Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Xác định hoạt độ phóng xạ trong gạch men

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

130
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Xác định hoạt độ phóng xạ trong gạch men tập trung tìm hiểu về cấu tạo, những đặc trưng của hệ phổ kế gamma phông thấp của Trung tâm hạt nhân TP HCM và các đồng vị phóng xạ quan tâm. Mời các bạn tham khảo luận văn để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Xác định hoạt độ phóng xạ trong gạch men

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM KHOA VAÄT LYÙ -----  ----- NGUYỄN THỊ YẾN DUYÊN Ñeà taøi: LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Khóa 30 Ngöôøi höôùng daãn: TS. TRẦN VĂN LUYẾN TP. Hồ Chí Minh - Năm 2008 
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình hoàn thành luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Xin cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: TS. Thái Khắc Định, người thầy đã định hướng và tạo điều kiện cho em chọn đề tài nghiên cúư này để làm luận văn. TS. Trần Văn Luyến, người thầy đã truyền cho em sự say mê nghiên cứu khoa học, trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt em thực hiện những thao tác thí nghiệm. Em xin cám ơn hai thầy đã truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cùng những lời động viên và chỉ bảo tận tình. Quý thầy, cô trong khoa Vật Lý trường Đại học Sư phạm TP. HCM đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích, giúp em vững tin khi bước vào đời. Ban giám đốc trung tâm hạt nhân TP. HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn. Các thầy và anh chị phòng An toàn và bức xạ môi trường đã chỉ dẫn em tận tình. Các bạn lớp lý IV K30, đặc biệt là bạn Lê Thị Lụa đã luôn sát cánh và giúp đỡ mình trong những giai đoạn khó khăn nhất. Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ba mẹ và gia đình vì đã luôn ủng hộ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con hoàn thành luận văn. Nguyễn Thị Yến Duyên
BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐƠN VỊ ĐO Ước số và bội số đơn vị đo Thang đo Tên gọi Kí hiệu 10-18 = atto (a) 10-15 = femto (f) 10-12 = pico (p) 10-9 = nano (n) 10-6 = micro () 10-3 = milli (m) 10+3 = kilo (k) 10+6 = mega (M) 10+9 = giga (G) 10+12 = tera (T) 10+15 = peta (P) 10+18 = exa (E) Năng lượng bức xạ 1 Gray (Gy) = 1 J/kg 1 rad = 10mGy = 1E-7 J hấp thụ trong 1 gram vật chất. 1 Sievert (Sv) = 100 rem; 1 mSv = 0.1 rem. 1 Curie (Ci) = 3.7.1010 Becquerel (Bq) = hoạt độ phóng xạ của 1 gram Radi 1 Ebq = 1018Bq 1 gray = 100 rad 1 sievert = 100 rem 1 rem = 0.01 sievert 1 rad = 1000 millirad = 0.01 gray 1 Roengten (R) = 0.876 rad (in air)
Chữ viết tắt Ge Germani – Nguyên tố Germani GIS Geological Informatic System – Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Position System – Hệ thống định vị toàn cầu FWHF Full width Half Maximum – Bề rộng ở nửa giá trị cực đại HPGe High Pure Germani: Germani siêu tinh khiết IAEA International Atomic Energy Agency – Nguyên tử năng quốc tế ICRP International Commision for Radiological Protection - Ủy ban an toàn phóng xạ quốc tế OED Oranization for Europe Cooperration and Development – Tổ chức hợp tác và phát triển Châu Âu OECD Oranization for Economic Cooperation and Development – Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế T1/2 Chu kì bán hủy – Nửa thời gian sống của một đồng vị phóng xạ UNSCEAR United Nations scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation – Hội đồng tư vấn khoa học của Liên Hiệp Quốc về ảnh hưởng của bức xạ nguyên tử. Tp HCM Thành phố Hồ Chí Minh.
