Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Nuclear physics · ⁨Vật lý hạt nhân⁩

IGCSE Physics · ⁨Vật lý IGCSE⁩ · Topic 5 · ⁨Chủ đề 5⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
15:46

Vật lý hạt nhân

Mọi thứ xung quanh bạn đều được tạo nên từ các nguyên tử — nhưng một nguyên tử hầu như hoàn toàn là không gian trống rỗng. Nếu hạt nhân có kích thước như viên bi, thì nguyên tử sẽ có kích thước…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

5.1

The atom · ⁨Nguyên tử⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

5.1.1 The atom

Core Supplement
1 Describe the structure of an atom in terms of a positively charged nucleus and negatively charged electrons in orbit around the nucleus 3 Describe how the scattering of alpha ($\alpha$) particles by a sheet of thin metal supports the nuclear model of the atom, by providing evidence for: (a) a very small nucleus surrounded by mostly empty space (b) a nucleus containing most of the mass of the atom (c) a nucleus that is positively charged
2 Know how atoms may form positive ions by losing electrons or form negative ions by gaining electrons

5.1.2 The nucleus

Core Supplement
1 Describe the composition of the nucleus in terms of protons and neutrons
6 Describe the processes of nuclear fission and nuclear fusion as the splitting or joining of nuclei, to include the nuclide equation and qualitative description of mass and energy changes without values
2 State the relative charges of protons, neutrons and electrons as +1, 0 and –1 respectively
3 Define the terms proton number (atomic number) $Z$ and nucleon number (mass number) $A$ and be able to calculate the number of neutrons in a nucleus 7 Know the relationship between the proton number and the relative charge on a nucleus
8 Know the relationship between the nucleon number and the relative mass of a nucleus
4 Use the nuclide notation $^{A}_{Z}\text{X}$
5 Explain what is meant by an isotope and state that an element may have more than one isotope
Tiếng Việt

5.1.1 Nguyên tử

Cốt lõi Bổ sung
1 Mô tả cấu trúc của nguyên tử dưới dạng một hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân 3 Mô tả cách tán xạ các hạt alpha ($\alpha$) bởi một tấm kim loại mỏng hỗ trợ mô hình hạt nhân của nguyên tử, bằng cách cung cấp bằng chứng cho: (a) một hạt nhân rất nhỏ bao quanh chủ yếu là không gian trống (b) một hạt nhân chứa phần lớn khối lượng của nguyên tử (c) một hạt nhân mang điện tích dương
2 Hiểu cách nguyên tử có thể tạo thành ion dương bằng cách mất electron hoặc tạo thành ion âm bằng cách nhận thêm electron

5.1.2 Hạt nhân

Cốt lõi Bổ sung
1 Mô tả thành phần của hạt nhân theo proton và neutron
6 Mô tả các quá trình phân hạch hạt nhân và tổng hợp hạt nhân dưới dạng sự tách rời hoặc liên kết của các hạt nhân, bao gồm phương trình nuclide và mô tả định tính về sự thay đổi khối lượng và năng lượng mà không cần giá trị cụ thể
2 Nêu điện tích tương đối của proton, neutron và electron lần lượt là +1, 0 và –1
3 Định nghĩa các thuật ngữ số hiệu nguyên tử (số hiệu nguyên tố) $Z$ và số khối (số nucleon) $A$ và có khả năng tính số lượng neutron trong một hạt nhân 7 Hiểu mối quan hệ giữa số hiệu nguyên tử và điện tích tương đối của hạt nhân
8 Hiểu mối quan hệ giữa số khối và khối lượng tương đối của hạt nhân
4 Sử dụng ký hiệu nuclide $^{A}_{Z}\text{X}$
5 Giải thích ý nghĩa của đồng vị và nêu rằng một nguyên tố có thể có nhiều hơn một đồng vị

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình Cambridge International⁩

English

An atom 原子 is made of a tiny central nucleus 原子核 with electrons 电子 moving around it (in orbit 轨道, like planets around the Sun).

