn.

An toàn bức xạ: Tác động phụ thuộc loại, năng lượng, hoạt độ nguồn, đường vào cơ thể, thời gian và điều kiện phơi nhiễm. Alpha có thể khó xuyên da lành nhưng đặc biệt đáng lo khi chất phát alpha vào bên trong cơ thể; gamma đâm xuyên mạnh. Không tự ý tiếp xúc, di chuyển hay mở nguồn có cảnh báo.

Ba nguyên tắc: giảm thời gian chiếu xạ; tăng khoảng cách; sử dụng che chắn phù hợp do người có chuyên môn lựa chọn. Phân biệt: Bq là hoạt độ, Gy là liều hấp thụ năng lượng trên khối lượng, Sv là đại lượng liều có tính trọng số bức xạ – không thể quy đổi Bq sang Sv nếu thiếu mô hình tiếp xúc và thông số phù hợp.

V. Ví dụ có lời giải từng bước

Ví dụ 1 – Quy tắc alpha. Hạt nhân có A=226, Z=88 phân rã α. Giải: A′=226−4=222, Z′=88−2=86. Hạt nhân con có A=222, Z=86. Phương trình cân bằng: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He.
Ví dụ 2 – Quy tắc beta trừ. ¹⁴₆C phân rã β⁻. Giải: A giữ 14, Z′=7; sản phẩm ¹⁴₇N + e⁻ + phản neutrino electron. Phải tính đúng điện tích hai vế.
Ví dụ 3 – Hai chu kì. N₀=4,0×10⁶ hạt, T=5 ngày. Sau 10 ngày, t/T=2 ⇒ N=N₀/4=1,0×10⁶ hạt; số đã phân rã=3,0×10⁶ hạt.
Ví dụ 4 – Từ tỉ lệ suy ra T. Sau 48 giờ, còn 1/16 N₀. Vì 1/16=2⁻⁴ ⇒ 48=4T ⇒ T=12 giờ.
Ví dụ 5 – Hoạt độ. H₀=1200 Bq và T=4 giờ. Sau 12 giờ, t/T=3 ⇒ H=1200/8=150 Bq. Không cần đổi giờ sang giây khi chỉ tính tỉ số H/H₀.
Ví dụ 6 – H từ số hạt. T=20 s, N=2,0×10⁵. λ=ln2/20≈0,034657 s⁻¹ ⇒ H≈6931 Bq. Nếu lấy ln2=0,693 thì H≈6930 Bq.
Ví dụ 7 – C-14. Mẫu hữu cơ còn 25% C-14 so với mức ban đầu ước tính. Với T=5730 năm: f=1/4=2⁻² ⇒ tuổi mô hình t=2T=11460 năm.
Ví dụ 8 – Phân biệt Bq và liều. Thiết bị đo báo 2000 Bq: nghĩa là khoảng 2000 phân rã/s của lượng chất đang xét, không đủ để xác định mức liều người nhận vì chưa biết bức xạ, đường phơi nhiễm, khoảng cách và che chắn.
Ví dụ 9 – Trọng số bức xạ (mở rộng). Nếu trong một mô hình định lượng đơn giản, D=0,002 Gy và trọng số W=1 thì liều tương đương D×W=0,002 Sv=2 mSv. Đây là phép đổi toán học, không dùng để đánh giá cá nhân nếu không có dữ liệu đo bức xạ thực tế.
Ví dụ 10 – Độ phóng xạ còn 10%. H/H₀=0,10 ⇒ t/T=log₂(10)≈3,322. Với T=110 phút, t≈365,4 phút. Không được làm tròn thành đúng 3T.
Ví dụ 11 – Còn 1%. f=0,01 ⇒ t/T=log₂(100)≈6,644; nếu T=110 phút thì t≈730,8 phút.
Ví dụ 12 – Khả năng đâm xuyên. Tia alpha bị chặn dễ bởi vật liệu mỏng; tia beta thường cần tấm chắn thích hợp; gamma xuyên mạnh hơn. Giải thích: khả năng ion hóa và tương tác với vật chất khác nhau. Không dùng sơ đồ định tính để quyết định thiết kế che chắn an toàn thực tế.
03 · QUAN SÁT VÀ THÍ NGHIỆM

Ba mô hình mô phỏng: đường cong, biến cố ngẫu nhiên và định tuổi

MÔ PHỎNG 01

Đường cong phóng xạ N(t), H(t)

Dự đoán: ở t=3T, số hạt chưa phân rã và hoạt độ còn bao nhiêu phần ban đầu? Mô hình: một đồng vị, mẫu lớn, chu kì T không đổi; H₀ tính nhất quán từ N₀ và λ theo đơn vị giây; số liệu giả lập, không phải số đo bức xạ.
Đang nạp mô hình...
Quan sát: so sánh giá trị tại T, 2T, 3T với bảng ở phần kiến thức; khi giữ t cố định, thay đổi T. Giới hạn: đường cong liên tục là kì vọng thống kê, không diễn tả thời điểm phân rã của từng hạt nhân.
MÔ PHỎNG 02

