Tài liệu Nghiên cứu tạo nguồn alpha radium bằng phƣơng pháp mạ điện phân kết tủa

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. vi LỜI MỞ ĐẦU ..........................................................................................................vii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RADIUM VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .... 1 1.1. Tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới và tại Việt Nam .............................. 1 1.1.1. Tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới .................................................. 1 1.1.2. Tình hình nghiên cứu đề tài ở Việt Nam................................................... 2 1.2. Tổng quan về phân rã alpha ............................................................................. 2 1.2.1. Hạt alpha ................................................................................................... 3 1.2.2. Phân rã alpha ............................................................................................. 3 1.2.3. Vùng phân rã alpha ................................................................................... 5 1.2.4. Chu kỳ bán rã và năng lƣợng .................................................................... 5 1.3. Tổng quan về radium ....................................................................................... 5 1.3.1. Nguồn gốc phát hiện nguyên tố radium .................................................... 5 1.3.2. Các chuỗi phân rã và các đồng vị của radium .......................................... 6 1.3.3. Tính chất hóa lý của radium ...................................................................... 9 1.3.4. Ứng dụng của radium ................................................................................ 9 1.4. Phƣơng pháp phân tích phổ Alpha ................................................................. 10 1.5. Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................... 11 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN PHÂN VÀ HỆ ĐO ALPHA ANALYST ................................................................................................. 12 2.1. Lý thuyết về mạ điện phân ............................................................................. 12 2.1.1. Những khái niệm cơ bản về điện hóa học ............................................... 12 2.1.2. Sự hình thành lớp mạ .............................................................................. 12 2.1.3. Gia công bề mặt kim loại trƣớc khi mạ................................................... 14 2.1.4. Những yếu tố ảnh hƣởng đến một phản ứng điện hóa ............................ 16 2.1.5. Định luật Faraday về điện phân .............................................................. 16 i 2.2. Lý thuyết về phân tích phổ Alpha sử dụng hệ phổ kế Alpha Analyst ...........17 2.2.1. Tiện ích ....................................................................................................17 2.2.2. Buồng chân không ................................................................................... 19 2.2.3. Detector ...................................................................................................20 2.2.4. Detector Alpha PIPS ............................................................................... 22 2.2.5. Bộ tiền khuếch đại ................................................................................... 23 2.2.6. Bộ khuếch đại .......................................................................................... 