Phóng Xạ Vật Lý 12 Bài 37: Lý Thuyết, Công Thức Và Bài Tập

1. Hiện tượng phóng xạ

Trong vật lý 12 phóng xạ có rất nhiều phần kiến thức cần phải nắm được. Trước tiên chúng ta cùng tìm hiểu bài 37 phóng xạ vật lý 12 lý thuyết và sau đó áp dụng làm bài tập nhé!

1.1. Phóng xạ là gì?

Phóng xạ được biết đến là quá trình phân rã xảy ra tự phát của một hạt nhân không có sự bền vững (có thể là tự nhiên hoặc nhân tạo). Quá trình phân rã đó sẽ kèm theo sự hình thành các hạt và có thể kèm theo quá trình phát ra của các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân rã hay còn gọi là hạt nhân mẹ, còn hạt nhân được hình thành sau quá trình phân rã thì được gọi là hạt nhân con.

1.2. Các dạng phóng xạ

a) Phóng xạ anpha α:

– Phản ứng của phóng xạ α: $_{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{A-4}^{Z-2}\textrm{He} + _{2}^{4}\textrm{He}$

=> Bị lùi đi 2 ô xét trong bảng hệ thống tuần hoàn

– Tia α có bản chất là dòng hạt nhân $_{2}^{4}\textrm{He}$ có tốc độ chuyển động là 20000 km/s. Quãng đường tia α đi được trong không khí rơi vào khoảng vài centimét và đi được trong vật rắn vào khoảng vài micromét.

- Đặc điểm:

• Có khả năng Ion hóa được môi trường mạnh.

• Bị mất đi năng lượng một cách nhanh chóng.

• Tầm bay xa khá ngắn.

• Bị lệch đi khi ở trong điện trường hoặc từ trường (bị lệch về hướng điện cực âm).

b) Phóng xạ beta trừ β–:

– Phản ứng của phóng xạ β–: $_{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z-2}^{A-4}\textrm{He} + _{2}^{4}\textrm{He}$ 

=> Tiến ra một ô xét trong bảng hệ thống tuần hoàn.

– Phóng xạ β– là quá trình tia β– phát ra. Tia β– có bản chất là dòng các electron ($_{-1}^{0}\textrm{e}$).

c) Phóng xạ beta cộng β+:

– Phản ứng phóng xạ β+: $_{Z}^{A}\textrm{X} \rightarrow _{Z-1}^{A}\textrm{Y} + _{0}^{1}\textrm{n}$

=> Lùi đi một ô xét trong bảng hệ thống tuần hoàn.

– Phóng xạ β+ là quá trình tia β+ phát ra. Tia β+ có bản chất là dòng các pôzitron ($_{1}^{0}\textrm{e}$). Pô zitron mang điện tích +e và có khối lượng bằng với khối lượng của electron. Nó chính là phản hạt của electron.

– Các hạt $_{-1}^{0}\textrm{e}$ và $_{1}^{0}\textrm{e}$ sẽ chuyển động với tốc độ xấp xỉ với tốc độ của ánh sáng, tạo nên 2 tia là β– và β+. Các tia đó có thể được truyền vài mét trong môi trường không khí và vài milimét khi ở trong kim loại.

=> Đặc điểm của tia β:

• Ion hóa môi trường (nhưng < α).

• Tâm bay xa khá lớn.

• Bị lệch đi khi ở trong điện trường và từ trường (nhưng > α).

d) Phóng xạ gamma γ:

– Một số hạt nhân con sau khi trải qua quá trình phóng xạ α hay β-, β+ được tạo thành ở trạng thái kích thích trở về trạng thái mang mức năng lượng thấp hơn và từ đó sẽ phát ra bức xạ γ, tia phát ra gọi là tia γ.

– Các tia γ có thể đi được vài mét trong môi trường bê tông và vài centimét trong môi trường chì.

- Đặc điểm của phóng xạ gamma γ:

• Có thể ion hóa được.

• Có thể đâm xuyên rất mạnh.

• Không bị lệch khi ở trong môi trường là điện trường hay từ trường.

