Tổng quan các phương pháp phân tích 210Po trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế alpha

  • Số trang: 66 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 22 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27452 tài liệu

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ------------------------------ NGUYỄN THỊ ÁNH TUYẾT Đề tài: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 210Po TRONG MẪU MÔI TRƯỜNG BẰNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA Ngành: Sư Phạm Vật Lý Mã số : 102 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS. LÊ CÔNG HẢO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2013 1 Lời cảm ơn em ba mẹ, ơ Con xin gửi lời cả â ắ chị, ến ba mẹ cùng toàn thể luôn bên con trong thời gian qua, ng hộ ộng viên con trong quá trình th c hiện lu n ơ B Em xin chân thành cả ph Hồ C í M G Hệ ều kiện thu n l ờ Đ ih S P m thành ể em h c t p và hoàn thành t t khóa h c. Em xin gửi lời cả ơ ến quý th y cô trong khoa V Ph m thành ph Hồ C í M ể th c hiệ ề ờ ơ ả t kiến thứ Đ ih ể ó S ơ ở ề tài lu Và nhất là em xin chân thành cả ơ y Lê Công Hảo, th ững kiến thứ ng d n em th c hiện lu c tiếp ê ũ k ến thức th c tế trong quá trình th c hiện khóa lu n. E ó ũ ó Cả x ả ơ ến các th y cô phản biệ k ến cho bài lu ơ ất cả các b ờ c hoàn thành t è â ẻ ộ c và ơ . ê tôi trong quá trình h c t p và làm lu Mặ ù gắng rất nhiều trong quá trình làm lu ắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót, kính mong quý th y cô t n tình chỉ bảo. Em xin chân thành cả ơ y cô. 2 MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 5 DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................. 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................... 9 LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ ALPHA VÀ POLONIUM ...................... 12 1 1 Cơ ở lý thuyết về bức x alpha ............................................................................. 12 1.1.1 Gi i thiệu về phân rã alpha........................................................................... 12 1.1.2 Tính chất c a phân rã alpha .......................................................................... 13 1121C ặ a phân rã alpha ....................................................... 13 1.1.2.2 Cấu trúc tinh tế c a phổ 1 1 2 3 Đ ều kiện về 1 1 2 4 Cơ ng alpha ....................................... 14 i v i phân rã alpha ................................ 14 ế phân rã alpha......................................................................... 15 1.1.2.5 Vai trò c a bờ thế li tâm ................................................................... 16 1.2 Tổng quan về polonium ......................................................................................... 17 1.2.1 Gi i thiệu về polonium ................................................................................. 17 1.2.1.1 Nguồn g c c a polonium .................................................................. 17 1 2 1 2 Sơ ồ phân rã v ồng vị phóng x c a 210Po ............................ 17 1.2.2 Tính hóa lý c a polonium ............................................................................. 20 1.2.2.1 Polonium kim lo i ............................................................................. 20 1.2.2.2 Tr ng thái oxi hóa ............................................................................. 21 1.2.2.3 Những mu i hòa tan và không hòa tan trong polonium ................... 21 1.2.2.4 Những h p chất polonium không hòa tan ........................................ 21 1.2.3 Lắ ê ĩ k i bằ ơ ắ ng t ện phân .......................................................................................... 21 1.2.3.1 Kỹ thu t lắ 1.2.3.2 Kỹ thu 1.2.4 210Po trong các m ng t phát polonium lên bề mặt kim lo i ............... 21 ện phân polonium lên bề mặt kim lo i............................ 23 ờng .................................................................... 24 3 1.2.4.1 Nguồn g c c a 210P 1.2.4.2 Bụi phóng x 210 1.2.4.3 210P Po trong khí quyển ................................................. 