Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Xác định nồng độ 210Po trong nước pha từ một số loại trà được bán tại thành phố Hồ Chí Minh

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Xác định nồng độ 210Po trong nước pha từ một số loại trà được bán tại thành phố Hồ Chí Minh nêu lên tính chất hóa học của Polonium và tổng quan về đồng vị phóng xạ 210Po; phép đo phổ Alpha đối với các mẫu môi trường; đo hoạt độ của 210Po bằng phép đo phổ Alpha; thực nghiệm xác định nồng độ 210Po trong nước trà bằng hệ đo Alpha Analyst và một số nội dung khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp Vật lí: Xác định nồng độ 210Po trong nước pha từ một số loại trà được bán tại thành phố Hồ Chí Minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ------------ Lâm Phú Quyên Đề tài: XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ 210PO TRONG NƯỚC PHA TỪ MỘT SỐ LOẠI TRÀ ĐƯỢC BÁN TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngành: VẬT LÝ HỌC Mã số: 105 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. LÊ CÔNG HẢO ------------------------------------------------------------ Thành phố Hồ Chí Minh – 2013
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều từ phía gia đình và nhà trường. Em xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ và mọi người trong gia đình luôn tạo điều kiện và động viên, giúp đỡ em. Em xin gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh và thầy Lê Công Hảo cho em cơ hội thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Công Hảo đã hướng dẫn em suốt quá trình thực hiện đề tài. Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm hạt nhân trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh và trường Đại học Khoa học tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ cơ sở vật chất trong quá trình đo đạc thực nghiệm. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy phản biện đã dành thời gian đọc và đóng góp ý kiến cho bài luận văn này được hoàn thành tốt. Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập. Em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã động viên và giúp đỡ trong khoảng thời thực hiện luận văn này.
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................. 1 DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 3 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA POLONIUM VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ 210PO ...................................................................................................... 7 1.1 Tính chất hóa học của polonium ............................................................................ 7 1.2 Đặc trưng của 210Po ................................................................................................ 8 1.3 Sự phân bố của 210Po .............................................................................................. 9 1.4 Con đường 210Po đi vào cơ thể ............................................................................... 9 1.5 Tác hại của 210Po .................................................................................................. 10 1.6 Phương pháp đo hoạt độ 210Po ............................................................................. 11 CHƯƠNG 2 PHÉP ĐO PHỔ ALPHA ĐỐI VỚI CÁC MẪU MÔI TRƯỜNG ............ 14 2.1 Phân rã alpha ........................................................................................................ 14 2.2 Phép đo phổ alpha đối với các mẫu môi trường .................................................. 14 2.2.1 Đầu dò PIPS .................................................................................................. 18 2.2.2 Phông bức xạ................................................................................................. 20 2.2.3 Cách tránh nhiễm bẩn đầu dò ....................................................................... 21 2.3 Chuẩn hóa ............................................................................................................ 24 2.3.1 Chuẩn hóa năng lượng .................................................................................. 24 2.3.2 Chuẩn hóa hiệu suất ...................................................................................... 25 CHƯƠNG 3 ĐO HOẠT ĐỘ CỦA 210PO BẰNG PHÉP ĐO PHỔ ALPHA ................. 26 3.1 Chuẩn bị mẫu để đo phổ alpha ............................................................................. 26 3.2 Tính toán phổ alpha ............................................................................................. 32
3.3 Đánh giá liều hiệu dụng trong năm cơ thể nhận được từ một đồng vị qua đường tiêu hóa ....................................................................................................................... 33 CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ 210 PO TRONG NƯỚC TRÀ BẰNG HỆ ĐO ALPHA ANALYST .............................................................................. 35 4.1 Thực nghiệm ........................................................................................................ 35 4.1.1 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất ........................................................................ 35 4.1.2 Hệ đo alpha analyst tại bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh .............................................................................. 36 4.1.2.1 Đầu dò PIPS ........................................................................................... 36 4.1.2.2 Bộ tiền khuếch đại ................................................................................. 37 4.1.2.3 Bộ khuếch đại ........................................................................................ 37 4.1.2.4 Bộ biến đổi tương tự thành số (ADC) ................................................... 38 4.1.2.5 Bộ phân tích biên độ đa kênh (MCA) .................................................... 38 4.1.3 Quy trình thực nghiệm .................................................................................. 39 4.2 Kết quả thực nghiệm và thảo luận ....................................................................... 41 4.2.1 Nồng độ 210Po trong nước trà ........................................................................ 41 4.2.2 So sánh kết quả ............................................................................................. 43 4.2.3 Hoạt độ 210 Po nhận được trong năm (F) và liều hiệu dụng trong năm (E) từ 210Po trong 10 loại trà đối với một người trưởng thành (trên 17 tuổi). ............. 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 49 PHỤ LỤC....................................................................................................................... 50
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT A – PIPS: Alpha Passivated Implanted Planar Silicon. DJ: Diffused Junction. MCA: Multichannel Analyzer. PIPS: Passivated Implanted Planar Silicon. SSB: Silicon Surface Barrier.