24 2.2.7. Bộ ADC ...................................................................................................25 2.2.8. Máy phân tích biên độ đa kênh MCA ..................................................... 25 2.3. Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................... 25 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ TẠO NGUỒN ALPHARADIUM BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN PHÂN KẾT TỦA ..................... 26 3.1. Hóa chất – Dụng cụ ........................................................................................ 26 3.1.1. Hóa chất...................................................................................................26 3.1.2. Dụng cụ ...................................................................................................27 3.2. Quy trình chuẩn bị mẫu .................................................................................. 29 3.2.1. Quy trình hòa tan bột ThO2 .....................................................................29 3.2.2. Quy trình kết dính TOPO vào bột silica gel ............................................ 29 3.2.3. Chuẩn bị cột tách sắc ký..........................................................................30 3.2.4. Quy trình tách radium (224Ra) từ dung dịch thorium .............................. 31 3.2.5. Quy trình mạ điện phân ...........................................................................31 3.3. Xử lý số liệu thực nghiệm .............................................................................. 35 3.4. Kết quả ...........................................................................................................39 3.4.1. Hiệu suất mạ radium trên đĩa đệm inox 201 ...........................................39 3.4.2. Hiệu suất mạ radium trên đĩa đệm inox 304 ...........................................41 3.4.3. Hiệu suất mạ radium trên đế đệm Nhôm, I = 5mA .................................43 3.4.4. Hiệu suất mạ radium trên đế đệm Nhôm, I = 18mA ............................... 45 3.4.5. Hiệu suất mạ radium trên đế đệm inox 201 đã đƣợc mạ thêm Mn .........47 3.4.6. Hiệu suất mạ trên đế đệm inox 304 đã đƣợc mạ thêm Mn ..................... 49 ii 3.4.7. Đánh giá chung về kết quả thực nghiệm ................................................. 51 3.5. Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 53 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ................................................................................. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 56 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 59 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter Biến đổi tƣơng tự thành số AECL Atomic Energy of Canada Limited Chuẩn giới hạn năng lƣợng nguyên tử của Canada DJ Diffused Junction Đầu dò tiếp xúc khuếch tán cts counts Số đếm FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng cực đại một nửa chiều cao h hour Giờ MCA Multi Channel Analyzer Máy phân tích biên độ đa kênh MCB Multi Channel Buffer Bộ đệm đa kênh PIPS Passivated Implanted Plannar Silicon Đầu dò Si planar nuôi cấy ion thụ động RES Reticuloendothelial System Hệ thống lƣới nội mô SSB Single-Sideband Modulation Detector hàng rào mặt DJ Diffused Junction Detector mặt nối khuếch tán iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Bề dày cửa sổ detector PIPS, SSB ...........................................................22 Bảng 2.2. Một số thông số của các loại detector Alpha PIPS do hãng Canberra sản xuất ............................................................................................................................23 Bảng 2.3. Đặc tính của bộ tiền khuếch đại 2004 ......................................................24 Bảng 3.1. Hiệu