- Phương trình: 

• Phân rã đó không làm biến đổi hạt nhân mà sẽ đi kèm với các phân rã α và β.

• Với trường hợp hạt nhân con sinh ra trong trạng thái được kích thích, thì nó chuyển từ mức kích thích E₂ sang mức thấp hơn là E₁, đồng thời sẽ phóng ra một proton với tần số f được xác định bởi hệ thức như sau: E₂ - E₁ = hf.

• Hiệu E2 - E1 mang trị số lớn, nên proton γ được phát ra cũng có tần số rất lớn và bước sóng thì lại rất nhỏ (λ < 10^-11 m).  

2. Định luật phóng xạ

2.1. Đặc tính của quá trình phóng xạ

– Thực chất là một quá trình biến đổi bên trong hạt nhân.

– Có tính chất tự phát và không thể điều khiển được (không phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, áp suất,…)

– Đây là một quá trình ngẫu nhiên (không xác định được thời gian phân rã).

2.2. Định luật phóng xạ

 Trong quá trình xảy ra phân rã, số hạt nhân phóng xạ sẽ bị giảm đi theo thời gian và theo định luật hàm số mũ.

  - Lúc đầu có N hạt nhân. Sau một khoảng thời gian t thì số hạt nhân còn lại được tính theo công thức là:

$N(t)=N_{0}2^{\frac{-t}{T}}=N_{0}e^{\lambda t}$

  Trong đó thì: T được biết là chu kỳ bán rã. Cứ sau khoảng thời gian T thì 1/2 số hạt nhân hiện có sẽ bị phân rã.

  ???? là hằng số phóng xạ λ được tính = ln⁡2 /T.

  - Khi đó thì số hạt nhân đã trải qua phóng xạ là: N0 - N(t)

  - Do khối lượng tỉ lệ thuận với số lượng hạt nhân nên ta có công thức là:

$m(t)=m_{0}2^{\frac{-t}{T}}=m_{0}e^{\lambda t}$

2.3. Chu kì bán rã của phóng xạ

– Định nghĩa: Chu kì bán rã thực chất là thời gian mà qua đó số lượng các hạt nhân còn lại là 50% (nghĩa là đã phân rã 50%).

– Công thức tính chu kỳ bán rã (T): $T=\frac{ln2}{\lambda}=\frac{0,693}{\lambda}$

– Bảng chu kỳ bán rã của một vài chất phóng xạ thuộc công thức phóng xạ vật lý 12:

3. Ứng dụng của phóng xạ

Ngoài các đồng vị sẵn có ở trong thiên nhiên hay còn gọi là các đồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta còn tạo được ra nhiều đồng vị phóng xạ khác nữa hay còn gọi là các đồng vị phóng xạ nhân tạo.

Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có thể có nhiều ứng dụng trong sinh học, y học, hoá học,...

Trong lĩnh vực y học, người ta đưa các đồng vị khác nhau vào trong cơ thể giúp theo dõi quá trình xâm nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định nào đó bên trong cơ thể người. Đây chính là phương pháp nguyên tử giúp đánh dấu, có thể sử dụng để theo dõi các tình trạng bệnh lý.

Trong lĩnh vực khảo cổ học, người ta dùng phương pháp cacbon C giúp xác định niên đại của những cổ vật được tìm thấy.

Tham khảo ngay sách tổng hợp kiến thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập ôn thi THPT Quốc gia

4. Một số bài tập trắc nghiệm về phóng xạ Vật lý 12 (có đáp án)

Câu 1: Khi nói về hiện tượng phóng xạ, ý nào dưới đây là sai?

A. Trong phóng xạ α, hạt nhân con sẽ có số nơtron < số nơtron trong hạt nhân mẹ.

B. Trong phóng xạ β-, hạt nhân con có số khối bằng hạt nhân mẹ nhưng có số proton khác nhau.

C. Trong phóng xạ β có sự bảo toàn điện tích bởi vậy số proton cũng được bảo toàn.

D. Trong phóng xạ β+, hạt nhân mẹ và con có số khối bằng nhau tuy nhiên số nơtron khác nhau.

Đáp án đúng: C

Câu 2: Khi nói đến hiện tượng phóng xạ, phát biểu đúng là phát biểu nào dưới đây?