25 c ng 1.2.4.4 210P ờng............................................. 24 c u ng ............................................... 26 ất ................................................................................... 26 1.2.4.5 210Po trong th c v t ........................................................................... 27 1.2.4.6 210Po trong thu c lá ........................................................................... 27 1.2.4.7 210Po trong th c phẩm nói chung ...................................................... 28 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ ĐO ALPHA ANALYS ........................................... 30 2.1 Tiện ích ................................................................................................................... 30 2.2 Buồng chân không.................................................................................................. 31 2.3 Detector .................................................................................................................. 32 2.3.1 Detector PIPS ............................................................................................... 32 2.3.2 Detector Alpha PIPS ..................................................................................... 33 2.4 Bộ tiền khuế 2.5 Bộ khuế i .................................................................................................. 34 i ......................................................................................................... 35 ổ 2.6 Bộ ADC (bộ biế 27M â í ê ơ ộ thành s ) ............................................................... 36 kê MCA .................................................................... 36 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 210Po TRONG MẪU NƯỚC BẰNG HỆ PHỔ KẾ ALPHA ................................................................................................... 38 í ................................................................................................................. 38 3.1 Mụ 3.2 Nguyên tắc ............................................................................................................. 39 3.3 Hóa chất và thiết bị ................................................................................................ 40 3.3.1 Tracers .......................................................................................................... 40 3.3.2 Thiết bị .......................................................................................................... 41 3.3.3 Hóa chất ........................................................................................................ 41 34P ơ ........................................................................................................... 42 3.4.1 Chuẩn bị m u bằ ơ kết t x (M O2) ............... 42 3.4.2 Tách hóa h c ................................................................................................. 42 3.4.2.1 Chiết bằng dung môi DDTC ............................................................. 43 4 3.4.2.2 Chiết suất sắc ký sử dụng nh ổi ion Sr ................................ 45 3.4.3 Chuẩn bị nguồn ............................................................................................. 47 35Đ ờng................................................................................................................. 48 3.6 Biểu thức kết quả.................................................................................................... 48 3.6.1 Nồ ộ ho ộ c a 210Po vào ngày tách và sai s ...................................... 48 3.6.2 Nồ ộ ho ộ c a 210Po vào ngày lấy m u và sai s ............................... 51 3.6.3 Gi i h n phát hiện ........................................................................................ 56 é 3.7 Kiểm soát chấ 3.7.1 Sai s ơ ic ................................................................................ 58 ơ ............................................................... 