suất hấp thụ đế đệm Inox 201 đối với radium .................................40 Bảng 3.2. Hiệu suất hấp thụ đế đệm Inox 304 đối với radium .................................42 Bảng 3.3. Hiệu suất hấp thụ đế đệm Nhôm đối với radium, I=5mA ........................44 Bảng 3.4. Hiệu suất hấp thụ đế đệm Nhôm đối với radium, I=18mA ......................46 Bảng 3.5. Hiệu suất hấp thụ đế đệm Inox 201 có mạ Mn đối với radium ................48 Bảng 3.6. Hiệu suất hấp thụ đế đệm Inox 304 có mạ Mn đối với radium ................50 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Chuỗi phân rã của 232Th............................................................................. 8 Hình 1.2. Các thao tác trong phép phân tích mẫu bằng hệ phổ kế Alpha ............... 10 Hình 2.1. Hệ phổ kế Alpha ở Bộ môn Vật lý hạt nhân ........................................... 18 Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ Alpha Analyst ............................................................ 19 Hình 2.3. Bơm hút chân không (trái) và buồng đo Alpha (phải) ............................ 20 Hình 2.4. Detector PIPS .......................................................................................... 21 Hình 3.1. Mô Hình bộ điện phân ............................................................................. 28 Hình 3.2. Mặt cắt của bộ điện phân ......................................................................... 29 Hình 3.3. Tách radium bằng cột sắc ký TOPO........................................................ 30 Hình 3.4. Cách mắc bình điện phân với nguồn ....................................................... 32 Hình 3.5. Một số đĩa Inox 201sau khi mạ điện phân với radium ............................ 33 Hình 3.6. Một số đĩa Inox 304 sau khi mạ điện phân với radium ........................... 33 Hình 3.7. Một số đĩa Nhôm sau khi mạ điện phân với radium ............................... 34 Hình 3.8. Một số đĩa Inox 201 mạ phủ Mn sau khi mạ điện phân với radium........ 34 Hình 3.9. Một số đĩa Inox 304 mạ phủ Mn sau khi mạ điện phân với radium........ 35 Hình 3.10. Phổ alpha của 224Ra sau khi mạ 50 phút trên vật liệu Inox 201 ............ 36 Hình 3.11. Phổ alpha của 224Ra sau khi mạ 80 phút trên vật liệu Inox 304 ............ 36 Hình 3.12. Phổ alpha của 224Ra sau khi mạ 40 phút trên vật liệu Nhôm với dòng điện 18mA ................................................................................................................ 37 Hình 3.13. Hiệu suất mạ của Inox 201 theo thời gian ............................................. 41 Hình 3.14. Hiệu suất mạ của Inox 304 theo thời gian ............................................. 43 Hình 3.15. Hiệu suất mạ của Nhôm theo thời gian, I=5mA .................................... 45 Hình 3.16. Hiệu suất mạ của Nhôm theo thời gian, I=18mA .................................. 47 Hình 3.17. Hiệu suất mạ của Inox 201-Mn theo thời gian ...................................... 49 Hình 3.18. Hiệu suất mạ của Inox 304-Mn theo thời gian ...................................... 51 vi LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sau một trăm năm, kể từ khi Becquerel phát hiện ra hiện tƣợng phóng xạ, các tia bức xạ phát ra từ hiện tƣợng phóng xạ ngày nay đã có ý nghĩa lớn đến nhiều ngành và nhiều ngƣời làm việc trong các lĩnh vực nhƣ y học hạt nhân, chẩn đoán lâm sàng, vật lý y khoa, sinh học, bảo quản thực phẩm, công nghiệp, giám sát môi trƣờng, năng lƣợng hạt nhân [1]… Kể từ khi Cơ quan Năng lƣợng Nguyên tử Quốc tế đƣợc thành lập vào năm 1957, sự hợp tác toàn cầu trong việc sử dụng năng lƣợng hạt nhân vào mục đích hòa bình, thông qua sản xuất điện hạt nhân, sử