Phân rã ngẫu nhiên của từng hạt – cùng quy luật xác suất

Dự đoán: hai lần mô phỏng cùng N₀, t/T có cho đúng cùng một số hạt còn lại không? Mô hình: N₀ tối đa 400 hạt giả lập độc lập; xác suất một hạt còn chưa phân rã là p=2⁻ᵗ⁄ᵀ. Hạt hiển thị chỉ là các chấm mô hình, không phải hạt nhân thật quan sát được.
Chưa chạy.
Quan sát: lặp lại vài lần để thấy số hạt còn lại dao động quanh N₀p, đặc biệt khi cỡ mẫu nhỏ. Giới hạn: mô phỏng Bernoulli, không xét detector, tương tác hay chuỗi phóng xạ.
MÔ PHỎNG 03

Định tuổi mẫu gốc hữu cơ từ tỉ lệ carbon-14

Dự đoán: khi còn 25% lượng C-14 ban đầu, tuổi mẫu bằng mấy lần T? Mô hình: mẫu từng trao đổi carbon khi sống; tỉ lệ còn lại f đã được ước tính và hiệu chuẩn; giả sử không nhiễm bẩn. T tham khảo 5730 năm.
Chưa tính.
Kết luận: f càng nhỏ thì tuổi mô hình càng lớn. Giới hạn: kết quả không thay thế báo cáo định tuổi được hiệu chuẩn; không phù hợp trực tiếp với mọi đá hoặc kim loại không có nguồn gốc hữu cơ.
04 · LUYỆN TẬP VÀ KIỂM TRA

36 câu tự luyện – 22 câu kiểm tra / 10 điểm

36 Tự luyện
6 Nhóm kiến thức
22 Kiểm tra
10 Điểm

36 câu chia đều sáu nhóm, kiểm tra ngay và xem giải thích sau khi trả lời. Câu trả lời ngắn chỉ nhập số, không kèm đơn vị; điều kiện, số làm tròn và đơn vị đặt ngay trong đề bài. Tiến độ lưu riêng Bài 23 trên thiết bị.

Phần A · Ngân hàng 36 câu tự luyện

0/36
Trang 1/6

Phần B · Kiểm tra V4 – bốn dạng

8 ABCD × 0,25 điểm; 4 Đúng/Sai, mỗi câu 4 ý với mức 0 / 0,10 / 0,25 / 0,50 / 1,00; 8 trả lời ngắn × 0,25; 2 tự luận × 1,00 điểm do giáo viên đánh giá theo rubric. Tổng 10 điểm; trong đó 8 điểm tự động và 2 điểm tự luận.

05 · SƠ ĐỒ TƯ DUY

6 nhánh kiến thức – từ phân rã đến an toàn

Đi theo chuỗi “tự phát, ngẫu nhiên → các loại tia → định luật bán rã → hoạt độ → ứng dụng → an toàn”, đồng thời đọc điều kiện của từng công thức.

06 · EM CÓ BIẾT?

Từ vết phim Becquerel đến cách bảo vệ con người

Vì sao máy đếm lúc nhiều xung, lúc ít xung?

Số xung trong các khoảng thời gian ngắn dao động do tính ngẫu nhiên của biến cố phân rã và của quá trình phát hiện. Càng đo trên mẫu lớn, càng lâu, ta càng dễ nhận ra quy luật thống kê; không thể dùng thời điểm từng xung để suy ra thời điểm phân rã chắc chắn của một hạt nhân.

Carbon-14 – chiếc đồng hồ cho mẫu từng sống

Trong cơ thể sống, carbon được trao đổi với môi trường. Khi sinh vật chết, sự trao đổi chủ yếu dừng lại và C-14 giảm dần theo phóng xạ. Tuổi ước tính từ tỉ lệ còn lại phải hiệu chuẩn theo điều kiện lịch sử, môi trường và nguy cơ nhiễm bẩn.

Hoạt độ cao không có nghĩa liều nhận được nhất định cao

Bq mô tả số phân rã; nguy cơ đối với con người còn phụ thuộc loại bức xạ, năng lượng, khoảng cách, che chắn, thời gian, đường xâm nhập và đặc tính sinh học. Không thể tự quy đổi trực tiếp Bq thành Sv nếu thiếu các dữ kiện đó.

Biển cảnh báo phóng xạ không phải vật trang trí

Biển báo cho biết có nguy cơ bức xạ ion hóa hoặc nguồn liên quan. Học sinh không tự tiếp cận, không tháo mở thiết bị hoặc thu gom vật nghi có chứa nguồn. Hãy báo người phụ trách, thực hiện hướng dẫn an toàn và tránh phát tán vật liệu.

Nguồn tham khảo nội dung

Đối chiếu bố cục Bài 23 – Vật lí 12, Kết nối tri thức với cuộc sống, trang 104–113; dữ liệu công thức và chu kì bán rã từ phần Định luật phóng xạ. Phần ví dụ, câu hỏi và mô phỏng do HAT biên soạn mới; số liệu mô phỏng không phải phép đo thật. Đường dẫn tham chiếu: Tra cứu nội dung SGK.