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số đặc điểm của nguyên tử của các nguyên tố trong nhóm VI-A .........7 Bảng 1.2: Các đặc trưng phóng xạ của ba đồng vị: 208Po, 209Po, và 210Po ....................9 Bảng 2.1: Bảng so sánh đầu dò PIPS với hai loại đầu dò SSB .....................................19 Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm khảo sát các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất lắng .....29 Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm khảo sát hiệu suất lắng của niken và bạc có và không có đun nóng sau khi lắng ....................................................................................................31 Bảng 3.3 [4]: Bảng hệ số liều hiệu dụng của một số đồng vị khi đi vào cơ thể qua đường tiêu hóa theo các nhóm tuổi khác nhau ..........................................................................34 Bảng 4.1: Nồng độ 210Po trong nước pha từ 10 loại trà.................................................42 Bảng 4.2: Hoạt độ 210 Po nhận được trong năm (F) và liều hiệu dụng trong năm (E) từ 210 Po trong 10 loại trà đối với một người dùng 600mL nước trà mỗi ngày, ở tuổi trên 17....................................................................................................................................43 Bảng 4.3: Nồng độ 210Po trong lá trà của 10 loại trà .....................................................45
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phổ gamma của 3 đồng vị: 201Tl, 202Tl, và 210Po ...........................................12 Hình 1.2: Phổ alpha của các đồng vị: 210Po, 209Po, 239Pu, và 241Am .............................13 Hình 2.1: Phổ alpha của ống đếm nhấp nháy lỏng đối với các đồng vị polonium – 208 Po, 209Po, và 210Po .....................................................................................................15 Hình 2.2: Ống đếm được mở bên cạnh ống đếm đang đóng (trái). Đầu dò bán dẫn (Đầu dò Canberra Model A300-17AM alpha PIPS) với mặt hoạt động hướng xuống (phải) 16 Hình 2.3: Sơ đồ đầu dò PIPS A450-18AM với mặt hoạt động hướng xuống ..............16 Hình 2.4: Hạt alpha phát ra từ mẫu tương tác với đầu dò trong ống đếm.....................17 Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ đo alpha ....................................................................18 Hình 2.6: Sự phụ thuộc vào bề dày lớp không khí của giá trị năng lượng đo được của hạt alpha do 210Po phát ra .....................................................................................................22 Hình 2.7: Sự thay đổi của tốc độ đếm phông trong khoảng thời gian đầu sử dụng máy đối với đầu dò có diện tích vùng hoạt là 300mm2 ...............................................................23 Hình 2.8: Phổ alpha đo được của nguồn chuẩn AEA Technology QSAQCRB2500 ....25 Hình 3.1: Ba bộ dụng cụ lắng đọng tự phát Tracerlab GmbH ......................................27 Hình 3.2: Dụng cụ lắp đĩa của Tracerlab GmbH (trái) và dụng cụ lắp đĩa được cải tiến (phải) ..............................................................................................................................27 Hình 3.3: Bộ dụng cụ lắng đọng tự phát (trái) và dụng cụ lắp đĩa bằng Teflon (phải) được dùng trong các thí nghiệm trong luận văn này...............................................................27 Hình 3.4: Sự thay đổi của hiệu suất lắng theo thời gian lắng với nhiệt độ lắng là 85 °C ........................................................................................................................................28 Hình 3.5: Đĩa niken (trái) và đĩa bạc (phải) sau khi lắng ..............................................30 Hình 3.6: Phổ alpha của 210Po .......................................................................................32 Hình 4.1: Hệ đo alpha analyst tại bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ......................................................................................36 Hình 4.2: 210Po trong nước trà được lắng lên đĩa đồng trong dung dịch HCl ...............39 Hình 4.3: Nước trà được chuẩn bị để khuấy .................................................................40 Hình 4.4: Dung dịch lúc bắt đầu khuấy (trái) và sau một giờ khuấy (phải)..................40 Hình 4.5: Ba mặt đĩa điển hình sau khi khuấy ..............................................................40 Hình 4.6: Biểu đồ nồng độ 210Po trong nước pha từ 10 loại trà ....................................43