58 3.7.2 Gi i h n lặp l i ............................................................................................. 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 61 PHỤ LỤC 1: CHUẨN BỊ HÓA CHẤT ....................................................................... 62 PHỤ LỤC 2: CÁC CÔNG THỨC TÍNH SAI SỐ ....................................................... 63 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Multi Channel Analyzer (MCA) Multi Channel Buffer (MCB) Máy phân í ệ T ê ê ộ ộ kê kê Passivated Implanted Plannar Silicon Detector silic nuôi cấy ion thụ ộng (PIPS) Silicon Surface Barrier (SSB) Diffused Junction (DJ) Analog to Digital Coverter (ADC) Genie – 2000 Alpha Acquisition &Analyst FWHM Torr Detector hàng rào mặt Mặt n i khuếch tán ổ Bộ biế ơ thành s Ph n mềm ứng dụng trên máy tính Độ phân giả Đơ ị ng ất (1 torr = 1,3158 x 10-3 atm) C6H8O6 Axit ascorbic CH3COOH Axit axetic U Uranium Th Thorium Ac Actinium Ra Radium Rn Radon a# Gi i h n phát hiện [Bq/L] fT Hệ s ều chỉnh s phân rã c a chấ ấu 209Po 6 trong khoảng thời gian giữa ngày tham chiếu chấ dấu và ngày tách polonium f2-Po f3-Po mT ều chỉnh s phân rã c a 210Po trong khoảng thời Hệ s Hệ s ều chỉnh s phân rã c a 210Po trong thờ Kh ng c a dung dịch chấ Thể tích m u [L] R Hiệu suất tách hóa polonium ộ ho Nồ ộ [Bq/L] Gi i h n lặp l i [Bq/L] Rn T ộ ếm th c 210Po [s-1] Rnt T ộ ếm th c 209Po [s-1] Rg T ộ ếm tổng cộng 210Po [s-1] rgt T ộ ếm tổng cộng 209Po [s-1] r0 T ộ ếm phông c a 210Po [s-1] r0t T ộ ếm phông c a 209Po [s-1] t0 Thờ t1-Po t2-Po c c ghi nh n c a 210Po trong m u rL tT ấu 209P thêm vào [g] VS c ờng gian giữa lúc tách polonium và lúc bắ ếm phông [s] ấu Khoảng thời gian giữa ngày tham chiếu chấ 209 Po và ngày tách [ngày] Khoảng thời gian giữa ngày lấy m u và ngày tách [ngày] Khoảng thời gian giữa ngày tách 210Po và ngày bắ ờng [ngày] t3-Po Thờ ếm m u [ngày] ̅̅̅ Giá trị ờng trung bình c Xi Giá trị ờng riêng c é é [B /L] ứ i [Bq/L] u 7 λPb Hằng s phân rã c a 210Pb [d-1] λT Hằng s phân rã c a chấ λPo Hằng s phân rã c a 210Po [d-1] Δ Sai s Ε Hiệu suất ghi nh n c a detector Bq/L Đơ ị c a nồ ộ ho ộ Bq/m2 Đơ ị c a nồ ộ ho ộ Bq/m3 Đơ vị c a nồ ộ ho ộ S / Đơ ơ ấu 209Po [d-1] ơ ic k ểm tra [%] ị c a liều hiệu dụng hằ 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bả ồng vị phóng x c a polonium....................................................... 17 Bảng 2.1 Bề dày cửa sổ detector PIPS, SSB ............................................................ 32 Bảng 2.2 Một s detector Alpha PIPS do hãng CANBERRA sản xuất ................... 32 Bảng 2.3 Hai lo i tiền khuế i Si c a hãng CANBERRA .................................. 34 Bảng 2.4 Đặc tính c a bộ tiền khuế Bảng 3.1 Kết quả â í ị i 2004 ....................................................... 34 ng các nguyên t ó c máy lấy từ các phòng thí nghiệm c a IAEA, Seibersdorf, Áo .......................................................... 37 Bảng 3.2 Kết quả kiể ộ lặp l i và hiệu suất thu hồi ........................................ 56 9 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phân rã alpha ............................................................................................. 11 Hình 1.2 Sơ ồ phân rã alpha c a 226Ra ................................................................... 12 Hình 1.3 Thế ơ t nhân và thế C i v i h t alpha ....................... 14 Hình 1.4 Chuỗi phân rã uranium .............................................................................. 16 Hình 2.1 Sơ ồ kh i c a hệ Alpha Analyst .............................................................. 29 Hình 2.2 Phổ kế alpha ............................................................................................. 30 Hình 2.3 Bơ â k Hình 2.4 Buồ ệ alpha .................................................................................... 30 .................................................................................. 30 Hình 2.5 Detector PIPS ........................................................................................... 