  • The nucleus has a positive charge 电荷.
  • The electrons have a negative charge.
  • The atom as a whole is neutral, because the positive and negative charges are equal.

Almost all the mass 质量 is in the nucleus, but the nucleus is very small compared with the whole atom. So an atom is mostly empty space.

Ions

An atom is neutral, but it can gain or lose electrons to become an ion 离子.

  • Lose one or more electrons → a positive ion (now there are more protons than electrons).
  • Gain one or more electrons → a negative ion.

The alpha-scattering experiment

This experiment gave the evidence for the nuclear model. Alpha particles α粒子 (small, fast, positive) were fired at a very thin gold foil 金箔, and the scattering 散射 (the way they bounced off) was watched.

The results and what they tell us:

  • Almost all the alpha particles went straight through. → The atom is mostly empty space.
  • A few were deflected 偏转 (bent) through small angles. → The nucleus has a positive charge, which pushes the positive alpha particles away.
  • A very few bounced almost straight back. → The nucleus is very small and very heavy, and holds most of the mass of the atom.
Tiếng Việt

Một nguyên tử gồm một hạt nhân trung tâm rất nhỏ có electron chuyển động xung quanh (trong quỹ đạo, giống như các hành tinh quay quanh Mặt Trời).

  • Hạt nhân mang tích điện dương.
  • Các electron mang tích điện âm.
  • Nguyên tử về tổng thể trung hòa vì tích điện dương và âm bằng nhau.

Hầu hết khối lượng nằm ở hạt nhân, nhưng hạt nhân rất nhỏ so với nguyên tử toàn phần. Vì vậy, nguyên tử chủ yếu là khoảng trống.

Hạt nhân trung tâm gồm proton và neutron với electron chuyển động theo quỹ đạo tròn xung quanh
Nguyên tử hạt nhân: hạt nhân nhỏ đặc gồm proton và neutron, với electron trên các quỹ đạo xung quanh

Ion

Một nguyên tử trung hòa, nhưng nó có thể nhận hoặc mất electron để trở thành ion.

  • Mất một hoặc nhiều electron → ion dương (lúc này số proton nhiều hơn số electron).
  • Nhận một hoặc nhiều electron → ion âm.

Thí nghiệm tán xạ alpha

Thí nghiệm này cung cấp bằng chứng cho mô hình hạt nhân. Hạt alpha α (nhỏ, nhanh, dương) được bắn vào một lá vàng mỏng cực kỳ, và sự tán xạ (cách chúng bật lại) được quan sát.

Kết quả và những gì chúng tiết lộ:

  • Hầu hết các hạt alpha bay thẳng qua. → Nguyên tử chủ yếu là khoảng trống.
  • Một ít hạt bị bẻ lệch (uốn cong) qua góc nhỏ. → Hạt nhân mang tích điện dương, đẩy các hạt alpha dương ra xa.
  • Rất ít hạt bật gần như thẳng ngược lại. → Hạt nhân rất nhỏ và rất nặng, chứa hầu hết khối lượng của nguyên tử.
Các hạt alpha bắn vào lá vàng: hầu hết bay thẳng qua, một ít bị bẻ lệch, rất ít bật ngược lại
Hầu hết hạt alpha bay thẳng qua; một ít bị bẻ lệch và rất ít bật ngược lại từ hạt nhân nhỏ đặc
Explore · ⁨Khám phá⁩