dụng các hạt nhân phóng xạ và các nguồn bức xạ đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển trên thế giới. Năm 1898, nữ bác học Marie Curie phát hiện ra nguyên tố radium (Ra), sau đó không lâu đồng vị phóng xạ đã đƣợc ứng dụng trong điều trị bệnh. Cũng bắt đầu từ đấy đã ra đời lĩnh vực sinh học phóng xạ và ung thƣ học phóng xạ. Ngày nay, các đồng vị phóng xạ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong điều trị bệnh và y học hạt nhân. 226 Ra đƣợc ứng dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ Actinium-225 (225Ac) bằng phản ứng giữa 226 Ra với proton, góp phần vào việc tiêu diệt các tế bào ung thƣ mà không làm tổn thƣơng đến các tế bào khỏe mạnh khác [16]. Trong môi trƣờng tự nhiên, radium tồn tại nhiều trong đất, đá, không khí… và trong môi trƣờng nƣớc. Hơn 99% radium tồn tại trong tự nhiên là đồng vị 226Ra, và radium có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu, công nghiệp cũng nhƣ trong đời sống hằng ngày [8]. Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu tạo nguồn Alpha-Radium bằng phƣơng pháp đồng kết tủa [2],[8]. Phƣơng pháp này đã giúp ích nhiều trong việc đánh giá nồng độ phóng xạ của các đồng vị radium trong các nguồn nƣớc khác nhau nhƣ nƣớc ngầm, nƣớc biển và nƣớc sinh hoạt. Tuy vậy, nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là tốn nhiều thời gian và còn hạn chế trong ứng dụng tạo đồng vị phóng xạ 225Ac bằng phản ứng giữa 226Ra và proton. vii Với ý nghĩa thực tiễn nhƣ trên và mong muốn nhằm xây dựng một quy trình đơn giản cho việc tạo nguồn Alpha-Radium, và hy vọng góp một phần nhỏ trong việc hạn chế sự phức tạp trong quy trình tạo mẫu cho hệ phổ kế alpha, giúp tiết kiệm thời gian hơn và ứng dụng vào nghiên cứu tạo đồng vị 225 Ac để góp phần trong y học hạt nhân. Tôi chọn đề tài “NGHIÊN CỨU TẠO NGUỒN ALPHA RADIUM BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN PHÂN KẾT TỦA” để làm đề tài luận văn cao học. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài này là tạo ra nguồn Alpha-Radium bằng phƣơng pháp mạ điện phân kết tủa cho hệ phổ kế alpha. Sử dụng hệ phổ kế Alpha Analyst (CANBERRA, detector A1200-37Am) để đo phổ alpha của các nguồn AlphaRadium, từ đó khảo sát hoạt độ của đồng vị radium theo thời gian. 3. Bố cục của luận văn Nội dung luận văn gồm các phần: Mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, đối tƣợng, mục đích, nhiệm vụ cần hoàn thành. Đây cũng đƣợc xem là tóm lƣợc toàn bộ công trình nghiên cứu của tác giả. Chƣơng 1: Tổng quan Trình bày sơ lƣợc về tình hình nghiên cứu, khảo sát nồng độ radium trên các đĩa đệm khác nhau nhằm xây dựng quy trình đơn giản trong việc tạo nguồn AlphaRadium. Tổng quan về các chuỗi phân rã phóng xạ trong tự nhiên, các đặc tính hóa lý của radium, phƣơng pháp chuẩn bị mẫu, tạo nguồn Alpha-Radium. Qua đó, cho thấy việc tạo nguồn Alpha-Radium hạn chế quy trình tạo mẫu phức tạp cho hệ phổ kế alpha và là vấn đề cần nghiên cứu, khảo sát. Chƣơng 2: Giới thiệu phƣơng pháp mạ điện phân và hệ đo alpha analyst Trong chƣơng này, chúng tôi trình bày về phƣơng pháp mạ điện phân và các nội dung liên quan đến hệ đo alpha analyst nhƣ nguyên lý hoạt động, cách xử lý phổ,… viii Chƣơng 3: Thực nghiệm Đây là nội dung chính của luận văn. Chƣơng này trình bày đối tƣợng nghiên cứu, quy trình tách chiết, quy trình mạ điện phân radium, đo nồng độ radium trên các đĩa đệm khác nhau để đánh giá hiệu suất mạ của radium, xử lý số liệu, xây dựng đồ thị và các đánh giá, nhận xét liên quan. Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Đƣa ra kết luận và đánh giá các kết quả thực nghiệm. Trình bày những vấn đề luận văn đã đƣợc giải quyết, còn tồn đọng và các hƣớng nghiên cứu liên quan tiếp theo. ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RADIUM VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1. Tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới và tại Việt Nam Cho đến nay, đã có nhiều công trình trên thế giới và tại Việt Nam nghiên cứu về việc tạo nguồn radium cho hệ phổ kế alpha. Trong đó, có một số công trình tiêu biểu cần quan tâm. 1.1.1. Tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới Năm 1987, tác giả C.W.Sill tại phòng thí nghiệm kỹ thuật quốc gia Idoho – USA, đã thực hiện đề tài nghiên cứu về việc xác định nồng độ phóng xạ 226Ra trong đất, quặng và chất thải từ các lò phản ứng hạt nhân bằng hệ phổ kế alpha. Tác giả sử dụng phƣơng pháp kết tủa giữa radium và barium và tách kết tủa bằng lƣới lọc 0,1 micromet. Hiệu suất hấp thụ 226Ra ở mức cao trên 95% [12]. Tuy nhiên độ phân giải năng lƣợng alpha lại không đƣợc tối ƣu. Phƣơng pháp này đòi hỏi phải có thiết bị rút về lọc chân không. Do tách khó, nên hầu hết việc tạo mẫu đo Alpha-Radium cho phƣơng pháp đo phổ alpha đều dựa trên phƣơng pháp này. Do đó khá ít công trình nghiên cứu tập trung cho việc tạo mẫu đo radium bằng phƣơng pháp mạ điện phân. Năm 1992, nhóm tác giả N.E. Whitehead, R.G. Ditchburn, W.J. McCabe, R. Van Der Raaij-New Zealand đã thực hiện đề tài nghiên cứu về những yếu tố ảnh hƣởng đến quy trình mạ điện phân 226 Ra. Nhóm tác giả đã sử dụng 20ml dung môi gồm 90% dung dịch isopropanol và 10% 0,05M HNO3 mạ điện phân lên đĩa thép không gỉ với dòng điện 100mA-35V, mạ trong 20 phút và cực anode là platinum. Kết quả thu đƣợc hiệu suất mạ 226Ra ở mức cao trên 90% [15]. Năm 1995, nhóm tác giả thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Argonne-USA, đã sử dụng phƣơng pháp mạ điện phân lên thép không gỉ với 15ml dung môi ammonium oxalate 0,17M và axit hydrochloric 0,14M, mạ điện phân trong 60 phút với dòng điện 600mA. Kết quả thu đƣợc hiệu suất mạ 100% [17]. 1 226 Ra ở mức rất cao từ 90- Qua các công trình nghiên cứu trên cho thấy, phƣơng pháp mạ điện phân có ƣu điểm tiết kiệm thời gian và quy trình thực hiện là khá đơn giản hơn trong việc tạo nguồn Alpha-Radium. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu đề tài ở Việt Nam Năm 2013, nhóm tác giả Lê Công Hảo và các cộng sự đã xây dựng quy trình xác định 226 Ra bằng hệ phổ kế alpha và sử dụng đĩa MnO2. Nhóm tác giả tạo đĩa MnO2 bằng cách ngâm các đĩa đồng đã đƣợc phun sơn vào 300 ml dung dịch KMnO4 0,1M trong 3 - 4 giờ, điều chỉnh nhiệt độ dung dịch từ 50 – 700C bằng bếp nung điện công suất 500 - 1000W. Sau đó thì dùng máy khuấy từ với tốc độ quay của nam châm khoảng 300 vòng/phút, quay trong 6 giờ để 226Ra bám lên đĩa MnO2. Kết quả thu đƣợc cho thấy đĩa MnO2 có hiệu suất mạ trung bình đối với 226 Ra ở mức cao trên 90% [2]. Năm 2013, tại phòng thí nghiệm Vật lý Hạt nhân trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên-TP.Hồ Chí Minh, bằng phƣơng pháp ngâm màng nhựa PVC trong 300 ml dung dịch KMnO4 0,2M trong 3 - 4 giờ dƣới đèn hồng ngoại ở nhiệt độ trong khoảng 65 – 70oC, nhóm tác giả Lê Công Hảo và Nguyễn Quốc Toàn đã tạo đĩa MnO2 để hấp thụ đồng vị phóng xạ 226 Ra. Sau đó, để 226 Ra bám lên đĩa MnO2 thì dùng máy khuấy từ với tốc độ quay của nam châm khoảng 500 - 600 vòng/phút, quay trong 6 giờ. Kết quả thu đƣợc cho thấy đĩa MnO2 có hiệu suất hấp thụ trung bình đối với 226Ra là khoảng 85% [8]. Qua các công trình nghiên cứu trên cho thấy, phƣơng pháp tạo đĩa MnO2 cho kết quả hiệu suất hấp thụ 226Ra trung bình của đĩa MnO2 cao. Vì vậy về mặt ý tƣởng có thể áp dụng phƣơng pháp tạo đĩa có lớp kim loại mỏng MnO2 vào việc nghiên cứu tạo nguồn Alpha-Radium. 