LỜI MỞ ĐẦU Trái đất được hình thành từ nhiều nguyên tố khác nhau trong đó có các nguyên tố phóng xạ. Phóng xạ được phân bố rộng khắp các quyển của trái đất: thạch quyển, địa quyển, thủy quyển, khí quyển và sinh quyển. Không giống với các sinh vật khác sống trong môi trường tự nhiên, con người còn sống trong môi trường nhân tạo: đô thị và làng mạc và môi trường nhân tạo này được xây dựng từ những vật liệu khác nhau. Những vật liệu này được lấy từ thiên nhiên nên chúng có chứa các nguyên tố phóng xạ. Trong chu kỳ 24 giờ, con người sống, sinh hoạt bên trong ngôi nhà của mình nhiều hơn bên ngoài khoảng 80%. Điều gì sẽ xảy ra nếu các vật liệu cấu trúc nên ngôi nhà có độ phóng xạ cao. Việc đánh giá liều phóng xạ trong các vật liệu xây dựng do đó trở nên rất quan trọng. Trên thế giới, vấn đề này đã được nghiên cứu từ những năm 80 của thế kỉ trước và cũng đã có tiêu chuẩn xây dựng của từng quốc gia. Tại Việt Nam mãi đến năm 2006, vấn đề này mới thật sự được quan tâm và đi sâu vào nghiên cứu. Đến năm 2007, Bộ xây dựng đã có quyết định về việc ban hành tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 397:2007 “Hoạt độ phóng xạ tự nhiên của vật liệu xây dựng. Mức an toàn trong sử dụng và phương pháp thử”. Phóng xạ trong vật liệu xây dựng chủ yếu là kali, uranium, thorium và các nhân được tạo thành từ chuỗi phân rã phóng xạ của chúng, trong đó quan trọng nhất là radium (Ra-226). Sự có mặt của Ra-226 trong vật liệu xây dựng gây nên một liều chiếu cho những người sống trong nhà bởi việc hít thở khí radon phân rã từ radium và thoát ra từ vật liệu xây dựng vào không khí trong nhà. Sự tác động này gây nên những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người, đặc biệt là làm gia tăng tỷ lệ ung thư phổi [30]. Vì những lý do trên, đề tài nghiên cứu của chị Phùng Thị Cẩm Tú, sinh viên Khoa Lý tốt nghiệp năm 2006 đã tìm thấy trong một số các loại vật liệu xây dựng như: xi măng, cát, gạch, đá xanh, ngói, đá hoa cương, gạch men … thì gạch men có độ phóng xạ khá cao? Đây là một câu hỏi cần phải được làm sáng tỏ. Để đánh giá kỹ càng hơn và làm rõ nghi vấn này. Đề tài: “Xác định hoạt độ phóng xạ trong gạch men” được thực hiện với khoảng 30 mẫu gạch men ốp, lát 1
khác nhau được thu thập và phân tích phóng xạ. Sau đó đánh giá các chỉ số Index phóng xạ, liều hấp thụ trung bình hàng năm, hoạt độ Ra tương đương… Bố cục của luận văn: Luận văn đuợc trình bày theo 4 chương: Chương 1 trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu: nguồn gốc phóng xạ, ảnh hưởng của bức xạ đến con người_mô sống, những ảnh hưởng của radon từ vật liệu xây dựng đến sức khỏe con người Chương 2 là phần đối tượng và phương pháp nghiên cứu: trình bày cấu tạo, những đặc trưng của hệ phổ kế gamma phông thấp của Trung tâm hạt nhân TP HCM và các đồng vị phóng xạ quan tâm. Chương 3 là phần thực nghiệm: trình bày về quá trình thu thập, xử lý, đo mẫu và tính toán hoạt độ các nhân phóng xạ quan tâm trong mẫu. Chương 4 là phần kết quả nghiên cứu: trình bày các kết quả định tính và định lượng của việc xử lý phổ gamma của mẫu; so sánh kết quả này với một số kết quả của các nghiên cứu khác trên thế giới. Phần kết luận đưa ra những nhận xét tổng quát rút ra từ kết quả của quá trình nghiên cứu cùng đề xuất của tác giả về một số nguyên tắc bảo vệ an toàn phóng xạ có liên quan đến phóng xạ tự nhiên trong gạch men. 2
Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Nguồn gốc phóng xạ Mọi người và mọi vật đều cấu tạo từ nguyên tử. Một người lớn trung bình là tập hợp của khoảng 4.1027 nguyên tử oxy, hydro, cacbon, nito, phốt pho và các nguyên tố khác [29]. Khối lượng nguyên tử tập trung ở phần hạt nhân nguyên tử mà độ lớn của nó chỉ bằng một phần tỷ của nguyên tử. Xung quanh hạt nhân hầu như là khoảng trống, ngoại trừ những phần tử rất nhỏ mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân được gọi là electron. Các electron quyết định tính chất hoá học của một chất nhất định. Nó không liên quan gì với hoạt độ phóng xạ. Hoạt độ phóng xạ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc hạt nhân. Một nguyên tố được xác định bởi số lượng proton trong hạt nhân. Hydro có 1 proton, heli có 2, liti có 3, berili có 4, bo có 5 và cacbon có 6 proton. Số lượng proton nhiều hơn, thì hạt nhân nặng hơn. Thori có 90 proton, protatini có 91 và urani có 92 proton được xem là những nguyên tố siêu urani. Số lượng các nơtron quyết định hạt nhân có mang tính phóng xạ hay không. Để các hạt nhân ổn định, số lượng nơtron trong hầu hết mọi trường hợp đều phải lớn hơn số lượng protron một ít. Ở các hạt nhân ổn định protron và nơtron liên kết với nhau bởi lực hút rất mạnh của hạt nhân mà không phần tử nào thoát ra ngoài. Trong trường hợp như vậy, hạt nhân sẽ tồn tại bền vững. Tuy nhiên mọi việc sẽ khác đi nếu số lượng nơtron vượt khỏi mức cân bằng. Trong trường hợp này, thì hạt nhân sẽ có năng lượng dư và đơn giản là sẽ không liên kết được với nhau. Sớm hay muộn nó cũng phải xả phần năng lượng dư thừa đó. Hạt nhân khác nhau thì việc giải thoát năng lượng dư cũng khác nhau, dưới dạng các sóng điện từ và các dòng phân tử. Năng lượng đó được gọi là bức xạ. Quá trình mà nguyên tử không bền giải thoát năng lượng dư của nó gọi là sự phân rã phóng xạ. Hạt nhân nhẹ, với ít proton và nơtron trở lên ổn định sau một lần phân rã. Khi một nhân nặng như radi hay urani phân rã, những hạt nhân mới được tạo ra có thể vẫn không ổn định, mà giai đoạn ổn định cuối cùng chỉ đạt được sau một số lần phân rã. 3
Ví dụ: urani 238 có 92 proton và 146 nơtron luôn mất đi 2 proton và 2 nơtron khi phân rã. Số lượng proton còn lại sau một lần urani phân rã là 90, nhưng hạt nhân có số lượng proton 90 lại là thori, vì vậy urani 238 sau một lần phân rã sẽ làm sinh ra thori 234 cũng không ổn định và sẽ trở thành protatini sau một lần phân rã nữa. Hạt nhân ổn định cuối cùng là chì chỉ được sinh ra sau lần phân rã thứ 14. Quá trình phân rã này xảy ra đối với nhiều hạt nhân phóng xạ có ở trong môi trường. Hoạt độ phóng xạ chỉ khả năng phát ra bức xạ của một chất. Hoạt độ không có nghĩa là cường độ của bức xạ được phát ra hay những rủi ro có thể xảy ra đối với sức khoẻ con người. Nó được quy định bằng đơn vị hoạt độ Becquerel (Bq), phỏng theo tên một nhà vật lý người Pháp, Henri Becquerel. Hoạt độ phóng xạ của một tập hợp các hạt nhân phóng xạ được tính bởi số các phân rã trong nó trong một đơn vị thời gian. Nếu số lượng phân rã là 1/1 giây, thì hoạt độ của chất đó được tính là 1 Bq. Hoạt độ không liên quan gì đến kích thước hay khối lượng của một chất. Một nguồn phóng xạ có độ lớn bằng điếu thuốc lá dùng trong một dụng cụ quan trắc phóng xạ có thể có hoạt độ lớn hơn hoạt độ cả thùng lớn chất thải phóng xạ hàng tỷ lần. Nếu số lượng phân rã xảy ra ở một lượng nhỏ của một chất là 1000/1 giây, hoạt độ của chất đó lớn hơn 100 lần so với một số lượng lớn chất chỉ có 10 phân rã xảy ra trong 1 giây. Tốc độ phân rã được mô tả bằng chu kỳ bán rã, đó là thời gian mà 1/2 số hạt nhân không bền của một chất nào đó phân rã. Chu kỳ bán rã là đơn nhất và không thay đổi cho từng hạt nhân phóng xạ và có thể là từ một phần giây đến hàng tỷ năm. Chu kỳ bán rã của sulfua - 38 là 2 giờ 52 phút, của radi - 223 là 11,43 ngày, và cacbon - 14 là 5.730 năm. Trong các chu kỳ bán rã liên tiếp, hoạt độ chất phóng xạ giảm bởi phân rã từ 1/2, 1/4, 1/8, 1/16… so với hoạt độ ban đầu. Điều đó cho phép tính hoạt độ còn lại của bất cứ chất nào tại một thời điểm bất kỳ trong tương lai. Bức xạ có khắp nơi trong môi trường: trong đất, nước, không khí, thực phẩm, vật liệu xây dựng, kể cả con người - một sản phẩm của môi trường. Hầu hết các chất phóng xạ có đời sống dài đều sinh ra trước khi có trái đất, vì vậy một lượng phóng xạ luôn tồn tại là điều bình thường không thể tránh khỏi. 4