A. Phóng xạ là phản ứng hạt nhân tỏa ra năng lượng.

B. Sự phóng xạ sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ trong chất phóng xạ.

C. Chu kỳ phóng xạ sẽ phụ thuộc vào khối lượng chất phóng xạ đó.

D. Sự phóng xạ sẽ phụ thuộc vào áp suất tác động lên bề mặt của khối chất phóng xạ đó.

Đáp án đúng: A

Phóng xạ, nhiệt hạch, phân hạch là các phản ứng có trong hạt nhân tỏa năng lượng. 

Câu 3: Chọn ý sai khi nói về tia gamma?

A. Là sóng điện từ mà có bước sóng cực kỳ ngắn.

B. Là chùm hạt phôtôn mang năng lượng cao.

C. Không bị lệch khi ở trong điện trường.

D. Chỉ được phát ra từ nguồn gốc là phóng xạ α.

Đáp án đúng: D

Tia gamma là sóng điện từ mang bước sóng cực kỳ ngắn (là chùm hạt phôtôn không mang điện và có năng lượng cực kỳ lớn) và thường được phát ra từ các quá trình của phản ứng hạt nhân (phóng xạ α là một phần). 

Câu 4: Tia  là dòng các hạt:

A. Notron

B. Pozitron

C. Proton

D. Electron

Đáp án đúng: D

Tia  là dòng các hạt Electron

Câu 4: Chất phóng xạ mà Becơren tìm thấy đầu tiên là chất nào?

A. Radi                B. Urani

C. Thôri              D. Pôlôni

Đáp án đúng: B

- Năm 1896, trong quá trình nghiên cứu về hợp chất lân quang, nhà bác học Beccơren đã vô tình phát hiện ra miếng urani sunfat phát ra một loại bức xạ mà mắt thường không nhìn thấy, nhưng lại có tác dụng mạnh lên những tấm kính ảnh bọc kỹ trong miếng giấy đen dày. Ông gọi hiện tượng đó chính là sự phóng xạ.

Câu 5: Phát biểu sai là phát biểu nào dưới đây khi nói về tia anpha?

A. Tia α có bản chất là hạt nhân của nguyên tử hêli. 

B. Khi ở trong điện trường giữa 2 bản tụ điện, tia α sẽ bị lệch về hướng bản âm tụ điện.

C. Tia α phát ra từ hạt nhân với vận tốc bằng với vận tốc ánh sáng.

D. Khi đi trong môi trường không khí, tia α sẽ làm ion hoá không khí và làm mất dần đi năng lượng.

Đáp án đúng: C.

Vận tốc tia α rơi vào khoảng 20000km/h.

Nắm trọn kiến thức Vật lý đạt 9+ thi tốt nghiệp THPT Quốc Gia ngay!!!

Câu 6: Phát biểu nào là sai trong các phát biểu dưới đây khi nói về tia β-?

A. Hạt β- có bản chất là êlectron.

B. Trong điện trường, tia β- bị lệch về hướng bản (+) của tụ điện (> α).

C. Tia β- có khả năng xuyên qua một miếng chì dày cỡ vài centimet.

D. A và B đều sai.

Đáp án đúng: C

Tia β có thể đâm xuyên nhưng chỉ xuyên qua được lá nhôm dày cỡ vài mm.

Câu 7: Khẳng định nào trong các khẳng định dưới đây là đúng khi nói về tia γ?

A. Tia γ có bản chất là sóng điện từ với bước sóng cực kỳ ngắn (< 0,01nm).

B. Tia γ là một chùm hạt phôtôn mang năng lượng rất cao.

C. Tia γ không bị lệch khi ở trong điện trường.

D. Cả A, B và C đều đúng.

Đáp án đúng: D.

Tia γ bản chất là sóng điện từ, có bước sóng < tia X, sở hữu tính chất giống với tia X nhưng khả năng đâm xuyên lại mạnh hơn nhiều tia X.