Hình PL1: Phổ alpha của mẫu M1 ................................................................................50 Hình PL2: Phổ alpha của mẫu M2 ................................................................................50 Hình PL3: Phổ alpha của mẫu M3 ................................................................................50 Hình PL4: Phổ alpha của mẫu M4 ................................................................................51 Hình PL5: Phổ alpha của mẫu M5 ................................................................................51 Hình PL6: Phổ alpha của mẫu M6 ................................................................................51 Hình PL7: Phổ alpha của mẫu M7 ................................................................................52 Hình PL8: Phổ alpha của mẫu M8 ................................................................................52 Hình PL9: Phổ alpha của mẫu M9 ................................................................................52 Hình PL10: Phổ alpha của mẫu M10 ............................................................................53
MỞ ĐẦU Hàng ngày, con người đều phải chịu một liều bức xạ từ môi trường sống. Trong đó, những nguồn bức xạ alpha chỉ nguy hiểm khi đi vào bên trong cơ thể, và thực sự rất nguy hiểm khi liều nhận được vượt quá giới hạn cho phép. Những đồng vị phóng xạ này vào cơ thể người qua hai con đường chính là đường hô hấp và đường tiêu hóa. 210 Po là một trong những đồng vị đó và đóng góp một lượng đáng kể vào liều hiệu dụng một người nhận được hàng năm. Liều nhận được phụ thuộc vào nồng độ của đồng vị và lượng thức ăn mỗi ngày của một người (khác nhau giữa nhóm người này và nhóm người khác). Vì vậy sự đánh giá độ phóng xạ tự nhiên của các thực phẩm là cần thiết để ước lượng lượng đồng vị mà cơ thể hấp thụ. Tại Việt Nam, uống trà là một nét văn hoá lâu đời. Từ xa xưa, trà đã được sử dụng hàng ngày như một thứ nước giải khát. Trà được người Việt Nam dùng quanh năm, phổ biến từ quán nước bên hè phố đến ấm trà trong gia đình, hay những nhà hàng sang trọng. Thế nên, trung bình mỗi người Việt Nam đều nhận một phần đồng vị phát alpha nói chung, hay 210Po nói riêng từ trà. Vì vậy, việc xác định nồng độ Po trong nước pha từ 210 các loại trà tại Việt Nam là rất cần thiết. Lá trà có thể được ôxy hóa (ủ để lên men), đun nóng, phơi, hay thêm vào cỏ, hoa, gia vị, hay trái cây khác, trước khi ngâm vào nước. Phân loại theo cách chế biến, ta có bốn loại trà: trà đen, trà Ô Long, trà xanh và trà trắng. Trà xanh là loại trà được oxy hóa ở mức tối thiểu trong quá trình chế biến. Trà xanh được dùng phổ biến tại nhiều nền văn hoá trên khắp châu Á, trong đó có Việt Nam. Để có thể chuyên sâu, luận văn tập trung xác định nồng độ 210 Po trong một số loại trà xanh được bán tại các siêu thị ở thành phố Hồ Chí Minh. Lượng Po trong nước trà nhiều hay ít không những phụ thuộc nồng 210 độ 210Po trong trà, mà còn thay đổi theo nhiệt độ của nước ngâm, nồng độ trà được ngâm và thời gian ngâm [3]. Trong luận văn này, chúng ta gọi hiệu suất pha trà là phần trăm Po trong trà được chuyển sang nước trà. Ngoài ra, có hai cách pha trà chính là: 210 đun hỗn hợp trà với nước và ngâm trà trong nước. Luận văn này tập trung khảo sát cách pha phổ biến nhất (và một phần cũng được hướng dẫn trên các gói trà) là: ngâm 10g trà với 200mL nước có nhiệt độ trong khoảng 75oC - 80oC trong 10 phút. Mục đích của luận văn là thông qua thực nghiệm đo đạc một số loại trà được bày bán trong các siêu thị, đánh giá phần đóng góp của 210 Po trong nước trà vào liều hiệu
dụng mà người dân thành phố Hồ Chí Minh có thói quen uống trà nhận được hàng năm. Để đạt được mục đích trên, luận văn cần thực hiện những nhiệm vụ sau: • Tìm hiểu tính chất hóa học của polonium và tổng quan về 210Po. • Tìm hiểu về phương pháp đo hoạt độ 210Po bằng phép đo phổ alpha và hệ đo alpha analyst. • Tiến hành thí nghiệm tạo mẫu, đo đạc, và tính toán nồng độ 210 Po trong nước trà, từ đó rút ra liều hiệu dụng mà người dân thành phố Hồ Chí Minh có thói quen uống trà nhận được hàng năm. Ngoài các phần mục lục, các danh mục, mở đầu, phụ lục, luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Tính chất hóa học của polonium và tổng quan về 210Po. Chương 2: Phép đo phổ alpha đối với các mẫu môi trường. Chương 3: Đo hoạt độ 210Po bằng phép đo phổ alpha. Chương 4: Thực nghiệm xác định nồng độ Po trong nước trà bằng hệ đo alpha 210 analyst.
