Tài liệu Khảo sát độ phóng xạ trong đá ốp lát dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành phố hồ chí minh

THƯ VIỆN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH ------------------------------------------ LƯU HỮU NGUYÊN KHẢO SÁT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG ĐÁ ỐP LÁT DÙNG LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN VĂN LUYẾN Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Xin cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: TS. Trần Văn Luyến, người thầy đã truyền cho tôi nhiệt tình nghiên cứu khoa học, những kiến thức chuyên môn sâu, những chỉ bảo tận tình trong thực nghiệm, trong đánh giá kết quả. TS. Thái Khắc Định, người thầy đã giới thiệu tôi lựa chọn đề tài, tận tâm giảng dạy và truyền niềm đam mê nghiên cứu khoa học, góp ý chân thành và bổ ích cho tôi. TS. Đỗ Xuân Hội, TS. Nguyễn Văn Hoa, TS. Huỳnh Quang Linh, TSKH. Nguyễn Văn Hoàng, TS. Nguyễn Văn Hùng, TS. Nguyễn Quang Miên, TS. Bùi Văn Loát, TS. Nguyễn Đông Sơn, TS. Võ Thanh Cương và tất cả quý thầy cô đã tận tâm giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích, giúp tôi vững tin khi bước vào đời. Ks. Đào Văn Hoàng luôn khuyến khích, động viên và hết lòng giúp đỡ tôi. Thầy cô phản biện và Hội đồng Khoa học đã dành nhiều thời gian đọc và góp ý cho luận văn của tôi. Ban Giám đốc Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, các anh chị phòng An toàn Bức xạ và Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi về tinh thần và cơ sở vật chất cho tôi trong quá trình thực nghiệm tại Trung tâm. Các bạn lớp Cao học Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao K18 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 đã luôn ủng hộ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con hoàn thành luận án. 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 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. 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 – Cơ quan năng lượng nguyên tử 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. PGs Phó giáo sư. SNAP System for Nuclear Auxiliary Power – Hệ thống năng lượng hạt nhân phụ trợ trong vệ tinh hoặc tàu vũ trụ. T1/2 Chu kì bán hủy – Nửa thời gian sống của một đồng vị phóng xạ. Ttvt Tương tác vũ trụ. 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. UTM Universal Transverse Mercator – Hệ thống biến đổi tọa độ toàn cầu. WGS World Geometrical System – Hệ thống đo đạc toàn cầu. NCRP National Council on Radiation Protection and Measuremens. TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh. TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam. LHDTBHN Liều hiệu dụng trung bình hằng năm. -1- PHẦN MỞ ĐẦU Trái đất được hình hành từ nhiều nguyên tố khác nhau trong đó có các nguyên tố phóng xạ, các nguyên tố này phân bố rộng khắp các quyển của trái đất như thạch quyển, địa quyển, thủy quyển, khí quyển và sinh quyển. Nguyên tố phóng xạ tự nhiên có từ thời hồng hoang, cùng tuổi với vũ trụ. Nó bao gồm rất nhiều hạt nhân phóng xạ nguyên thủy tạo thành các chuỗi phóng xạ uranium (U), thorium (Th) và hạt nhân kali-40 (K-40). Khi con người ở trong ngôi nhà thì ngôi nhà trở thành một “lô cốt” chắn gần hết các tia bức xạ từ không gian bên ngoài chiếu vào nhà. Do đó liều chiếu ngoài và chiếu trong đối với con người chủ yếu do vật liệu xây dựng từ nền nhà, tường nhà, và trần nhà gây nên. Các loại vật liệu xây dựng này phần lớn được chế tạo từ đất, đá lấy ở bề mặt trái đất, do đó nó cũng chứa một lượng phóng xạ tự nhiên nhất định. Mặt khác, trong chu kỳ 24 giờ, con người sống làm việc và sinh hoạt bên trong ngôi nhà của mình nhiều hơn bên ngoài khoảng 80%. Vấn đề cần quan tâm là mức phóng xạ nào trong loại vật liệu xây dựng nào là nguy hiểm, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người? Điều này thế giới nghiên cứu đã nhiều, nhưng ở Việt Nam vấn đề này còn khá mới mẻ và cho mãi đến năm 2006, vấn đề này mới thực sự được quan tâm và đi sâu vào nghiên cứu. Tiếp theo đó 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 [16]. -2- Dựa vào lý do này mà tôi thực hiện luận văn “Khảo sát độ phóng xạ trong đá ốp lát dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành phố Hồ Chí Minh” nhằm: + Khảo sát hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong đá ốp lát trong vật liệu xây dựng khu vực thành phố Hồ Chí Minh phục vụ cho việc giám sát kỹ thuật theo TCXDVN 397: 2007. + Tìm nguyên nhân mẫu đá ốp lát trong vật liệu xây dựng có hoạt độ phóng xạ cao. + Đưa ra các khuyến cáo cần thiết cho nhà sản xuất và người tiêu dùng. Mục đích của luận văn là xác định hoạt độ phóng xạ tự nhiên của đá ốp lát dùng làm vật liệu xây dựng bằng phổ kế gamma phông thấp tại Trung tâm Hạt nhân TP. Hồ Chí Minh và tìm nguyên nhân mẫu đá ốp lát có phóng xạ cao. Đề tài: “Khảo sát độ phóng xạ trong đá ốp lát dùng làm vật liệu xây dựng khu vực thành phố Hồ Chí Minh” được thực hiện với 61 mẫu đá ốp lát 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… Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Do phóng xạ tự nhiên ảnh hưởng đến sức khỏe của con người xuất phát chủ yếu từ vật liệu xây dựng trong đó đá ốp lát là vật liệu hiện nay con người tiếp xúc trực tiếp thường xuyên cho nên đối tượng nghiên cứu của luận án này là đá ốp lát được thu thập tại các cửa hàng vật liệu xây dựng ở TP. Hồ Chí Minh. Phương pháp nghiên cứu là dùng hệ phổ kế gamma phông thấp tại Trung tâm Hạt nhân TP. Hồ Chí Minh trên cơ sở lý thuyết về tương tác của tia gamma với vật chất. Bố cục của luận án Luận án đuợc trình bày theo 3 chương: Chương 1 trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu: nguồn gốc phóng xạ, -3- những ảnh hưởng của radon đến sức khỏe con người, radon trong vật liệu xây dựng và tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ngoài nước. Chương 2 là phần thực nghiệm: nêu các phương pháp nghiên cứu và lí do chọn phương pháp dùng hệ phổ kế gamma phông thấp; trình bày 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; trình bày về quá trình thu thập, xử lý, đo mẫu và tính toán hoạt độ các nhân phóng xạ quan tâm trong mẫu sao cho khoa học và chính xác nhất. Chương 3 là phần kết quả nghiên cứu: trình bày các kết quả định tính và định lượng hoạt độ phóng xạ của 61 mẫu đá ốp lát thông qua việc xử lý phổ gamma; giải thích nguyên nhân những mẫu có hoạt độ phóng xạ cao; 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 đá ốp lát dùng làm vật liệu xây dựng. -4- Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vài nét về hiện tượng phóng xạ Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên xuất hiện từ thuở khai thiên lập địa, nhưng đã bị bỏ quên cho đến năm 1896 khi Henri Becquerel tình cờ phát hiện các bức xạ từ muối của uranium. Sau đó, năm 1899 Pierre và Marrie Curie tìm ra hai chất phóng xạ mới là polonium và radium. Năm 1934, Frederic Jiolot và Iren Curie tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo của phospho và nitrogen. Phát minh này đã mở ra một kỷ nguyên của phóng xạ nhân tạo. Theo định nghĩa [5], phóng xạ là biến đổi tự xảy ra của hạt nhân nguyên tử, đưa đến sự thay đổi trạng thái hoặc bậc số nguyên tử hoặc số khối của hạt nhân. Khi chỉ có sự thay đổi trạng thái xảy ra, hạt nhân sẽ phát ra tia gamma mà không biến đổi thành hạt nhân khác; khi bậc số nguyên tử thay đổi sẽ biến hạt nhân này thành hạt nhân của nguyên tử khác; khi chỉ có số khối thay đổi, hạt nhân sẽ biến thành đồng vị khác của nó. Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng phóng xạ đã xác nhận sản phẩm phân rã phóng xạ của hạt nhân gồm: + Tia alpha: là chùm các hạt tích điện dương, bị lệch trong điện trường và từ trường, dễ bị các lớp vật chất mỏng hấp thụ. Về bản chất, tia alpha là chùm các hạt nhân của nguyên tử helium ( 42 He ). + Tia beta: cũng bị lệch trong điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu hơn tia alpha. Về bản chất, tia beta là các electron (   ) và các positron (   ). + Tia gamma: không chịu tác dụng của điện trường và từ trường, có khả năng xuyên sâu vào vật chất. Về bản chất, tia gamma là các photon có năng lượng cao. -5+ Neutron: 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 paraphin. 1.2. 