Câu 8: Khẳng định nào trong các khẳng định dưới đây là sai khi nói về độ phóng xạ H?

A. Độ phóng xạ H của một chất phóng xạ là một đại lượng đặc trưng đại diện cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của lượng phóng xạ trong chất đó.

B. Có một chất phóng xạ đã biết, độ phóng xạ sẽ luôn là một hằng số.

C. Có một chất phóng xạ đã biết, độ phóng xạ sẽ bị giảm dần theo quy luật hàm số mũ và theo thời gian.

D. A, B, C đều sai.

Đáp án đúng: B.

Độ phóng xạ sẽ bị giảm dần theo quy luật hàm số mũ âm.

Câu 9: Phát biểu nào sau đây đúng khi nói về khái niệm của phóng xạ?

A. Là quá trình hạt nhân nguyên tử phát ra các tia không thể nhìn thấy 

B. Là quá trình một hạt nhân không bền vững phân rã tự phát

C. Là quá trình mà hạt nhân trong nguyên tử hấp thụ đủ năng lượng và làm phát ra các tia phóng xạ như α hoặc β.

D. Là quá trình hạt nhân của nguyên tử nặng bị vỡ và tạo thành các hạt nhân bé hơn.

Đáp án đúng: B

- Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân nguyên tử của một vài nguyên tố kém bền vững tự phát ra các bức xạ rồi biến đổi và tạo nên hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố khác bền vững hơn.

- Như vậy phóng xạ là quá trình của một hạt nhân (không bền vững) phân rã tự phát.

Câu 10: Phát biểu nào sau đây là sai khi đề cập về định luật phóng xạ:

A. Sau 1 chu kì bán rã, KL của chất phóng xạ sẽ bị giảm đi 50%.

B. Sau 2 chu kì bán rã, KL của chất phóng xạ sẽ bị giảm đi 75%.

C. Sau 1/2 chu kì bán rã, KL của chất phóng xạ sẽ bị giảm đi 25%.

D. Sau 3 chu kì bán rã, KL của chất phóng xạ còn lại sẽ bằng 12,5% so với KL ban đầu.

Đáp án đúng: C

- Định luật phóng xạ: Mỗi chất phóng xạ sẽ có duy nhất 1 chu kì phân rã đặc trưng, đó chính là khoảng thời gian mà sau đó lượng chất phóng xạ bị phân rã giảm đi một nửa.

- Lưu ý:

   + Định luật phóng xạ mang tính thống kê, nó chỉ đúng khi số lượng hạt chất phóng xạ rất lớn

   + Với mỗi hạt nhân phóng xạ, quá trình phân rã xảy ra một cách ngẫu nhiên và không biết trước, tức là không thể áp dụng được định luật phóng xạ cho 1 hạt hay số lượng hạt chất phóng xạ rất ít.

- Còn lại số nguyên tử chất phóng xạ sau thời gian t là:

$N=N_{0}^\frac{-t}{T}=N_{0}.e^{-\lambda.t}$

* KL của chất bị phóng xạ sau một khoảng thời gian t:

$\Delta m=m_{0} - m = m_{0}(1-e^{\lambda t})$

Câu 11: Kết luận nào trong các kết luận dưới đây là không đúng khi nói về đặc điểm của những tia phóng xạ bay vào một điện trường đều?

A. Tia γ sẽ không bị lệch khi vào một điện trường đều.

B. Độ lệch giữa 2 tia β+ và β- là giống nhau.

C. Tia β+ bị lệch về hướng bản âm của tụ điện.

D. Tia α+ bị lệch về hướng bản âm của tụ điện > tia β+.

Tia alpha (kí hiệu α) bản chất là hạt nhân của nguyên tử Heli $_{2}^{4}\textrm{He}$

- Bị lệch về hướng bản (-) của tụ điện < tia β+ vì chúng có mang q = +2e.

- Phát ra với v = 107m/s.

- Có thể ion hoá chất khí.

- Khả năng đâm xuyên kém. Trong môi trường không khí thì đi được 8cm.