31 Hình 3.1 Sơ ồ kh i diễn tả quá trình tách hóa h c polonium bằ ơ chiết sử dụng dung môi DDTC ................................................................................ 43 Hình 3.2 Sơ ồ kh i diễn tả quá trình tách hóa h c polonium bằ chiết suất sắc ký sử dụng nh a ổi ion ............................................................. 45 Hình 3.3 Sơ ồ c a một bộ dụng cụ lắng t Hình 3.4 Phổ ơ ộng ................................................... 46 ng alpha c a 210Po và chấ ấu 209Po .......................... 47 Hình 3.5 Khoảng thời gian giữa ngày tham chiếu, ngày lấy m u, ngày tách hóa polonium ờng ..................................................................................... 47 10 LỜI MỞ ĐẦU Trong không gian, bức x alpha không truyề c xa và bị cản l i toàn bộ bởi một tờ giấy hoặc bởi l p màng ngoài c a da. Tuy nhiên, nếu một chất phát tia ơ â Các bức x h ể, nó sẽ phát ó ơ phân tử sinh h c. Tổ â ơ ơ ơ ể s ng từ tổ ệ th ng c ơ ơ alpha chiếu vào tế bào trong bất cứ ị tổ ơ ị ộng một cách a tế bào bị h n ổi, gây nên các bệnh về hệ th ng t o ờng ruột, th n kinh, các bệnh những tác nhân â Ngoài ra, bức x alpha là một trong ột biến các thông tin di truyền. Nó trong phân tử ADN. Khi thông tin c a tế bào gi ng bị biế thụ tinh thì thế hệ con cháu c ơ ến tử vong. Khi bức x ặc các chứ ũ ở ử, tế bào, mô ơ có hệ th ng. Nếu tế bào mất khả ơ ơ n nào c a chu trình tế bào thì tế bào Các tế bào t o nên chế â i các ể. H u quả c a các tổ này làm phát sinh những triệu chứng lâm sàng, có thể d ũ ơ ởi bức x là hệ quả c a các tổ ộ liên tục diễ ến tổ ể gây ion hóa. S ion hóa nguyên tử l ổi tính chất hóa h c hay sinh h c - làm tổ hay phân tử nhiều mứ ng ra các tế bào xung quanh. ứt gãy các dãy g c ổi và tế bào gi c ời bị chiếu x sẽ có khuyết t t di truyề ột biến. 210 Po là một nguồn bức x alpha. Nó ộc h i nhất. 210Po là chất c c kỳ nguy hiểm, một phóng x t nhiên quan tr ng bột 210 Nghiên cứ một khi 210 ng nhỏ ơ 1 gram có thể làm cho mộ Po có kh Cơ Bảo vệ Sức khỏe Anh th c hiệ Po xâm nh p vào máu c a một ằng không. Nguyên nhân d g ơ c coi là một trong những h t nhân ội t ng, phổi, th n và t ời thì khả ời tử vong. 2007 ứu s ấy ờ ó ến tử vong là do các h t alpha bắn phá nên x ơ a n n nhân sẽ bị h y ho i từ bên trong. 210 Po phân b rộng rãi ời thông qua ờng tiêu hóa ờng. Nó có khả ếp xúc v i con ờng hô hấp. Để tránh những tác h i c a bức 11 x alpha thì việc tiếp xúc v i bức x ờng nên t quá gi i h ộ càng thấp càng t t. Vì v y, phân tích 210Po trong các m mứ ờng là một ặ k ók việc làm rất c n thiết. Hiện nay, một s phòng thí nghiệ ịnh 210Po. Nên yêu c y trong việ x c kết quả ơ triển một t p h ểx ơ Một trong nhữ x tách hóa 210Po và tiến hành 210 ịnh 210Po trong các m ổng quát ể x trong các m ờng v ộ chính xác cao ơ ộ nguy h i c a 210 ề c “Tổng Po trong mẫu môi trường bằng hệ phổ kế ơ ời và kịp thờ ờng. ịnh ho t ộ c a 210Po là sử dụng alpha” nhằm c mứ ể có ặt ra là phải phát ờng bằng hệ phổ kế alpha. Việc ch quan các phương pháp phân tích c giữ ở ộ phóng x c a 210Po ịnh ho Qua ó chúng ta có thể ờng có thể gây ra cho con Po ể giảm thiểu việc tiếp xúc, hấp thụ bức a ra những biệ x alpha sinh ra do s phân rã c a 210Po. 3 Lu C ơ ơ : i các nộ 1: ổng quan về bức x alpha và p C ơ ề quá trình phân rã alpha và các tính chất c a polonium. C ơ 2: Gi i thiệu về hệ â V t lý H ờ Alpha Analyst t i phòng thí nghiệm bộ môn Đ i h c Khoa h c T nhiên thành ph Hồ Chí Minh. Ph n ờ này mô tả các thiết bị có trong hệ ó ể sử dụ c dễ dàng. C ơ 3: Trình bày tổng quan về c bằng hệ phổ kế alpha. ơ â í 210 Po trong m u 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ ALPHA VÀ POLONIUM 1.1 Cơ sở lý thuyết về bức xạ alpha 1.1.1 Giới thiệu về phân rã alpha H t alpha gồm hai proton và hai neutron liên kết v i nhau gi ó có thể viết là 42 He l n kh ó ện tích bằng +2e và có kh t nhân ng g n bằng 4 ng nucleon. H t alpha xuất hiện trong quá trình phân rã c a các h t … nhân phóng x nặ nhân ở tr k í í k ó ẽ kè quá trình phân rã alpha làm h t â ể giả ó ng. Phân rã alpha xảy ra khi h t nhân phóng x có tỉ s N/Z quá thấp. Khi xảy ra phân rã