CHƯƠNG 1 TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA POLONIUM VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ 210PO 1.1 Tính chất hóa học của polonium Polonium là nguyên tố hóa học với ký hiệu Po và số khối 84, được khám phá vào năm 1898 bởi Marie và Pierre Curie. Nó là nguyên tố hiếm có tính phóng xạ cao, và không có đồng vị bền. Polonium thuộc nhóm VI-A. Nhóm VI-A bao gồm những nguyên tố: oxi, lưu huỳnh, selenium, tellurium, và polonium. Bảng 1.1 trình bày một số đặc điểm của nguyên tử của các nguyên tố trong nhóm VI-A. Bảng 1.1: Một số đặc điểm của nguyên tử của các nguyên tố trong nhóm VI-A. Nguyên tố Số thứ tự nguyên tử Cấu hình electron Độ âm điện O 8 [He]2s22p4 3,44 S 16 [Ne]3s23p4 2,58 Se 34 [Ar]3d104s24p4 2,55 Te 52 [Kr]4d105s25p4 2,1 Po 84 [Xe]4f145d106s26p4 2,0 Các nguyên tố trong nhóm VI-A có cấu hình electron hóa trị là ns2np4, gần với cấu hình electron bền của khí hiếm. Chúng, trừ polonium và tellurium (một phần nào), thể hiện rõ tính chất của nguyên tố không – kim loại. Chúng dễ dàng kết hợp thêm electron của kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và một số kim loại khác tạo nên hợp chất ion, trong đó chúng có số oxi hóa là -2. Mức độ ion của những hợp chất này giảm dần theo chiều giảm của độ âm điện. Để đạt được cấu hình electron bền của khí hiếm. Chúng còn có thể tạo nên hai liên kết cộng hóa trị cho những hợp chất trong đó chúng có số oxi hóa +2 (đối với nguyên tố âm điện hơn) hoặc -2 (đối với nguyên tố kém âm điện hơn). Với oxi và các nguyên tố âm điện hơn, chúng có thể tạo nên bốn hoặc sáu liên kết cộng hóa trị cho những hợp chất trong đó chúng có số oxi hóa +4 hoặc +6. Tuy nhiên những số oxi hóa chính của các nguyên tố nhóm VI-A là -2, +4, và +6. Tellurium và polonium có khả năng tạo cation.