Inside the atom · ⁨Bên trong nguyên tử⁩

A tiny dense nucleus sits at the centre with electrons in shells around it — drag the proton number and watch the shells fill outward. · ⁨Một hạt nhân nhỏ, đặc nằm ở trung tâm với các electron trong các vỏ xung quanh — kéo số proton và quan sát các vỏ được lấp đầy từ trong ra ngoài.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
atom/ˈætəm/ nguyên tử
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ nhân
electron/ɪˈlektrɒn/ electron
orbit/ˈɔːbɪt/ quỹ đạo
charge/tʃɑːdʒ/ điện tích
mass/mæs/ khối lượng
ion/ˈaɪɒn/ ion
alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ hạt alpha
gold foil/ɡəʊld fɔɪl/ lá vàng
scattering/ˈskætərɪŋ/ tán xạ
deflected/dɪˈflektɪd/ bị lệch
proton/ˈprəʊtɒn/ proton
relative/ˈrelətɪv/ tương đối
neutron/ˈnjuːtrɒn/ neutron
proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ số hiệu nguyên tử
nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ số nucleon
5.1

Inside the nucleus · ⁨Bên trong hạt nhân⁩

English

The nucleus is made of two kinds of particle, together called nucleons 核子:

  • protons 质子, which have a relative 相对 charge of $+1$;
  • neutrons 中子, which have a relative charge of $0$ (they are neutral).

An electron has a relative charge of $-1$. A proton and a neutron each have a relative mass of about $1$; an electron is almost massless in comparison.

Two numbers describe a nucleus:

  • the proton number 质子数 $Z$ (also called the atomic number) — the number of protons;
  • the nucleon number 核子数 $A$ (also called the mass number) — the number of protons plus neutrons.

So the number of neutrons is $A - Z$.

We write a nucleus in nuclide 核素 notation:

$$^{A}_{Z}\text{X}$$

where X is the chemical symbol. For example, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ has $79$ protons and $197 - 79 = 118$ neutrons. The relative charge of the whole nucleus is just $+Z$ (here $+79$), and its relative mass is about $A$.

Isotopes

Isotopes 同位素 are atoms of the same element (the same $Z$) but with different numbers of neutrons (different $A$). They behave the same in chemistry but differently in the nucleus. For example, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ and $^{14}_{\ 6}\text{C}$ are both carbon.

Nuclear fission and fusion

In nuclear fission 核裂变, a heavy nucleus absorbs a neutron and then splits into two smaller nuclei, giving out two or three neutrons and a lot of energy 能量:

$$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$

The top numbers (nucleon numbers) balance on both sides, and so do the bottom numbers (proton numbers). You can use this to find a missing number — for example, how many neutrons are released.

In nuclear fusion 核聚变, two light nuclei join to make a heavier one, also giving out energy. This is how the Sun makes its energy, joining hydrogen 氢 nuclei to make helium 氦. The reaction below — two heavy forms of hydrogen (deuterium and tritium) joining into helium — is the one used in fusion reactors on Earth:

$$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$

In both fission and fusion, a small amount of mass is lost and turned into energy.

Tiếng Việt

Hạt nhân gồm hai loại hạt, gọi chung là nucleon:

  • Proton, có tích điện tương đối là $+1$;
  • Neutron, có tích điện tương đối là $0$ (chúng trung hòa).

Electron có tích điện tương đối là $-1$. Proton và neutron mỗi hạt có khối lượng tương đối khoảng $1$; electron gần như không có khối lượng so với chúng.

Hai con số mô tả một hạt nhân:

  • Số hiệu nguyên tử $Z$ (còn gọi là số nguyên tử) — số lượng proton;
  • Số khối $A$ (còn gọi là số nucleon) — tổng số proton và neutron.

Vì vậy, số lượng neutron là $A - Z$.

Ta viết một hạt nhân theo ký hiệu nuclide:

$$^{A}_{Z}\text{X}$$

trong đó X là ký hiệu hóa học. Ví dụ, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ có $79$ proton và $197 - 79 = 118$ neutron. Tích điện tương đối của toàn bộ hạt nhân chỉ là $+Z$ (ở đây là $+79$), và khối lượng tương đối của nó khoảng $A$.

Đồng vị

Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố (cùng $Z$) nhưng có số lượng neutron khác nhau (khác $A$). Chúng có tính chất hóa học giống nhau nhưng khác nhau trong hạt nhân. Ví dụ, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ và $^{14}_{\ 6}\text{C}$ đều là carbon.