alpha, h â u A Z X chuyển thành h t nhân A-4 Z-2 X và phát ra h t alpha. A Z X → A-4 Z-2 X+ 4 2 He (1.1) Hình 1.1 Phân rã alpha Phân rã alpha thỏ ều kiện sau [1]: Mm = Me + mα + 2me + Q T ó Mm, Me, mα và me ơ ứng v i kh nguyên tử con, h t nhân alpha và h t electron. (1.2) ng các nguyên tử mẹ, 13 ơ Q là kh ộng rã, bằng tổ k mấ ơ ng tổng cộng giải phóng khi phân a h t nhân con và h t alpha. Hai h t electron quỹ x gamma. H ịnh và suất ra c â d ng phổ v ch. 12 ị ó 4 8M V ng là ờng kèm theo s phân rã ơ ồ phân rã alpha và gamma c a h t nhân ó ộ h ơ t nhân mẹ phân rã ra h t nhân con có s nguyên tử thấ H t alpha phát ra v o bị 5 7% ó ộ 226 Ra v i 94,3% 4 6MeV [3]. Ở nhánh phát ng thấp 4,6MeV h t nhân con v n ở tr ng thái kích thích và phát tiếp ơ ản [3]. bức x gamma bằng 0,2MeV trở về tr 226 88 4,785 Ra 4,785 94,4% α 4,652 5,5% α 0,186 γ 3,3% 0 Hình 1.2 Sơ ồ phân rã alpha c a ó ơ 200 Hiệ 226 t nhân phân rã alpha. Phân rã alpha ch yếu xả v i các h t nhân nặng có Z > 83 [1]. Ngoài ra có một hiế ũ â Ra ng nhỏ h â i ù ất i s kh i A = 140 ến 160 [1]. 1.1.2 Tính chất của phân rã alpha 1.1.2.1 Các đặc trưng của phân rã alpha C â ặ ng c a phân rã alpha là thời gian bán rã T1/2 c a h t c phân rã, ộ E Thời gian bán rã T1/2 theo thời gian hoặ x x y R c a h t alpha. ịnh tr c tiếp nhờ é ịnh theo s phân rã trong mộ â quy lu t cân bằng thế kỷ. Thời gian bán rã c a các h trong một dãy rất rộng từ vài giây ến vài tỉ còn 215 86 Rn có T1/2 = 10-6 s. 204 82 ộ suy giảm ho ơ ộ ị thời gian hay từ â Pb có T1/2 = 1,4.107 ổi 14 N ng h t alpha có thể x ịnh bằng phổ kế từ hay buồ ổi trong một dãy rất hẹ ng các h t ổi từ 4 ến 9MeV, v Quãng ch y c a h ơ ó i v i các h t nhân nặng thì ất hiếm từ 2 ến 4,5MeV [1]. ịnh bằng buồng b c xá ó N ảnh. D a vào hệ thức liên hệ giữ W ũ ng và quãng ch y, ta có công thức tính quãng ch y trong không khí 3 – 7cm là Rkk = 0,318.E3/2 ò ờng v i h t nhân có s kh i A thì tính theo công thức R = 0,56.Rkk.A1/3 [1]. Tính chất quan tr ng nhất c a các h t nhân phân rã alpha là s phụ thuộc c a thời gian bán rã T1/2 giả 1% ếu ng E c a h t alpha bay ra. Chẳng h ời gian bán rã lên một b c, nếu giảm 10% ng thì có thể ổi từ 2 ến 3 b c. ng thì T1/2 E S phụ thuộc c a T1/2 â ịnh lu t Geiger - N lgT1/2  C  : D E (1.3) V i C và D là hằng s không phụ thuộc vào s kh i A. 1.1.2.2 Cấu trúc tinh tế của phổ năng lượng alpha D a vào việ ề ng giả ng các h ng là phổ ơ x ịnh ó ồng vị sẽ ó K ó ắc. Trong th c tế, một s h t nhân chỉ có một nhóm ứng v i một giá trị ũ k alpha v é kh ồng vị khác c a một nguyên t iv Các h t alpha phát ra từ cùng mộ phổ ặ k Đó í ó ột s h t nhân phát ra nhiều h t ấu trúc tinh tế c a phổ alpha. 1.1.2.3 Điều kiện về năng lượng đối với phân rã alpha Xét quá trình phân rã alpha theo công thứ (1 1) Để phân rã alpha xảy ra thì ng liên kết c a h t nhân mẹ EA,Z phải nhỏ ơ ổ ng liên kết c a ΔE  E lk, A4,Z2  E lk  E lk, A,Z  0 (1.4) h t nhân con EA-4,Z-2 và h t alpha Eα. Tức là: H t alpha ó ng liên kết là 28M V trên một nucleon là 7MeV. N ó ng liên kết riêng ể phân rã alpha xả ng liên kết 15 riêng c a h t nhân mẹ phải nhỏ ơ 7MeV. Vì v y các h t nhân nhẹ không thể phân rã alpha vì n ng liên kết riêng c a chúng c 8MeV. 1.1.2.4 Cơ chế phân rã alpha í Ba yếu t c ế ơ ế â ờng thế Coulomb quanh h t nhân, l c ly tâm và cấu trúc h t nhân. ờng thế Coulomb và hiệu ứ - ờng ng m Để giải thích s phụ thuộc m nh c a thời gian bán rã h h t alpha thì c n phả x ấ g â xé ơ â ng ế ể h t alpha thoát ra khỏi h t nhân. Giả thuyết c xem xét ến là coi h t alpha hình thành và tồn t i trong h t ện nên ngoài l c khi thoát khỏi h t nhân. H t alpha là h ơ tác h t nhân còn chịu tác dụng c a l c Coulomb. Để giả ơ â Coulomb do h ừ ngoài vào. Thế , ta giả sử h ơ ê ỉ lệ nghịch v i khoảng cách r theo biểu thức: 2Ze2 U Coulomb  r H (1.5) c thể hiện qua hình 1.3. V(r) 2Z1e2 r E 0 R r Rc -V0 Hình 1.3 Thế Thế ơ t nhân và thế C n trong miền ngoài bán kính h t nhân, t Đến biên h t nhân r = R thì l c h ả c biế i v i h t alpha ột ngộ ờng thẳ â ó ò ó c h t nhân bằng 0. ng v ứng. D ng bên trong h ờng biểu diễn â - Xem thêm -