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, nitơ, phospho và các nguyên tố khác. Khối lượng nguyên tử tập trung ở phần hạt nhân nguyên tử mà độ lớn của nó chỉ bằng một phần tỉ 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 neutron quyết định hạt nhân có mang tính phóng xạ hay không. Để các hạt nhân ổn định, số lượng neutron trong hầu hết mọi trường hợp đều phải lớn hơn số lượng proton một ít. Ở các hạt nhân ổn định proton và neutron 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 neutron vượt khỏi mức cân bằng. Trong trường hợp này, 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 loại hạt khác: , , n, p. Năng lượng đó được gọi là bức xạ. -6Z 100 Sp=0 Z=N 80 60 Caùc haït nhaân + phoùng xaï  Sn=0 Caùc haït nhaân beàn 40 - Caùc haït nhaân phoùng xaï  20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 N Hình 1.1. [6] Giản đồ Z-N phân biệt các hạt nhân bền và không bền. Mặt phẳng (Z,N) chứa tất cả các hạt nhân bền đối với phân rã nucleon, giới hạn bởi các đường cong Sp = 0 và Sn = 0 (Sp và Sn là các năng lượng tách proton và neutron ra khỏi hạt nhân). Dải hẹp gạch ca rô gồm các hạt nhân bền đối với phân rã  . Vùng gạch chéo phía trên gồm các hạt nhân phân rã   còn vùng gạch chéo phía dưới gồm các hạt nhân phân rã   Quá trình mà nguyên tử không bền giải thoát năng lượng dư của nó gọi là sự phân rã phóng xạ. Tính phóng xạ phụ thuộc vào hai nhân tố: thứ nhất là tính không bền vững của hạt nhân do tỉ số N/Z quá cao hoặc quá thấp so với đường cong trên hình 1.1 và thứ hai là quan hệ khối lượng giữa hạt nhân mẹ (hạt nhân trước phân rã), hạt nhân con (hạt nhân sau phân rã) và hạt được phát ra. Tính phóng xạ không phụ thuộc vào các tính chất hoá học và vật lý của hạt nhân đồng vị và vì vậy không thể thay đổi bằng bất cứ cách gì. Hạt nhân nhẹ, với ít proton và neutron trở nên 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. Ví dụ: urani 238 có 92 proton và 146 neutron luôn mất đi 2 proton và 2 neutron khi phân rã. Số lượng proton còn lại sau một lần urani phân rã là 90, nhưng -7hạt 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 protactini 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 (a) của một tập hợp các hạt nhân phóng xạ được tính bởi số các phân rã trong nó trong một đơn vị thời gian theo công thức sau a   dN , trong đó N là số hạt nhân chưa bị phân rã dt N = N0. Như vậy, a   N   N 0e  t ,  là hằng số phân rã có giá trị xác định đối với mỗi đồng vị phóng xạ. Nếu số lượng phân rã là 1/1 giây, 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. 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 radon Rn – 219 là 4 giây, của Rn - 220 là 55 giây, của Rn – 222 là 3,5 ngày, của sulfua S-38 là 2 giờ 52 phút, của radi Ra-223 là 11,43 ngày, và cacbon C-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 theo công thức sau N = N0 . Điều đó cho phép tính hoạt độ còn lại của bất cứ chất nào tại một thời 2n điểm bất kỳ trong tương lai. -8Bức 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. 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, 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. 1.2.1. Các nguồn phóng xạ tự nhiên: Nguồn phóng xạ tự nhiên gồm hai nhóm sau: nhóm thứ nhất là nhóm các đồng vị phóng xạ nguyên thủy có từ khi tạo thành trái đất, vũ trụ. Nhóm thứ hai là nhóm đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ - được tia vũ trụ tạo ra. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên gồm cỡ 70 đồng vị, trong đó quan trọng nhất là các đồng vị 92 U 235 , 92 U 238 , 90Th 232 cùng các đồng vị con cháu trong các dãy phân rã của chúng * 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 Np241 (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 rất lớn và thường được dùng để định tuổi địa chất. -9- Mỗi họ đều có một thành viên dưới dạng khí phóng xạ đây là một trong các lý do chính gây nên phông phóng xạ của môi trường. Chúng là các đồng vị khác nhau của nguyên tố radon: trong họ uranium là 86Rn222 (radon), trong họ thorium là 86Rn 220 (thoron), trong họ actinium là 86Rn219 (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. Hình 1.2. Họ thorium (4n) Hình 1.3. Họ actinium (4n+3) - 10 - Hình 1.4. Họ uranium (4n+2) 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/lít), 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. [11] 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 7,04 x 108 năm 0,72% uran tự nhiên. 