1.2. Tổng quan về phân rã alpha Năm 1896, nhà bác học ngƣời Anh là Becquerel phát hiện ra chất phóng xạ tự nhiên, đó là Uranium và con cháu của nó. Đến nay, ngƣời ta biết ba họ phóng xạ tự nhiên là Thorium (232Th), Uranium (238U), Actinium (235U) và họ phóng xạ nhân tạo 2 Neptunium (237Np). Đồng vị 232Th là thành viên đầu tiên của họ Thorium và nó phát ra tia phóng xạ alpha [4]. 1.2.1. Hạt alpha Hạt alpha là hạt nhân nguyên tử Heli, kí hiệu , bao gồm 2 nơtron và 2 proton, nó mang điện tích dƣơng bằng +2e và khối lƣợng bằng 4,0015u, với u là đơn vị khối lƣợng nguyên tử, 1u=1,66055.10-27kg. Hạt alpha là một loại bức xạ ion hóa, khi đi qua môi trƣờng vật chất, chúng tƣơng tác với các electron trong môi trƣờng, gây ra sự ion hóa mạnh và dễ dàng dừng lại khi đi đƣợc vài centimet trong không khí, hoặc bị chặn bởi một tờ giấy hay da ngƣời. Thông thƣờng hạt alpha không gây nguy hiểm đối với chiếu ngoài, nhƣng chúng trở nên cực kỳ nguy hiểm khi chúng thâm nhập vào cơ thể bằng đƣờng ăn uống hoặc hít thở. Ngƣời ta ƣớc tính sự nguy hiểm của nó lớn hơn gấp nhiều lần so với liều tƣơng đƣơng của các bức xạ gamma. Các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng nghiên cứu đƣa chất phóng xạ alpha vào các vị trí khối u để tiêu diệt hoặc ngăn chặn sự phát triển của khối u, liệu pháp này gọi là xạ trị trong [4]. Phản ứng hạt nhân gây bởi hạt alpha: + Loại (, p): 14 7 N 17 8 O p, Q 1,06MeV (1.1) Nhờ phản ứng này mà Rutherford đã tìm ra proton. + Loại (, n): 9 4N 12 6 C n, Q 5,5MeV (1.2) Nhờ phản ứng này mà Chadwick đã tìm ra nơtron. 1.2.2. Phân rã alpha Khi phân rã alpha, hạt nhân mẹ ban đầu AZX chuyển thành hạt nhân con và phát ra hạt alpha. 3 A-4 X Z-2 A ZX → 42He A4 Z 2Y (1.3) Ví dụ: 232 90Th → 42He 228 88Ra (1.4) Điều kiện để xảy ra phân rã alpha là khối lƣợng của hạt nhân mẹ AZX phải lớn hơn tổng khối lƣợng của hạt nhân con A-4 X Z-2 và hạt alpha: (1.5) Tƣơng đƣơng với: ( ) (1.6) Trong đó:  m , mX và mY lần lƣợt là khối lƣợng của hạt , hạt nhân X và hạt nhân Y. Giả sử khi phân rã hạt nhân mẹ AZX và hạt nhân con A-4 X Z-2 ở trạng thái cơ bản. Đồng thời ta cũng giả sử hạt nhân mẹ AZX đứng yên khi phân rã. Theo định luật bảo toàn năng lƣợng: [ ( ) ( ) ( )] (1.7) Theo định luật bảo toàn động lƣợng: p⃗⃗⃗⃗X ⃗⃗⃗ p pY ⃗⃗⃗⃗ 0 (1.8) p pY (1.9) p2 p2Y (1.10) m T my (1.11) Ty Trong đó:  pX, pY và p lần lƣợt là động lƣợng của hạt nhân X, hạt nhân Y và hạt ;  TY và T lần lƣợt là động năng của hạt nhân Y và hạt ;  ΔE là năng lƣợng phản ứng. 4 Suy ra: ΔE m ) my T (1 (1.12) Động năng hạt alpha bay ra là: T ΔE T mY mY m ΔE (1.13) 1 1 m my (1.14) Do m << mY nên: T ΔE (1.15) Vậy hạt alpha mang phần lớn năng lƣợng tỏa ra khi phân rã [4] [6]. 1.2.3. Vùng phân rã alpha Hiện nay ngƣời ta đã biết đƣợc hơn 200 hạt nhân phân rã alpha. Phân rã alpha chủ yếu xảy ra với các hạt nhân nặng ở cuối bảng tuần hoàn Mendeleev với Z  83, tức là các hạt nhân có điện tích Z lớn hơn từ hai đơn vị trở lên so với số magic Z=82 [6]. 1.2.4. Chu kỳ bán rã và năng lƣợng Chu kỳ bán rã của các nhân phân rã alpha thay đổi trong một khoảng rất rộng nhƣng năng lƣợng alpha phát ra chỉ thay đổi trong khoảng hẹp [6]. 1.3. Tổng quan về radium 1.3.1. Nguồn gốc phát hiện nguyên tố radium Năm 1898, từ quặng uraninit (quặng chứa nhiều uranium), ông bà Pierre Curie và Marie Curie đã lần đầu tiên phát hiện ra nguyên tố radium. Đến năm 1910 thì tách chiết thành công radium tinh khiết bằng cách điện phân muối radium chloride (RaCl2). 