Hai hạt nhân carbon: carbon-12 với sáu proton và sáu neutron, carbon-14 với sáu proton và tám neutron
Các đồng vị của carbon đều có sáu proton nhưng số lượng neutron khác nhau, nên chúng là cùng một nguyên tố với khối lượng khác nhau

Phân hạch và tổng hợp hạt nhân

Trong phân hạch hạt nhân, một hạt nhân nặng hấp thụ một neutron rồi tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn, giải phóng hai hoặc ba neutron và một lượng lớn năng lượng:

$$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$
Một neutron va chạm vào hạt nhân U-235, tách thành Ba và Kr cộng thêm các neutron và năng lượng
Một neutron làm tách hạt nhân U-235 thành hai hạt nhân nhỏ hơn, giải phóng thêm neutron và năng lượng

Các số phía trên (số khối) cân bằng ở cả hai vế, và cũng vậy với các số phía dưới (số hiệu nguyên tử). Bạn có thể dùng điều này để tìm số còn thiếu — ví dụ, bao nhiêu neutron được giải phóng.

Trong tổng hợp hạt nhân, hai hạt nhân nhẹ kết hợp tạo thành một hạt nhân nặng hơn, cũng giải phóng năng lượng. Đây là cách Mặt Trời tạo ra năng lượng, liên kết các hạt nhân hydro để tạo thành helium. Phản ứng bên dưới — hai dạng nặng của hydro (deuterium và tritium) kết hợp thành helium — là phản ứng được sử dụng trong các lò phản ứng tổng hợp trên Trái Đất:

$$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$
Hai hạt nhân hydro nhỏ kết hợp tạo thành hạt nhân heli cộng thêm một neutron và năng lượng
Trong tổng hợp, hai hạt nhân nhẹ kết hợp thành một hạt nhân nặng hơn, giải phóng một neutron và năng lượng — phản ứng deuterium–tritium được sử dụng trong lò phản ứng tổng hợp

Cả trong phân hạch và tổng hợp, một lượng nhỏ khối lượng bị mất và chuyển hóa thành năng lượng.

Hai tháp làm mát lớn của nhà máy điện hạt nhân cạnh sông, tỏa ra đám mây trắng hơi nước
Nhà máy điện hạt nhân sử dụng năng lượng từ phân hạch để sản xuất điện; các tháp giải phóng nhiệt thải dưới dạng hơi nước
Explore · ⁨Khám phá⁩

The fission chain reaction · ⁨Phản ứng dây chuyền phân hạch⁩

A neutron splits a uranium nucleus, which releases energy AND more neutrons — those split more nuclei, and so on. · ⁨Một neutron làm vỡ một hạt nhân urani, giải phóng năng lượng VÀ thêm neutron — những neutron này lại làm vỡ thêm hạt nhân khác, và cứ thế tiếp diễn.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
nucleon/ˈnjuːklɪən/ nuclon
nuclide/ˈnjuːklaɪd/ nuclide
isotope/ˈaɪsətəʊp/ đồng vị
nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ phân hạch hạt nhân
energy/ˈenədʒi/ năng lượng
nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ hợp nhất hạt nhân
hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ hiđro
helium/ˈhiːlɪəm/ heli
unstable/ʌnˈsteɪbl/ không ổn định
radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ bức xạ
5.2

Radioactivity · ⁨Tính phóng xạ⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

5.2.1 Detection of radioactivity

Core Supplement
1 Know what is meant by background radiation
2 Know the sources that make a significant contribution to background radiation including: (a) radon gas (in the air) (b) rocks and buildings (c) food and drink (d) cosmic rays
3 Know that ionising nuclear radiation can be measured using a detector connected to a counter
4 Use count rate measured in counts / s or counts / minute 5 Use measurements of background radiation to determine a corrected count rate