Tính kim loại của các nguyên tố nhóm VI-A thể hiện rõ nhất ở polonium [1]. Trong khi oxi và lưu huỳnh là chất cách điện, selenium và tellurium là chất bán dẫn thì polonium là chất dẫn điện. Polonium tác dụng với axit như một kim loại (polonium là kim loại màu trắng bạc). Polonium tan rất dễ trong axit loãng, nhưng chỉ tan rất ít trong dung dịch kiềm. Po + 2HCl → PoCl 2 + H 2 Po + 8HNO 3 (đậm đặc) → Po(NO 3 ) 4 + 4NO 2 + 4H 2 O Hợp chất với hidro của các nguyên tố E trong nhóm VI-A có dạng H 2 E. H 2 Po rất không bền, phân hủy ngay khi được tạo thành. Đó là do sự giảm khả năng lai hóa sp3 từ oxi đến polonium. Liên kết E-H từ H 2 O đến H 2 Po có độ dài tăng lên và năng lượng giảm xuống, làm cho độ bền nhiệt của phân tử giảm xuống. Polonium dioxit PoO 2 có tính ba-zơ, chỉ tan trong kiềm nóng thành muối polonit. Polonium dioxit có thể tan trong các dung dịch axit. PoO 2 + 2H 2 SO 4 → Po(SO 4 ) 2 + 2H 2 O Polonium dễ bay hơi: Nếu mẫu được nung trong không khí ở nhiệt độ 55°C, 50% polonium sẽ bốc hơi sau 45 giờ, mặc dù nhiệt độ nóng chảy của polonium là 254°C và nhiệt độ sôi của nó là 962°C. 1.2 Đặc trưng của 210Po Hơn 33 đồng vị polonium được tìm ra, với số khối trong khoảng 188u - 220u. Tất cả các đồng vị polonium đều có tính phóng xạ, nhưng chỉ có ba đồng vị là có chu kì bán rã tương đối dài: 208Po, 209Po, và 210Po. 210 Po trước kia được gọi là “radium F”. Nó là sản phẩm phân rã của chuỗi 238 U; 210 Pb và 210 Po là hai đồng vị con cháu có chu kì bán rã tương đối dài của 222 Rn. 210 Po có chu kì bán rã là 138 ngày, và phân rã alpha thành Pb - là đồng vị 206 bền. Số hạt alpha 1mg 210 Po phát ra bằng số hạt alpha 5g Ra phát ra cho thấy năng 226 lượng phân rã alpha của 210Po rất lớn (140W/g). Bảng 1.2: Các đặc trưng phóng xạ của ba đồng vị: 208Po, 209Po, và 210Po. Chu kỳ Loại Năng lượng hạt Hạt Đồng vị bán rã phân rã được phát ra (MeV) nhân con 208 Po 2,898 năm α 5,215 204 Pb
β+ 1,401 208 Bi α 4,979 205 Pb 209 Po 103 năm β+ 1,893 209 Bi 138,376 210 Po α 5,307 206 Pb ngày 1.3 Sự phân bố của 210Po Vì 210 Po là sản phẩm phân rã trong chuỗi 238 U (có mặt khắp nơi), nên 210 Po phân bố rộng với lượng nhỏ trong lớp vỏ Trái Đất. Một tấn quặng uranium chứa chưa tới 0,1mg 210 Po. Ban đầu, 210 Po được lấy từ quặng giàu pecblen ở Bohemia, nhưng cũng có thể có được 210 Po từ muối radium lâu năm (nồng độ Po trong đó là 0,2mg/g). 210 210 Po trong tự nhiên rất ít, vì vậy nó thường được tạo ra trong lò hạt nhân. Bằng cách chiếu neutron lên 209Bi (một đồng vị bền), ta được 210Bi, phân rã thành beta và 210Po với chu kì bán rã là 5 ngày. Ngoài ra, 210 Po được sinh ra trong khí quyển, sau đó nó lắng lên bề mặt Trái Đất. 238 U trong vỏ Trái Đất phân rã thành các đồng vị phóng xạ, bao gồm 226 Ra và khí 222 Rn, khuếch tán trong khí quyển. Ở đó, chúng phân rã tiếp và rồi thành 210 Po. Một số Po được tạo ra về lại mặt đất, đi vào sinh quyển, trước khi trở thành đồng vị 210 bền 206 Pb. Vì vậy 210 Po phân bố khắp nơi trong đất đá của lớp vỏ Trái Đất, trong khí quyển, và trong nước sông, hồ do quá trình phân rã của 222Rn và quá trình lắng đọng của con cháu 222Rn. Sự phân bố của 210Po trong môi trường phụ thuộc hoàn toàn vào sự phân bố của