5 Sau thành công đó, radium đƣợc nghiên cứu nhiều hơn và ngƣời ta đã phát hiện ra hàng loạt các công dụng đƣợc cho là kì diệu vào thời đó. Phát hiện đầu tiên thuộc về hai nhà nghiên cứu ngƣời Đức là Otto Walkhoff và Friedrich Giesel vào năm 1900. Họ cho rằng radium có khả năng chữa lành các bệnh liên quan tới da. Hơn một năm sau, radium đƣợc dùng để chữa các bệnh viêm da, ung thƣ và lao sau khi tất cả các phƣơng pháp trị liệu khác đã vô hiệu. Trong thế chiến thứ nhất (1914 – 1918), nhu cầu sử dụng radium trong quân đội để chữa trị cho các bệnh binh tăng lên rất cao, thúc đẩy các quốc gia sản xuất radium, đặc biệt là Mỹ. Bên cạnh đó, radium còn đƣợc thƣơng mại hóa cho các mục đích sản xuất các loại thuốc giảm đau và chống viêm, thuốc chữa các bệnh về thần kinh, mỹ phẩm, thức ăn gia súc, phân bón cho cây trồng… Tuy nhiên, ngƣời ta dần dần nhận thấy tác hại của các tia phóng xạ, mở đầu là cái chết không rõ nguồn gốc của những công nhân sản xuất các thiết bị chữa bệnh bằng radium. Nhiều cuộc điều tra quy mô lớn đã cho kết luận tác nhân giết ngƣời chính là các tia phóng xạ phát ra từ radium và radon (nhân phóng xạ con của radium). Thế là tại những địa điểm làm việc có chất phóng xạ, ngƣời ta đã sử dụng các bức tƣờng bằng chì, đồng thời tiến hành nhiều biện pháp kiểm soát và quản lí nghiêm ngặt nhằm bảo vệ con ngƣời khỏi tác hại của tia phóng xạ [8]. Ngày nay, radium đƣợc ứng dụng nhiều trong các nghiên cứu về địa chất, sự thay đổi khí hậu, sự phát triển của núi lửa, trầm tích và sự hình thành khoáng sản dƣới đại dƣơng… Radium còn đƣợc xem nhƣ là chất đánh dấu tự nhiên do sự phân bố khác biệt của đồng vị này trong các môi trƣờng khác nhau, đƣợc ứng dụng trong việc nghiên cứu các loại đất đá, khảo sát tƣơng tác giữa nƣớc bề mặt và nƣớc ngầm, theo dõi dòng chảy của nƣớc cũng nhƣ xác định nguồn gốc nƣớc [8]… 1.3.2. Các chuỗi phân rã và các đồng vị của radium Radium có 25 đồng vị khác nhau đã đƣợc biết đến, trong số đó có 4 đồng vị chính là 223 Ra, 224 Ra, 226 Ra và 228 Ra đƣợc tìm thấy trong cả ba chuỗi phóng xạ tự 6 nhiên. Trong đó, 224 Ra có chu kì bán rã ngắn (khoảng 3,7 ngày), phát tia alpha ( ) có kèm theo tia gamma (γ) tạo thành sản phẩm phân rã là Radon-220 (220Rn). Phóng xạ trong môi trƣờng bao gồm các phóng xạ nhân tạo và phóng xạ tự nhiên. Tất cả các hạt nhân nặng phát alpha đều có thể phân loại thành một trong bốn chuỗi phân rã sau: chuỗi Thorium có số khối A = 4n (n là số tự nhiên), chuỗi Neptunium A = 4n + 1, chuỗi Uranium A = 4n + 2, chuỗi Actinium A = 4n + 3. Trong 4 chuỗi phân rã nêu trên : - Chuỗi phân rã Thorium A = 4n là chuỗi phóng xạ tự nhiên. Trong quá trình phân rã tạo ra 224Ra có chu kì bán rã là 3,7 ngày. - Chuỗi phân rã Neptunium A = 4n + 1 là chuỗi phóng xạ nhân tạo. Trong quá trình phân rã tạo ra 228Ra có chu kì bán rã là 5,75 năm. - Chuỗi phân rã Uranium A = 4n + 2 là chuỗi phóng xạ tự nhiên. Trong quá trình phân rã tạo ra 226Ra có chu kì bán rã là 1600 năm. - Chuỗi phân rã Actinium A = 4n + 3 là chuỗi phóng xạ tự nhiên. Trong quá trình phân rã tạo ra 223Ra có chu kì bán rã là 11 ngày. Đặc điểm chung của 3 họ phóng xạ tự nhiên là : - Đồng vị thứ nhất trong mỗi chuỗi (đồng vị mẹ) sống rất lâu. Tất cả các đồng vị con trong mỗi chuỗi đều có chu kì bán rã nhỏ hơn nhiều so với đồng vị mẹ, nên chuỗi cân bằng phóng xạ trƣờng kì. Khi đó hoạt độ phóng xạ của các đồng vị trong chuỗi cân bằng nhau và bằng hoạt độ phóng xạ của đồng vị mẹ. - Mỗi chuỗi đều có một thành viên dƣới dạng khí phóng xạ, chúng là các đồng vị khác nhau của khí radon, ví dụ nhƣ trong chuỗi Uranium là 222 Rn, trong chuỗi Actinium là 219Rn, trong chuỗi Thorium là 220Rn… - Đều kết thúc bằng đồng vị bền chì (Pb). Chuỗi Uranium (A = 4n + 2) (Hình 1.1) là chuỗi phóng xạ dài nhất, bắt đầu từ 238 U (chu kì bán rã là 4,5 × 109 năm) và kết thúc bằng đồng vị bền chuỗi có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu địa chất và thủy văn. 7 206 Pb. Đây là Chuỗi này có thể chia