Trong thế kỷ vừa qua, phông phóng xạ đã tăng lên không ngừng do các hoạt động như thử vũ khí hạt nhân và phát điện hạt nhân. Mức độ phóng xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: địa điểm, thành phần của đất, vật liệu xây dựng, mùa, vĩ độ, và mức độ nào đấy nữa là điều kiện thời tiết: mưa, tuyết, áp suất cao, thấp, hướng gió… tất cả đều ảnh hưởng đến phông bức xạ. Bức xạ được xem là tự nhiên hay nhân tạo là do nguồn gốc sinh ra của nó. Từ đó nguồn phóng xạ được chia làm hai loại: nguồn phóng xạ tự nhiên và nguồn phóng xạ nhân tạo. Nguồn phóng xạ tự nhiên là các chất đồng vị phóng xạ có mặt trên trái đất, trong nước hay trong bầu khí quyển. Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc. 1.1.1. Các nguồn phóng xạ tự nhiên: gồm hai nhóm: nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy - có từ khi tạo thành trái đất và vũ trụ và nhóm đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra. Một phần của phông phóng xạ là bức xạ vũ trụ đến từ không gian. Chúng hầu hết bị cản lại bởi khí quyển bao quanh trái đất, chỉ một phần nhỏ tới được trái đất. Trên đỉnh núi cao hoặc bên ngoài máy bay, độ phóng xạ lớn hơn nhiều so với ở mặt biển. Các phi hành đoàn làm việc chủ yếu ở độ cao có bức xạ vũ trụ lớn hơn mức bình thường ở mặt đất khoảng 20 lần. Các chất phóng xạ có đời sống dài có trong thiên nhiên thường ở dạng các chất bẩn trong nhiên liệu hóa thạch. Trong lòng đất, các chất như vậy không làm ai bị chiếu xạ, nhưng khi bị đốt cháy, chúng được thải vào khí quyển rồi sau đó khuyếch tán vào đất, làm tăng dần phông phóng xạ. Nguyên nhân chung nhất của sự tăng phông phóng xạ là radon, một chất khí sinh ra khi Radi kim loại phân rã. Các chất phóng xạ khác được tạo thành trong quá trình phân rã tồn tại tại chỗ trong lòng đất, nhưng radon thì bay lên khỏi mặt đất. Nếu nó lan toả rộng và hoà tan đi thì không gây ra nguy hại gì, nhưng nếu một ngôi nhà xây dựng tại nơi có radon bay lên tới mặt đất, thì radon có thể tập trung trong nhà đó, nhất là khi các hệ thống thông khí không thích hợp. Radon tập trung trong nhà có thể lớn hơn hàng trăm lần, có khi hàng ngàn lần so với bên ngoài. Loại trừ khí radon, bức xạ tự nhiên không có hại đối với 5
sức khoẻ. Nó là một phần của tự nhiên và các chất phóng xạ có trong cơ thể con người cũng là một phần của tạo hoá. * Nhóm đồng vị phóng xạ nguyên thủy Phông phóng xạ trên trái đất gồm các nhân phóng xạ tồn tại cả trước và khi trái đất được hình thành. Chúng có chu kỳ bán rã ít nhất khoảng vài triệu năm, gồm có uranium, thorium và con cháu của chúng, cùng với một số nguyên tố phóng xạ khác tạo thành bốn họ phóng xạ cơ bản: Họ thorium Th232(4n); họ uranium U238(4n+2); họ actinium U235(4n+3) và họ phóng xạ nhân tạo neptunium Pu241(4n+1). Các đặc điểm của 3 họ phóng xạ tự nhiên: - Thành viên thứ nhất là đồng vị phóng xạ sống lâu với thời gian bán rã được đo theo các đơn vị địa chất. - Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị 222 khác nhau của nguyên tố radon: trong họ uranium là 86Rn (radon), trong họ 220 219 thorium là 86Rn (thoron), trong họ actinium là 86Rn (actinon). Trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium không có thành viên khí phóng xạ. - Sản phẩm cuối cùng trong mỗi họ phóng xạ tự nhiên đều là chì: Pb206 trong họ uranium, Pb207 trong họ actinium và Pb208 trong họ thorium. Trong họ phóng xạ nhân tạo neptunium, thành viên cuối cùng là Bi209. 6