5.2.2 The three types of nuclear emission

Core Supplement
1 Describe the emission of radiation from a nucleus as spontaneous and random in direction
2 Identify alpha ($\alpha$), beta ($\beta$) and gamma ($\gamma$) emissions from the nucleus by recalling: (a) their nature (b) their relative ionising effects (c) their relative penetrating abilities ($\beta^+$ are not included, $\beta$-particles will be taken to refer to $\beta^-$) 3 Describe the deflection of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation in electric fields and magnetic fields
4 Explain their relative ionising effects with reference to: (a) kinetic energy (b) electric charge

5.2.3 Radioactive decay

Core Supplement
1 Know that radioactive decay is a change in an unstable nucleus that can result in the emission of $\alpha$-particles or $\beta$-particles and/or $\gamma$-radiation and know that these changes are spontaneous and random 3 Know that isotopes of an element may be radioactive due to an excess of neutrons in the nucleus and/or the nucleus being too heavy
2 State that during $\alpha$-decay or $\beta$-decay, the nucleus changes to that of a different element 4 Describe the effect of $\alpha$-decay, $\beta$-decay and $\gamma$-emissions on the nucleus, including an increase in stability and a reduction in the number of excess neutrons; the following change in the nucleus occurs during $\beta$-emission neutron $\rightarrow$ proton + electron
5 Use decay equations, using nuclide notation, to show the emission of $\alpha$-particles, $\beta$-particles and $\gamma$-radiation

5.2.4 Half-life

Core Supplement
1 Define the half-life of a particular isotope as the time taken for half the nuclei of that isotope in any sample to decay; recall and use this definition in simple calculations, which might involve information in tables or decay curves (calculations will not include background radiation) 2 Calculate half-life from data or decay curves from which background radiation has not been subtracted
3 Explain how the type of radiation emitted and the half-life of an isotope determine which isotope is used for applications including: (a) household fire (smoke) alarms (b) irradiating food to kill bacteria (c) sterilisation of equipment using gamma rays (d) measuring and controlling thicknesses of materials with the choice of radiations used linked to penetration and absorption (e) diagnosis and treatment of cancer using gamma rays

5.2.5 Safety precautions

Core Supplement
1 State the effects of ionising nuclear radiations on living things, including cell death, mutations and cancer
2 Describe how radioactive materials are moved, used and stored in a safe way 3 Explain safety precautions for all ionising radiation in terms of reducing exposure time, increasing distance between source and living tissue and using shielding to absorb radiation
Tiếng Việt

5.2.1 Phát hiện bức xạ phóng xạ

Cốt lõi Bổ sung
1 Hiểu thế nào là bức xạ nền
2 Hiểu các nguồn phát sinh đóng góp đáng kể vào bức xạ nền bao gồm: (a) khí radon (trong không khí) (b) đá và nhà cửa (c) thực phẩm và đồ uống (d) tia vũ trụ
3 Hiểu rằng bức xạ hạt nhân ion hóa có thể được đo bằng đầu dò kết nối với bộ đếm
4 Sử dụng tốc độ đếm đo được tính bằng counts / s hoặc counts / phút 5 Sử dụng các phép đo bức xạ nền để xác định tốc độ đếm đã hiệu chỉnh

5.2.2 Ba loại bức xạ hạt nhân

Cốt lõi Bổ sung
1 Mô tả sự phát ra bức xạ từ hạt nhân là tự phát và ngẫu nhiên theo hướng
2 Xác định các loại bức xạ alpha ($\alpha$), beta ($\beta$) và gamma ($\gamma$) từ hạt nhân bằng cách nhớ lại: (a) bản chất của chúng (b) tác động ion hóa tương đối của chúng (c) khả năng xuyên thấu tương đối của chúng ($\beta^+$ không được đưa vào, $\beta$-particles sẽ được hiểu là $\beta^-$) 3 Mô tả sự lệch hướng của $\alpha$-particles, $\beta$-particles và $\gamma$-radiation trong điện trường và từ trường
4 Giải thích tác động ion hóa tương đối của chúng liên quan đến: (a) động năng (b) điện tích