Đáp án: D

Câu 12: Để đo được chu kì bán rã của chất phóng xạ, ta sử dụng máy đếm xung. Đếm bắt đầu từ t0 = 0 → t1 = 1h, máy đếm ra được X1 xung, đến khi s = 2h thì máy đếm ra được X2 = 1,25X1. Tính chu kỳ của chất phóng xạ đó?

A. 60 phút    B. 45 phút

C. 30 phút    D. 15 phút

- Máy đếm xung có vai trò là đếm số hạt bị phân rã trong một khoảng thời gian nhất định mà lúc máy ghi.

- Do đó ta có:

- Thay t1 = 1h, t2 = 2h

Chọn đáp án C

Câu 13: Tìm phát biểu đúng:

A. Phản ứng hạt nhân bảo toàn được số proton vì nó tuân theo định luật bảo toàn điện tích.

B. Phóng xạ thì luôn luôn là 1 phản ứng hạt nhân mà năng lượng được tỏa ra.

C. Phóng xạ chính là 1 phản ứng hạt nhân tỏa hoặc thu năng lượng tùy thuộc vào loại phóng xạ đó là gì (α; β; γ,...).

D. Phản ứng hạt nhân bảo toàn số nơtron là vì nó tuân theo định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối.

- Phóng xạ hay phản ứng hạt nhân không tuân theo định luật bảo toàn khối lượng, năng lượng nghỉ, số proton, notron, electron, cơ năng (năng lượng cơ học). Các hiện tượng như phóng xạ, phân hạch hay nhiệt hạch luôn là những phản ứng hạt nhân làm năng lượng tỏa ra.

Chọn đáp án B

Câu 14: Chọn câu sai. Tia α (alpha):

A. Làm ion hoá chất khí.

B. Bị lệch hướng khi xuyên qua môi trường là điện trường hay từ trường.

C. Làm phát quang một số chất.

D. Có khả năng đâm xuyên mạnh.

- Tia alpha (α): thực chất là hạt nhân nguyên tử $_{2}^{4}\textrm{He}$: Bị lệch về phía bản (-) của tụ điện vì mang q = +2e. Phóng ra với vận tốc 107m/s. Có khả năng ion hoá chất khí. Đâm xuyên kém. Trong không khí đi được 8cm.

Chọn đáp án D

Câu 15: Một đồng vị phóng xạ nhân tạo mới hình thành, hạt nhân của nó có số proton bằng số notron. Bức xạ nào dưới đây được phóng ra từ đồng vị đó?

A. β+             B. β-

C. α và β-      D. β- và γ

- Ngoại trừ các đồng vị của khí He và H, nhìn chung các hạt nhân trong các nguyên tố khác đều sở hữu số proton ít hơn hoặc bằng với số notron: Z ≤ N ≤ 1,5Z.

- Hệ thức này có thể giúp xác định loại tia phóng xạ là β+ hay β- của 1 chất phóng xạ. Ở đó, hạt nhân ban đầu (hạt nhân mẹ) có số proton bằng với số notron nên sau đó sẽ chuyển đổi từ p → n:

p → n + v + β+ (v là hạt notrino)

Chọn đáp án A

Phóng xạ trong chương trình vật lý 12 là một phần kiến thức vô cùng quan trọng và bổ ích đối với các em học sinh. Bài viết sẽ giúp các em nắm bắt và vận dụng làm bài tập về phần kiến thức này. Ngoài ra, để tìm hiểu thêm về các phần kiến thức khác trong quá trình ôn thi Vật lý tốt nghiệp THPT Quốc gia, các em truy cập vào Vuihoc.vn để đăng ký tài khoản hoặc liên hệ trung tâm hỗ trợ ngay hôm nay để học hỏi thêm thật nhiều kiến thức nhé!

Tham khảo thêm:

⭐Bộ Sách Thần Tốc Luyện Đề Toán - Lý - Hóa THPT Có Giải Chi Tiết

Bài viết tham khảo thêm:

Lý thuyết về hạt nhân nguyên tử

Phản ứng phân hạch