90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 232 230 228 226 224 222 220 218 216 214 212 210 208 Hình 1.1: Họ Thorium (4n) Ký hiệu: Phân rã Beta Phân rã Alpha 7
92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 81 235 233 231 229 227 225 223 221 219 217 215 213 211 209 207 Hình 1.2: Họ Actinium (4n+3) 8
92 91 90 89 88 87 86 85 84 83 82 238 236 234 232 230 228 226 224 222 220 218 216 214 212 210 208 206 Hình 1.3: Họ Uranium (4n+2) 9
Ngoài các đồng vị phóng xạ trong 4 họ phóng xạ cơ bản trên, trong tự nhiên còn tồn tại một số đồng vị phóng xạ với số nguyên tử thấp. Các đồng vị phóng xạ quan trọng nhất được dẫn ra trong bảng 1.1. Một trong các đồng vị phóng xạ tự nhiên là K40, rất phổ biến trong môi trường (hàm lượng K trong đất đá là 27g/kg và trong đại dương ~ 380 mg/lit), trong thực vật, động vật và cơ thể người (hàm lượng K trung bình trong cơ thể người khoảng 1,7g/kg). Bảng 1.1: Đặc trưng của 40K và các nhân chính của 3 họ phóng xạ Nhân Chu kỳ bán hủy Hàm lượng/ Hoạt độ tự nhiên 235 U 7,04 x 108 năm 0,72% uran tự nhiên 238 U 4,47 x 109năm 99,2745% uran tự nhiên, 0,5-0,7 ppm uran trong đá 232 Th 1,41 x 1010 năm 1,6-20 ppm trong đá vôi, trung bình 10,7 ppm 226 Ra 1,6 x 103 năm 16 Bq/kg trong đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nóng chảy 222 Rn 3,82 ngày 0,6 – 28 Bq/m3 trong không khí 40 K 1,28 x 1010 năm Đất: 37-1000 Bq/kg Đồng vị phóng xạ tự nhiên quan trọng khác là C14 với chu kỳ bán rã 5600 năm. C14 là kết quả của biến đổi hạt nhân do các tia vũ trụ bắn phá hạt nhân N14. Trước khi xuất hiện bom hạt nhân, hàm lượng tổng cộng của C14 trong khí quyển khoảng 1,5.1011MBq (4MCi), trong thực vật khoảng 4,8.1011 MBq (13 MCi), trong đại dương khoảng 9.1012 MBq (240 MCi). Việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm tăng đáng kể hàm lượng C14. Cho đến năm 1960, tất cả các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân đã thải ra khí quyển khoảng 1,1.1011 MBq (3MCi). Cacbon phóng xạ tồn tại trong khí quyển dưới dạng khí CO2, đi vào cơ thể động vật qua quá trình hô hấp và vào thực vật qua quá trình quang hợp nên được sử dụng để đánh giá tuổi các mẫu khảo cổ vật liệu hữu cơ thông qua các số liệu hoạt độ riêng C14 của chúng. * Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ: + Các đồng vị phóng xạ được tạo thành từ tia vũ trụ: Bức xạ vũ trụ lan khắp không gian, chúng tồn tại chủ yếu ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Bức xạ có nhiều dạng, từ những hạt nặng có vận tốc rất lớn 10
đến các photon năng lượng cao và các hạt muyon. Tầng trên của khí quyển trái đất tác dụng với nhiều loại tia vũ trụ và làm sinh ra các nhân phóng xạ. Phần lớn các nhân phóng xạ này có thời gian bán rã ngắn hơn các nhân phóng xạ tự nhiên có trên trái đất. Bảng 1.2 trình bày các nhân phóng xạ chính có nguồn gốc từ vũ trụ. Bảng1.2: Các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc vũ trụ Nhân T1/2 Nguồn Hoạt độ 14 C 5730 năm Ttvt 14N(n,p)14C 220 Bq/kg trong vật liệu hữu cơ 3 H 12,3 năm Ttvt N và O 6Li(n,  )3H 1,2 x 10-3 Bq/kg 7 Be 53,28 ngày Ttvt với N và O 0,01 Bq/kg (Ttvt: Tương tác vũ trụ) Các nhân phóng xạ vũ trụ khác là Be10, Al26, Cl36, Kr80, C14, Si32, Ar39, Na22, S35, Ar37, P32, P33, Mg38, Na24, S38, F18, Cl38, Cl34m. + Bức xạ vũ trụ: Cùng với các nhân phóng xạ tao nên khi tia vũ trụ tương tác với lớp khí quyển, bản thân các tia vũ trụ cũng góp phần vào tổng liều hấp thụ của con người. Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại là bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp. Bức xạ vũ trụ sơ cấp được tạo nên bởi các hạt có năng lượng cực kỳ cao (lên đến 108 Ev), đa phần là proton cùng với một số hạt khác nặng hơn. Phần lớn các tia vũ trụ sơ cấp đến từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta và chúng cũng đã được tìm thấy trong không gian vũ trụ. Một số ít bắt nguồn từ mặt trời do quá trình cháy sáng của mặt trời. Một số nhỏ bức xạ vũ trụ sơ cấp xuyên xuống bề mặt trái đất còn phần lớn chúng tương tác với khí quyển. Khi tương tác với khí quyển, chúng sinh ra các bức xạ vũ trụ thứ cấp hoặc ánh sáng mà ta có thể nhìn thấy trên mặt đất. Những phản ứng này làm sinh ra các bức xạ có năng lượng thấp hơn, bao gồm việc hình thành các photon ánh sáng, các electron, các notron và các hạt muyon rơi xuống mặt đất. Lớp khí quyển và từ trường trái đất có tác dụng như một lớp vỏ bọc che chắn các tia vũ trụ, làm giảm số lượng của chúng có thể đến được bề mặt của trái đất. Như vậy, liều bức xạ con người nhận được sẽ phụ thuộc vào độ cao mà 11
người ấy đang ở: từ bức xạ vũ trụ, hàng năm con người có thể nhận một liều cỡ 0,27 mSv và sẽ tăng lên gấp đôi nếu độ cao tăng 2000m. Suất liều điển hình của bức xạ vũ trụ như sau: 0,04  Gy / h trên bề mặt trái đất, 0,2  Gy / h ở độ cao 5000m và 3  Gy / h ở độ cao 20 000m. Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ cao khoảng 20 000m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự ảnh hưởng của địa từ trường của trái đất và từ trường của mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp. 1.2.1. Các nguồn phóng xạ nhân tạo Những hoạt động của con người cũng tạo ra các chất phóng xạ được tìm thấy trong môi trường và cơ thể trong hơn 100 năm trở lại đây và qua đó bổ sung vào nguồn phóng xạ tự nhiên những sản phẩm của con người. Chúng chỉ là một lượng rất nhỏ so với lượng phóng xạ có sẵn trong tự nhiên. Vì chu kỳ bán rã của chúng ngắn nên hoạt độ của chúng đã giảm đáng kể từ khi ngừng thử vũ khí hạt nhân trên trái đất. Một số chất đã được thải vào khí quyển do các vụ thử vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân. Những giới hạn phát thải được phép đối với nhà máy điện hạt nhân bảo đảm chúng không gây tác hại gì. Hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân hạch hạt nhân nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với môi trường. Vũ khí hạt nhân Rơi lắng từ các vụ thử vũ khí hạt nhân là nguồn phóng xạ nhân tạo lớn nhất trong môi trường. Dấu hiệu của bom hạt nhân là các sản phẩm phân hạch của 235U và 239Pu. Dấu hiệu của phản ứng nhiệt hạch là triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi nơtron nhanh tương tác với 238U ở lớp vỏ bọc ngoài. Các đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết quả của việc bắt notron với các vật liệu làm bom và không khí xung quanh. Một trong những sản phẩm quan trọng nhất là 14C được tạo ra do phản ứng 14N(n,p)14C làm cho hàm lượng 14C trong khí quyển tăng gấp đôi vào giữa những năm 1960. Từ khí quyển, các đồng vị phóng xạ sẽ lắng đọng trên địa cầu dưới dạng rơi lắng tại chỗ (12%), nằm trên tầng đối lưu (10%) và tầng bình lưu (78%). Rơi lắng ở tầng bình lưu là rơi lắng toàn cầu và sẽ gây nhiễm bẩn toàn cầu với hoạt 12