5.2.3 Phân rã phóng xạ

Cốt lõi Bổ sung
1 Hiểu rằng phân rã phóng xạ là sự thay đổi ở hạt nhân không ổn định có thể dẫn đến sự phát ra $\alpha$-particles hoặc $\beta$-particles và/hoặc $\gamma$-radiation và biết rằng những thay đổi này là tự phát và ngẫu nhiên 3 Hiểu rằng các đồng vị của một nguyên tố có thể bị phóng xạ do dư thừa neutron trong hạt nhân và/hoặc hạt nhân quá nặng
2 Nêu rằng trong quá trình phân rã $\alpha$ hoặc $\beta$, hạt nhân chuyển sang hạt nhân của một nguyên tố khác 4 Mô tả ảnh hưởng của phân rã $\alpha$, $\beta$ và phát xạ $\gamma$ lên hạt nhân, bao gồm sự tăng cường độ ổn định và giảm số lượng neutron dư thừa; sự thay đổi sau xảy ra trong hạt nhân trong quá trình phát xạ $\beta$ neutron $\rightarrow$ proton + electron
5 Sử dụng phương trình phân rã, dùng ký hiệu nuclide, để minh họa sự phát ra $\alpha$-particles, $\beta$-particles và $\gamma$-radiation

5.2.4 Chu kỳ bán rã

Cốt lõi Bổ sung
1 Định nghĩa chu kỳ bán rã của một đồng vị cụ thể là thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân của đồng vị đó trong bất kỳ mẫu vật nào phân rã; nhớ và sử dụng định nghĩa này trong các phép tính đơn giản, có thể bao gồm thông tin trong bảng hoặc đường cong phân rã (các phép tính sẽ không bao gồm bức xạ nền) 2 Tính chu kỳ bán rã từ dữ liệu hoặc đường cong phân rã chưa trừ đi bức xạ nền
3 Giải thích làm thế nào loại bức xạ phát ra và chu kỳ bán rã của một đồng vị quyết định việc sử dụng đồng vị đó trong các ứng dụng bao gồm: (a) báo cháy gia đình (cảm biến khói) (b) chiếu xạ thực phẩm để tiêu diệt vi khuẩn (c) tiệt trùng thiết bị bằng tia gamma (d) đo lường và kiểm soát độ dày của vật liệu với việc lựa chọn bức xạ phù hợp dựa trên khả năng xuyên thấu và hấp thụ (e) chẩn đoán và điều trị ung thư bằng tia gamma

5.2.5 Biện pháp an toàn

Cốt lõi Bổ sung
1 Nêu tác động của bức xạ hạt nhân ion hóa lên sinh vật sống, bao gồm chết tế bào, đột biến và ung thư
2 Mô tả cách di chuyển, sử dụng và lưu trữ vật liệu phóng xạ một cách an toàn 3 Giải thích biện pháp an toàn đối với tất cả bức xạ ion hóa theo hướng giảm thời gian tiếp xúc, tăng khoảng cách giữa nguồn phát và mô sống, và sử dụng lớp chắn để hấp thụ bức xạ

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình Cambridge International⁩

English
Radioactive decay & half-life

A nucleus that is unstable 不稳定 will sooner or later break down and give out radiation 辐射. This is radioactive 放射性 decay 衰变. A nucleus may be unstable because it has too many neutrons, or because it is too heavy.

Decay is spontaneous 自发 (it happens on its own, and you cannot speed it up or slow it down) and random 随机 (you cannot say which nucleus will decay next, or exactly when).

Background radiation

Some radiation is around us all the time. This is background radiation 背景辐射. Its main sources are:

  • radon 氡 gas in the air (usually the biggest source);
  • rocks and buildings;
  • food and drink;
  • cosmic rays 宇宙射线 from space.

Measuring radiation

Radiation can be measured with a detector 探测器 joined to a counter 计数器. The count rate 计数率 is the number of counts each second (or each minute).