238 4,47 x 109 năm 99,2745% uran tự nhiên, 0,5-0,7 ppm uran trong đá. 232 1,41 x 1010 năm 1,6-20 ppm trong đá vôi, trung bình 10,7 ppm. 226 1,6 x 103 năm 16 Bq/kg trong đá vôi, 48 Bq/kg trong đá nóng chảy. 222 3,82 ngày 0,6 – 28 Bq/m3 trong không khí. 40 1,28 x 1010 năm Đất: 37-1000 Bq/kg. U U Th Ra Rn K - 11 * Nhóm các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ vũ trụ: 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, trong thực vật khoảng 4,8.1011 MBq, trong đại dương khoảng 9.1012 MBq. 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. 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. 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 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. [11] 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 53,28 ngày Ttvt với N và O Be 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. - 12 Bức xạ vũ trụ: Cùng với các nhân phóng xạ tạo 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 neutron 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 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 2000 m. Suất liều điển hình của bức xạ vũ trụ như sau: 0,04 µGy/h trên bề mặt trái đất, 0,2µGy/h ở độ cao 5000m và 3 µGy/h ở độ cao 20000 m. Lượng bức xạ vũ trụ trên mặt biển chỉ giảm 10% từ vùng cực tới xích đạo nhưng tại độ cao khoảng 20000 m thì mức giảm này là 75%. Rõ ràng là có sự ảnh hưởng từ địa từ trường của trái đất và từ trường của mặt trời lên các bức xạ vũ trụ sơ cấp. 1.2.2. 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 - 13 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. Có khoảng 2000 đồng vị phóng xạ nhân tạo trong đó: 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 235 U và 239Pu. Dấu hiệu của phản ứng nhiệt hạch là triti đi kèm các phản ứng phân hạch thứ cấp khi neutron nhanh tương tác với 238 U ở lớp vỏ bọc ngoài. Các đồng vị phóng xạ khác cũng được tạo ra do kết quả của việc bắt neutron 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 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 3.107 Sv/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 - 14 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. 1.3. Ảnh hưởng của các loại bức xạ đến con người Bức xạ sinh ra dưới nhiều hình thức, các dạng quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua vật chất và làm cho nó bị điện tích hóa hay ion hóa ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Nếu bức xạ ion hóa thấm vào các mô sống, các ion 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 hóa, bức xạ alpha, beta, các tia gamma, tia X và neutron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ. 1.3.1. Bức xạ alpha Hạt alpha là hạt nhân 2He4. Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phóng xạ có tỉ số N/Z quá thấp. Bức xạ alpha được phát ra bởi các nguyên tử của các nguyên tố nặng như uran, radi, radon và plutoni. Hạt alpha phát ra với năng lượng cố định. Hình 1.5 trình bày quá trình phân rã 88  222 Ra 226    2 He 4 , gồm hai nhánh phát alpha: nhánh thứ nhất với hạt 86 Rn alpha năng lượng 4,591 MeV và nhánh thứ hai với hạt alpha năng lượng 4,777 - 15 MeV. Hạt nhân Rn222 sau phân rã theo nhánh thứ nhất nằm ở trạng thái kích thích và tiếp tục phân rã gamma để chuyển về trạng thái cơ bản. Hạt nhân Rn222 sau phân rã theo nhánh thứ hai nằm ở trạng thái cơ bản. Ra226  4,591 MeV 5.7%  4,777 MeV 94,3%  0,186 MeV (35% -) Hình 1.5. Sơ đồ phân rã Rn222 226 88Ra    222 86Rn + 2He4 Hạt alpha bị hấp thụ rất mạnh khi đi qua vật chất, do đó quãng đường đi của nó rất ngắn. Lớp da chết ở mặt da đủ dày để hấp thụ tất cả bức xạ alpha từ một nguồn phóng xạ. Kết quả là, bức xạ alpha từ nguồn bên ngoài chiếu vào cơ thể không gây nên nguy hiểm. Tuy nhiên, khi hạt nhân phóng xạ alpha lọt vào trong cơ thể qua đường tiêu hoá hoặc hô hấp, không bị cản lại bởi lớp da chết, năng lượng bức xạ alpha sẽ truyền cho các tế bào cơ thể. 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. Vì vậy, các đồng vị phóng xạ alpha rất độc khi chúng có mặt bên trong cơ thể. - 16 - Hình 1.6. Các con đường bức xạ và chất phóng xạ đi vào cơ thể.