đồng vị mẹ 210 Pb. Vì chu kì bán rã của 210 Pb là 22,3 năm, nên sự thay đổi trong phân bố 210 Pb qua các năm ảnh hưởng rất nhiều tới sự phân bố của 210 Po. Trung bình nồng độ 210Po trong không khí là 0,005pCi/m3 – 0,04pCi/m3. Và 210Po còn được phân tán vào khí quyển khi nung khô đá phốt-phát trong quá trình sản xuất phốt–pho. 1.4 Con đường 210Po đi vào cơ thể Hai nguồn bức xạ chính là nguồn bức xạ tự nhiên và nguồn bức xạ nhân tạo. Nguồn bức xạ tự nhiên là những đồng vị phóng xạ tự nhiên có trên bề mặt Trái Đất và tia Vũ Trụ. Trong đó, những đồng vị phóng xạ trong chuỗi 40K, 238U và 232Th là nguồn đóng góp chính vào liều chiếu trong và 210 Po đóng góp một lượng đáng kể. Bulman et al. (1995) ước lượng liều hiệu dụng do hấp thụ 210 Po qua đường tiêu hóa là 7% của liều
210 chiếu trong [2]. Còn theo Clayton and Bradley (1995), liều hiệu dụng do hấp thụ Po và 210Pb chiếm khoảng 18% liều chiếu trong [2]. 210 Po và 210 Pb có thể được cây hấp thụ qua rễ (từ đất) và lá (từ khí quyển), hoặc được sinh ra trong cây do phân rã Ra. Trong đó quá trình lắng đọng trên lá là nguyên 226 nhân chính về sự có mặt của 210Po trong cây. Từ đầu thập niên 60 của thế kỉ 20, 210Po có trong thuốc lá đã được nhiều người biết đến. Nồng độ 210Po trong khói thuốc lá khá cao, dẫn tới lượng 210 Po mà người hút thuốc lá nhận được nhiều hơn người không hút thuốc rất nhiều. Ngoài ra 210Po còn có trong các loại thực phẩm khác. Po trong cơ thể người khác nhau giữa các vùng và các nền văn hóa. Lượng 210Po 210 trong người dân sinh sống ở Bắc Cực đặc biệt cao. Do lượng Po trong bữa ăn có thể 210 nhiều hơn đối với vùng phía bắc – bữa ăn trong vùng này thường có tuần lộc (tuần lộc ăn địa y - một loài cây hấp thụ nguyên tố phóng xạ trong khí quyển). 1.5 Tác hại của 210Po Po có thể vào cơ thể người qua thức ăn, thức uống và không khí. Khoảng 50% – 210 90% lượng Po này được bài tiết ra ngoài cơ thể. Phần còn lại qua đường máu đi khắp 210 cơ thể. Thông thường, 210Po ở lại lá lách và thận nhiều hơn ở các mô cơ quan khác, ngoại trừ hiện tượng lắng đọng tạm thời của 210Po được hấp thụ qua đường hô hấp ở phổi dưới dạng không hòa tan. Khoảng 45% 210 Po qua đường tiêu hóa được giữ lại ở lá lách, thận, và gan; 10% tập trung ở tủy xương và còn lại phân bố khắp cơ thể. Sau 50 ngày, lượng 210Po này sẽ giảm đáng kể. 210Po trong cơ thể người còn có thể được tạo ra từ phân rã 226Ra và 210Pb trong xương. Trung bình 210Po trong cơ thể người là khoảng 1nCi. 210 210 Po rất nguy hiểm và không có công dụng sinh học. Po chỉ phát alpha với cường độ lớn ~ 1,7×1014Bq/g, lại thêm hệ số truyền năng lượng tuyến tính của nó cao, nên sẽ nguy hiểm nếu cơ thể nhận một lượng 210Po, cho dù là lượng nhỏ. Mức độ độc hại của 210 Po tương đương với 239 Pu và gấp 5 lần 226 Ra. Po được cho là một trong những 210 đồng vị phóng xạ tự nhiên độc hại nhất. Nếu 210Po đi vào trong cơ thể, hạt alpha có thể dễ dàng phá hủy mô của các cơ quan. Tuy nhiên khi ở ngoài cơ thể, 210 Po phát hạt alpha không thể đi xuyên qua da. Người làm việc với 210Po cần đeo bao tay để tránh sự khuếch tán của nó qua da. Po trong axit nitric đặc có thể thấm qua một số loại bao tay hoặc 210 axit có thể làm hỏng bao tay.