To find the true count rate from a source, first measure the background count rate on its own, then subtract it. The answer is the corrected 修正 count rate:

$$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$

Worked example. A detector placed next to a source reads $250$ counts/min. With the source taken away, the background count rate is $30$ counts/min. Find the corrected count rate.

$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
Tiếng Việt
Phân rã phóng xạ & thời gian bán rã

Một hạt nhân không ổn định sẽ sớm muộn gì cũng phân rã và phát ra bức xạ. Đây là quá trình phân rã phóng xạ. Hạt nhân có thể không ổn định vì có quá nhiều neutron, hoặc vì quá nặng.

Phân rã là tự phát (xảy ra tự nhiên, bạn không thể tăng tốc hay giảm tốc quá trình này) và ngẫu nhiên (bạn không thể dự đoán hạt nhân nào sẽ phân rã tiếp theo, hoặc chính xác khi nào).

Bức xạ nền

Một số bức xạ luôn hiện diện xung quanh ta. Đó là bức xạ nền. Nguồn gốc chính của nó bao gồm:

  • khí radon trong không khí (thường là nguồn lớn nhất);
  • đá và công trình xây dựng;
  • thức ăn và đồ uống;
  • tia vũ trụ từ không gian.

Đo lường bức xạ

Bức xạ có thể được đo bằng máy dò nối với mạch đếm. Tốc độ đếm là số lần đếm mỗi giây (hoặc mỗi phút).

Để tìm tốc độ đếm thực tế từ một nguồn, trước tiên hãy đo tốc độ đếm nền riêng biệt, sau đó trừ đi. Kết quả là tốc độ đếm đã hiệu chỉnh:

$$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$

Ví dụ có lời giải. Một máy đếm đặt cạnh nguồn phát đọc được $250$ số đếm/phút. Khi lấy nguồn đi, tốc độ nền là $30$ số đếm/phút. Tính tốc độ đếm đã hiệu chỉnh.

$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
Máy Geiger cầm tay với ống dò và màn hình nhỏ hiển thị tốc độ đếm
Máy Geiger cầm tay phát hiện bức xạ ion hóa và hiển thị tốc độ đếm trên màn hình
Explore · ⁨Khám phá⁩

Radioactive decay · ⁨Phân rã phóng xạ⁩

N = N₀·bᵗ

The number of unstable nuclei decays exponentially. · ⁨Số lượng hạt nhân không bền phân rã theo hàm mũ.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ phóng xạ
decay/dɪˈkeɪ/ phân rã
spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ tự phát
random/ˈrændəm/ ngẫu nhiên
background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ bức xạ nền
radon/ˈreɪdɒn/ radon
cosmic rays/ˈkɒzmɪk reɪz/ tia vũ trụ
detector/dɪˈtektə/ máy dò
counter/ˈkaʊntə/ chống ví dụ
count rate/kaʊnt reɪt/ tốc độ đếm
corrected/kəˈrektɪd/ đã chỉnh sửa
ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ -ion hóa
aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ nhôm
electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ sóng điện từ
lead/liːd/ dẫn đầu
penetrating/ˈpenɪtreɪtɪŋ/ xâm thấu
absorbed/əbˈsɔːbd/ hấp thụ
beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ hạt beta
gamma radiation/ˈɡæmə ˌreɪdɪˈeɪʃn/ bức xạ gamma
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ động năng
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ điện trường
magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ từ trường
stable/ˈsteɪbl/ ổn định
sample/ˈsæmpl/ mẫu
half-life/hɑːf laɪf/ thời gian bán rã
smoke alarm/sməʊk əˈlɑːm/ cảm biến khói
bacteria/bækˈtɪərɪə/ vi khuẩn
sterilise/ˈsterəlaɪz/ khử trùng
medical tracer/ˈmedɪkl ˈtreɪsə/ chất đánh dấu y khoa
cancer/ˈkænsə/ ung thư
living cells/ˈlɪvɪŋ selz/ tế bào sống
mutation/mjuːˈteɪʃn/ đột biến
dose/dəʊs/ liều lượng
exposure/ekˈspəʊʒə/ exposure (độ phơi sáng)
shielding/ˈʃiːldɪŋ/ hiệu ứng che chắn
Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
5.2

The three types of radiation · ⁨Ba loại bức xạ⁩

English

The radiation can be one of three types. Each type is ionising 电离, which means it can knock electrons off atoms in its path.