độ thấp. Trong khi hầu hết các đồng vị phóng xạ nằm trên bề mặt trái đất thì 3H và 14C đi vào các chu trình khí quyển, thủy quyển và sinh quyển toàn cầu. Tổng lượng phóng xạ đã đưa vào khí quyển qua các vụ thử vũ khí hạt nhân là 3.107Sv/người với 70% là 14C; các đồng vị khác 137Cs, 90Sr, 95Zr và 106Ru chiếm phần còn lại. Điện hạt nhân Chương trình hạt nhân dân sự bắt đầu từ lò phản ứng Calder Hall tây bắc nước Anh năm 1956. Số các lò phản ứng hạt nhân tăng nhanh, cho đến cuối năm 2002, theo thống kê của IAEA, điện hạt nhân đã chiếm 16% sản lượng điện toàn thế giới và đang có chiều hướng gia tăng. Các đồng vị phóng xạ thải vào môi trường đều từ các chu trình nhiên liệu hạt nhân như khai thác mỏ, nghiền uran, sản xuất và tái chế các thanh nhiên liệu. Việc thải các chất phóng xạ từ các nhà máy điện có thể lên đến cỡ TBq/ năm hoặc nhỏ hơn. Suất liều đối với các nhóm dân tiêu chuẩn có bậc cỡ  Sv /năm. Tai nạn hạt nhân Khoảng 150 tai nạn lớn nhỏ của ngành hạt nhân đã xảy ra, lớn nhất là tai nạn Chernobyl, Ucraina 1986 gây nên sự nhiễm bẩn phóng xạ bởi các chất thải rắn và lỏng là hỗn hợp các hợp chất hóa học và các đồng vị phóng xạ. Ngoài ra, một số nhân phóng xạ nhân tạo còn được tạo thành từ các khu chứa chất thải phóng xạ, các chất thải rắn hay đồng vị phóng xạ nhân tạo đánh dấu. 1.2. Ảnh hưởng của bức xạ đến con người_mô sống Bức xạ sinh ra dưới nhiều hình thức. Đối với sức khỏe con người, thì các dạng quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua vật chất và làm cho nó bị điện tích hoá hay ion hoá. Nếu bức xạ ion hóa thấm vào các mô sống, các iôn được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ ion hoá, bức xạ alpha, beta, các tia gamma, tia X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ [29]. Bức xạ alpha Bao gồm các phần tử nặng mang điện tích dương hoặc các tập hợp gồm hai proton và hai notron được phát ra bởi các nguyên tử của các nguyên tố nặng 13
như uran, radi, radon và plutoni. Trong không gian, bức xạ alpha không truyền xa và bị cản lại toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi lớp màng ngoài của da. Tuy nhiên, nếu một chất phát tia alpha được đưa vào trong cơ thể, nó sẽ phát ra năng lượng ra các tế bào xung quanh. Ví dụ trong phổi, nó có thể tạo ra liều chiếu trong đối với các mô nhạy cảm, mà các mô này thì không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da. Hình1.4: Mức độ đâm xuyên của bức xạ [30] Bức xạ beta Bao gồm các electron nhỏ hơn rất nhiều so với các hạt alpha và nó có thể thấm sâu hơn. beta có thể bị cản lại bởi tấm kim loại, kính hay quần áo bình thường và nó có thể xuyên qua được lớp ngoài của da. Nó có thể làm tổn thương lớp da bảo vệ. Trong vụ tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986, các tia beta mạnh đã làm cháy da những người cứu hoả. Nếu các bức xạ beta phát ra trong cơ thể, nó có thể chiếu xạ trong các mô trong đó. Bức xạ gamma Bức xạ gamma là năng lượng sóng điện từ. Nó đi được khoảng cách lớn trong không khí và có độ xuyên mạnh. Khi tia gamma bắt đầu đi vào vật chất, cường độ của nó cũng bắt đầu giảm. Trong quá trình xuyên vào vật chất, tia gamma va chạm với các nguyên tử. Các va chạm đó với tế bào của cơ thể sẽ làm tổn hại cho da và các mô ở bên trong. Các vật liệu đặc như chì, bê tông là tấm chắn lý tưởng đối với tia gamma. Bức xạ tia X Bức xạ tia X tương tự như bức xạ gamma, nhưng bức xạ gamma được phát ra bởi hạt nhân nguyên tử, còn tia X do con người tạo ra trong một ống tia 14
X mà bản thân nó không có tính phóng xạ. Vì ống tia X hoạt động bằng điện, nên việc phát tia X có thể bật, tắt bằng công tắc. Bức xạ nơtron Bức xạ nơtron được tạo ra trong quá trình phát điện hạt nhân, bản thân nó không phải là bức xạ ion hoá, nhưng nếu va chạm với các hạt nhân khác, nó có thể kích hoạt các hạt nhân hoặc gây ra tia gamma hay các hạt điện tích thứ cấp gián tiếp gây ra bức xạ ion hoá. Nơtron có sức xuyên mạnh hơn tia gamma và chỉ có thể bị ngăn chặn lại bởi tường bê tông dày, bởi nước hoặc tấm chắn p araphin. May mắn thay, bức xạ nơtron không tồn tại ở đâu, trừ lò phản ứng hạt nhân và nhiên liệu hạt nhân. 1.3. Radon – đồng vị dạng khí trơ, rất nguy hiểm Radon là một đồng vị phóng xạ thuộc các chuỗi phóng xạ tự nhiên. Radon-222 