Đối với liều bức xạ nhận được trong thời gian ngắn, 4,5Sv có thể gây chết người. Nếu Po được hấp thụ qua đường tiêu hóa, hệ số liều tương đương là 0,51μSv/Bq, và 210 2,5μSv/Bq nếu qua đường hô hấp. 4,5Sv (J/kg) tương đương 8,8MBq (khoảng 50 nanogam) khi 210Po được hấp thụ qua đường tiêu hóa, và 1,8MBq (10 nanogam) khi qua đường hô hấp. Vì 1 gam Po có hoạt độ là 166TBq, nên 1 gam 210 210 Po theo lý thuyết có thể làm 20 triệu người ngộ độc, trong đó có 10 triệu người sẽ chết. Trên thực tế thì mức độ nguy hiểm thấp hơn (khoảng 0,015GBq hoặc 0,089 microgam 210 Po có thể gây chết người), vì 210Po sẽ phân rã sau vài tuần (chu kì bán rã sinh học của 210Po là 30 – 50 ngày). Ngoài ra, liều bức xạ có nguy cơ gây ung thư, xác suất là 5% – 10% đối với 1Sv bức xạ nhận được. Lượng 210 Po tối đa cơ thể có thể hấp thụ là 1,1kBq, tương đương với một hạt có khối lượng là 6,8 picogam. Nồng độ Po trong không khí tại nơi làm việc tối đa cho 210 phép là 10Bq/m3. Nhưng thực tế polonium trong cơ thể người không phân bố đều, mà chủ yếu tập trung ở lá lách và gan, có kích thước nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ cơ thể nên lượng tối đa cho phép phải thấp hơn. 1.6 Phương pháp đo hoạt độ 210Po Quá trình phân rã gamma đi kèm với quá trình phân rã alpha. Vì vậy phép đo phổ gamma có thể dùng để xác định hoạt độ 210Po. Phép đo phổ gamma có thể xác định hoạt độ đồng vị trong mẫu đo và phân biệt các đồng vị khác nhau trong mẫu đo. Phương pháp này gồm tách hóa và đo hoạt độ đồng vị phóng xạ bằng ống đếm không phân giải năng lượng. Trên thực tế có thể có tạp âm (tùy thuộc vào đầu dò), nên vạch phổ có thể sẽ dày hơn và ảnh hưởng đến việc đo đạc. Hình 1.1 là phổ gamma đo được của ba đồng vị: 201Tl, 202Tl, và 210Po.
Hình 1.1: Phổ gamma của 3 đồng vị: 201Tl, 202Tl, và 210Po. Cách tốt nhất để đo hoạt độ các đồng vị phát alpha là phép đo phổ alpha, với mẫu đo là một đĩa kim loại được nhỏ một giọt dung dịch cần đo và sấy khô, để được một lớp dung dịch đều. Nếu lớp đó quá dày thì vạch phổ sẽ rộng, do một số hạt alpha khi đi qua lớp dung dịch bị giảm năng lượng. Một cách khác trong phép đo phổ alpha là thêm chất nhấp nháy vào mẫu đo. Số tia sáng phát ra được ghi lại, từ đó biết được năng lượng trên một phân rã. Cách thứ ba để đếm hạt alpha trong phương pháp phân giải năng lượng là dùng đầu dò bán dẫn. Hình 1.2 là phổ alpha của ống đếm nhấp nháy lỏng đối với các đồng vị 210Po, 209Po, 239Pu, và 241Am. Trong luận văn này, phép đo phổ alpha bằng đầu dò bán dẫn PIPS trong hệ đo alpha analyst của Canberra được dùng để xác định hoạt độ 210Po trong nước trà.
Hình 1.2: Phổ alpha của ống đếm nhấp nháy lỏng đối với các đồng vị: 210Po, 209Po, 239Pu, và 241Am.