thành nhiều nhánh con trong đó hoạt tính của đồng vị phóng xạ đầu nhánh sẽ chi phối hoạt tính của các đồng vị khác trong nhánh, điển hình là các nhánh: 238U 222 234 U, 226Ra 222 Rn, 222Rn Rn chiếm ƣu thế trong các nghiên cứu về nƣớc do 210 226 Pb… . Nhánh 226Ra Ra và 222 Rn có độ hòa tan cao và sự thăng giáng mạnh về hàm lƣợng trong các loại nƣớc [2] [8]. Hình 1.1. Chuỗi phân rã của 232Th [2] 8 1.3.3. Tính chất hóa lý của radium Radium, ký hiệu nguyên tử Ra, số hiệu nguyên tử 88, gồm hai mƣơi lăm đồng vị. Trong đó, có bốn đồng vị chính là 228Ra, 226Ra, 224Ra, 223Ra, có chu kỳ bán rã lần lƣợt 5,75 năm, 1600 năm, 3,631 ngày và 11,43 ngày. 226Ra có chu kì bán rã dài nhất và độ phổ cập cao nhất (chiếm trên 99%), phát alpha tạo thành khí phóng xạ 222Rn. Radium có màu bạc, mềm, phóng xạ mạnh và là chất phát quang. Radium là kim loại kiềm thổ nên trong hợp chất thƣờng thể hiện số oxi hóa +2. Radium bị oxi hóa khi tiếp xúc với không khí do tác dụng với N2 tạo ra muối Ra3N2 có màu đen. Radium là kim loại kiềm thổ, có tính chất hóa học tƣơng tự barium. Đa số các hợp chất ít tan của radium tan ít hơn các hợp chất của barium tƣơng ứng, ngoại trừ RaCO3 tan nhiều hơn so với BaCO3. Radium tác dụng mạnh với nƣớc tạo ra Ra(OH)2 tan. Radium còn có khả năng liên kết với nhiều gốc axit và nguyên tố khác, đặc biệt là các nguyên tố thuộc nhóm halogen tạo ra muối tan nhƣ Ra(NO3)2, RaCl2, RaBr2,…. Các muối này tan nhiều trong nƣớc và ít tan khi tăng nồng độ axit vô cơ tƣơng ứng [8]. 1.3.4. Ứng dụng của radium Radium đƣợc dùng trong điều trị các khối u ác tính. Thực ra tác dụng điều trị do radon đảm nhiệm, vì các đồng vị con cháu của nó bức xạ γ, nhƣ thế radium chỉ đóng vai trò nguồn cung cấp radon. Trƣớc đây radium đƣợc sử dụng để phát hiện các vết nứt trong vật đúc hoặc trong các mối hàn, để loại bỏ các điện tích. Ngày nay các nguyên tố phóng xạ nhân tạo, với nhiều điểm ƣu việt đã thay thế radium trong các ứng dụng này. Hỗn hợp radium với kẽm sunfua dùng trong chế tạo các chất lân quang. radium hỗn hợp với berili cũng dùng để chế tạo các nguồn phát nơtron. Hơn nữa, radium còn đƣợc xem nhƣ chất đánh dấu tự nhiên (natural tracer) do sự phân bố khác biệt của đồng vị này trong môi trƣờng tự nhiên khác nhau, đƣợc ứng dụng trong việc nghiên cứu các loại đất đá, khảo sát tƣơng tác giữa mặt nƣớc và nƣớc ngầm, theo dõi dòng chảy của nƣớc cũng nhƣ xác định nguồn gốc nƣớc [8]. 9 Trong y tế, radium đƣợc sử dụng để điều trị một số bệnh nhƣ ung thƣ xƣơng, ung thƣ tiền liệt tuyến [16]… 1.4. Phƣơng pháp phân tích phổ Alpha Phƣơng pháp phân tích bằng hệ phổ kế Alpha là một kỹ thuật đƣợc sử dụng rộng rãi để nhận biết và định lƣợng hạt nhân phóng xạ. Hình 1.2 trình bày các thao tác trong phƣơng pháp phân tích mẫu bằng hệ phổ kế Alpha. Thu thập và chuẩn bị mẫu đo Hòa tan mẫu, thêm vào chất đánh dấu Tách chiết hóa học Tạo mẫu đo phù hợp Đo mẫu bằng hệ phổ kế Alpha Tính hoạt độ mẫu phân tích Hình 1.2. Các thao tác trong phép phân tích mẫu bằng hệ phổ kế Alpha Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm hơn các phƣơng pháp còn lại trong việc xác định hoạt độ phóng xạ mẫu môi trƣờng ở mức thấp nhƣ [2]: - Xác định đƣợc hầu hết các đồng vị phát alpha trong khả năng cho phép với độ nhạy cao, phông phóng xạ thấp hay giới hạn phát hiện tốt. - Việc sử dụng các đồng vị phóng xạ đánh dấu (tracer) phát hiện alpha cùng các mẫu chuẩn đối chiếu, cung cấp nhiều thuận lợi trong việc thực hiện cũng nhƣ phát triển các quy trình tách hóa. Khi đó, nếu quy trình tách hóa và tạo mẫu ổn định thì sai số trong phép phân tích giảm một cách đáng kể và hầu nhƣ chỉ phụ thuộc vào thống kê số đếm, độ chính xác của việc chuẩn và khối lƣợng mẫu phân tích. 10