của chuỗi uranium-238, radon-220 của chuỗi thorium-232 và radon- 119 của chuỗi uranium-235, thường được gọi là các radon và các thoron. Radon và thoron là các khí trơ, chúng không tham gia bất kỳ hợp chất hóa học nào. So với radon-220 và radon-119, độ nguy hiểm phóng xạ của radon-222 rất cao do chu kỳ bán hủy bởi phân rã phóng xạ là 3,5 ngày trong khi chu trình bán hủy của thoron là 55 giây và của radon-119 là 4 giây. Radon là tác nhân gây nguy cơ ung thư hàng đầu trong các chất gây ung thư phổi. Trong không khí, radon và thoron ở dạng nguyên tử tự do, sau khi thoát ra từ vật liệu xây dựng, đất, đá và những khoáng vật khác, chúng phân rã thành chuỗi các đồng vị phóng xạ con cháu mà nguy hiểm nhất là polonium-218. Polonium-218 phân rã alpha với chu kỳ bán hủy 3,05 phút, đủ cho một vài chu trình thở trong hệ thống hô hấp của con người. Polonium-218 bay trà trộn cùng với các hạt bụi có kích cỡ nanomet và micromet tạo thành các sol khí phóng xạ. Các sol khí phóng xạ này có kích thước khoảng vài chục micromet nên có thể được hít vào qua đường thở và tai hại hơn, chúng có thể bị lưu giữ tại phế nang. Tại phế nang, polonium-218 phân rã alpha phát ra các hạt nhân heli-hạt alpha có điện tích 2e-, khối lượng nguyên tử là 4. Các hạt alpha có năng lượng rất cao sẽ bắn phá nhân tế bào phế nang gây ra các sai hỏng nhiễm sắc thể, tác động tiêu cực đến cơ chế phân chia tế bào. Một phần năng lượng phân rã hạt nhân truyền cho hạt nhân phân rã, làm 15
các hạt nhân này bị giật lùi. Năng lượng giật lùi của các hạt nhân radon có thể đủ để phá vỡ các phân tử protein trong tế bào phế nang. Kết quả là xác suất gây ung thư do radon khá cao. Như vậy việc xác định hàm lượng sol khí phóng xạ gây ra bởi radon - tức xác định radon rất quan trọng với mục đích giám sát cảnh báo nguy cơ ung thư phổi trong đời sống cộng đồng, trong các khu hầm mỏ, trong nhà ở và đặc biệt trong phòng ngủ và phòng làm việc. Theo luật môi trường Mỹ, mức cho phép khí radon trong nhà ở là < 4pCi/l/năm tương đương 0,148 Bq/l/năm hay 148 Bq/m3/năm. Theo tiêu chuẩn an toàn bức xạ của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) nồng độ khí radon trong nhà ở của dân chúng không được vượt quá dải từ 200 đến 600 Bq/m3/năm nghĩa là từ 0,6 đến 1,7 Bq/m3/ngày. Theo luật phóng xạ 944/92 của Trung tâm phóng xạ và an toàn hạt nhân Phần Lan [16] giới hạn liều radon đối với tòa nhà đang ở là 400 Bq/m3/năm và tòa nhà mới thiết kế là 200 Bq/m3/năm. Radon trong vật liệu xây dựng Tất cả các loại vật liệu xây dựng đều chứa một lượng lớn các nhân phóng xạ tự nhiên, chủ yếu là urani, thori và các đồng vị phóng xạ của kali. Sự chiếu xạ từ vật liệu xây dựng có thể chia làm 2 loại: chiếu ngoài và chiếu trong. Nguyên nhân của sự chiếu ngoài là do các tia gamma trực tiếp. Sự chiếu trong là kết quả của việc hít thở khí radon (222Rn), thoron (220Rn) và những sản phẩm phân rã có thời gian sống ngắn của chúng. 222 Rn là một phần của chuỗi phân rã của uranium - nhân phóng xạ có trong các loại vật liệu xây dựng. Vì là một khí trơ nên radon có thể dễ dàng di chuyển trong khoảng không gian rất nhỏ hẹp giữa những phân tử của đất, đá…đi đến bề mặt và thâm nhập vào không khí, gây đến 50% liều hấp thụ hàng năm của chúng ta. Mặc dù hầu như tất cả các loại đất, đá đều chứa một lượng uranium nhất định nhưng lượng trung bình cao hơn cả được tìm thấy trong các mẫu đất, đá chứa granite, phốt phát và những loại đá phiến sét. Vì thế hàm lượng radon phụ thuộc rất mạnh vào vật liệu: những vật liệu xây dựng có nguồn gốc granite sẽ cho hàm lượng radon cao nhất, các vật liệu gốm sét, gạch xỉ than cũng là vật liệu chứa nhiều radon. Các loại khoáng sản có nguồn gốc trầm tích như 16