CHƯƠNG 2 PHÉP ĐO PHỔ ALPHA ĐỐI VỚI CÁC MẪU MÔI TRƯỜNG 2.1 Phân rã alpha Hạt nhân phân rã alpha sẽ tạo ra hạt nhân 4He và số nguyên tử giảm đi 2, số khối giảm đi 4. Các hạt alpha phát ra từ một loại đồng vị có năng lượng như nhau. Năng lượng phân rã chuyển thành động năng của hạt alpha và hạt nhân giật lùi. Vì khối lượng hạt nhân giật lùi lớn so với hạt alpha, nên phần lớn năng lượng phân rã chuyển thành động năng hạt alpha. Quãng chạy của hạt alpha là giới hạn và phụ thuộc năng lượng của hạt cũng như mật độ vật chất mà nó đi qua. Quỹ đạo của hạt alpha không bị ảnh hưởng bởi va chạm với electron hay bị làm lệch hướng do va chạm với hạt nhân. Trên đường đi của hạt alpha, năng lượng của nó sẽ tạo ra các cặp ion. Ví dụ: Nếu để tạo một cặp ion trong vật liệu bán dẫn silicon cần 3,6eV thì hạt alpha có động năng ban đầu 3,6MeV sẽ tạo ra 106 cặp. Khi truyền hết động năng, hạt alpha dừng lại và kết hợp với các electron bên cạnh trở thành nguyên tử trung hòa. 2.2 Phép đo phổ alpha đối với các mẫu môi trường Đặc trưng của phép đo phổ alpha đối với các mẫu môi trường là hoạt độ thấp, khoảng vài mBq tới vài Bq. Vì thế, hệ đo cần phải có hiệu suất cao và phông thấp. Để đo bức xạ alpha, các hệ đo dựa vào hiệu ứng ion hóa của nó. Các hệ đo thường dùng - ống đếm chứa khí và đầu dò bán dẫn - đều dựa vào việc đếm số xung sinh ra do hiệu ứng ion hóa của hạt alpha. Ngoài ra, như được trình bày trong mục 1.6, có thể dùng ống đếm nhấp nháy lỏng trong phép đo phổ alpha khi thêm vào mẫu đo chất nhấp nháy. Hình 2.1 cho thấy độ phân giải của hệ đo này không đủ đối với phân tích phổ alpha, khi các phân tích này đòi hỏi thêm các chất đánh dấu – trong ví dụ 208Po và 210Po sai khác tới 200keV. Đầu dò bán dẫn đạt được độ phân giải cao nhất trong phép đo phổ alpha.
Hình 2.1 [4]: Phổ alpha của ống đếm nhấp nháy lỏng đối với các đồng vị polonium – 208 Po, 209Po, và 210Po. Đối với mục đích đo alpha, có một hệ máy được thương mại hóa, trong đó các thiết bị điện tử được thống nhất, là hệ đo alpha Canberra Model 7200 Alpha Analyst Integrated. Hệ máy này được lắp hai ống đếm cho phép thực hiện hai phép đo song song. Ống đếm được làm từ thép không gỉ, nên có phông thấp. Ống đếm là khối trụ 82,6mm × 60,3mm × 63,5mm (chiều cao × bán kính trong × bán kính ngoài). Hình 2.2 là hình ảnh của hai ống đếm được lắp vào hệ đo và đầu dò bán dẫn. Áp suất trong ống đếm có thể điều chỉnh, thay đổi trong khoảng 0,13kPa – 2,67kPa. Áp suất giữa mẫu và đầu dò được giảm cho phép giảm đáng kể sự hấp thụ đối với bức xạ alpha. Ống đếm được thiết kế có các khe cách đều nhau. Với các khe cách đều, người dùng có thể thay đổi khoảng cách giữa mẫu đo và đầu dò theo ý muốn, như thế có thể khảo sát mẫu với hệ đo alpha analyst theo khoảng cách để tìm ra vị trí nào của khe để mẫu phân tích cho kết quả tốt nhất. Khe cuối cùng phải cách đầu dò một khoảng nhất định nào đó để đảm bảo an toàn cho đầu dò và kéo dài thời gian sử dụng.
Hình 2.2 [4]: Ống đếm được mở bên cạnh ống đếm đang đóng (trái). Đầu dò bán dẫn (Đầu dò Canberra Model A300-17AM alpha PIPS) với mặt hoạt động hướng xuống (phải). Phía trên mỗi ống đếm là một mối nối, được gọi là microdot, là nơi đầu dò bán dẫn được lắp đặt. Đầu dò được dùng trong hệ đo là đầu dò PIPS. Những đầu dò hình tròn có thể đạt tới diện tích vùng hoạt là 1200mm2. Đầu dò Canberra Model A450-AM Alpha PIPS có đường kính vùng hoạt là 23,9mm, đường kính tổng là 32,0mm, chiều cao là 12,3mm, chiều cao của microdot là 7,1mm (xem hình 2.3). Hình 2.3: Sơ đồ đầu dò PIPS A450-18AM với mặt hoạt động hướng xuống.