Type What it is Ionising effect Stopped by
alpha (α) a helium nucleus: 2 protons + 2 neutrons, charge $+2$ strongest a sheet of paper, or a few cm of air
beta (β) a fast-moving electron, charge $-1$ medium a few mm of aluminium 铝
gamma (γ) a high-energy electromagnetic wave 电磁波, no charge weakest thick lead 铅 or concrete (only reduced, never fully stopped)

So an alpha particle is the most ionising but the least penetrating 穿透 (it is easily absorbed 吸收). A beta particle β粒子 is in the middle. Gamma radiation γ射线 is the least ionising but the most penetrating.

We can explain the ionising effects from charge and kinetic energy 动能: an alpha particle has a large charge ($+2$) and is slow and heavy, so it pulls strongly on the electrons it passes and ionises a lot. A beta particle has a smaller charge and moves faster, so it ionises less.

Deflection in fields

Because alpha and beta particles are charged, they are deflected by an electric field 电场 and by a magnetic field 磁场. They bend in opposite directions, because their charges have opposite signs, and the lighter beta particle bends more. Gamma rays have no charge, so they are not deflected at all.

Tiếng Việt

Bức xạ có thể thuộc một trong ba loại. Mỗi loại đều bị ion hóa, nghĩa là nó có thể bứt electron khỏi các nguyên tử trên đường đi của nó.

Loại Bản chất Tác động ion hóa Bị ngăn bởi
alpha (α) hạt nhân heli: 2 proton + 2 neutron, điện tích $+2$ mạnh nhất một tờ giấy, hoặc vài cm không khí
beta (β) electron chuyển động nhanh, điện tích $-1$ trung bình vài mm nhôm
gamma (γ) sóng điện từ năng lượng cao, không mang điện tích yếu nhất chì dày hoặc bê tông (chỉ giảm, không bao giờ bị chặn hoàn toàn)

Vì vậy, hạt alpha là bị ion hóa nhiều nhất nhưng xuyên thấu kém nhất (nó dễ bị hấp thụ). Hạt beta β nằm ở mức trung bình. Bức xạ gamma γ bị ion hóa ít nhất nhưng xuyên thấu tốt nhất.

Alpha bị giấy ngăn, beta bị nhôm ngăn, gamma chỉ bị chì giảm
Giấy ngăn alpha, vài milimét nhôm ngăn beta, và chì dày chỉ làm giảm gamma

Chúng ta có thể giải thích tác động ion hóa dựa trên điện tích và động năng: hạt alpha có điện tích lớn ($+2$) và chuyển động chậm, nặng, nên kéo mạnh electron mà nó đi qua và gây ion hóa nhiều. Hạt beta có điện tích nhỏ hơn và di chuyển nhanh hơn, nên gây ion hóa ít hơn.

Độ lệch trong trường

Vì hạt alpha và beta mang điện tích, chúng bị lệch bởi điện trường và từ trường. Chúng bẻ cong theo hướng ngược nhau, vì điện tích của chúng trái dấu, và hạt beta nhẹ hơn sẽ bẻ cong nhiều hơn. Tia gamma không mang điện tích, nên không bị lệch chút nào.

Alpha bẻ cong một hướng, beta bẻ cong hướng kia và nhiều hơn, tiagamma đi thẳng giữa hai bản mang điện
Alpha và beta bẻ cong theo hướng ngược nhau; hạt beta nhẹ hơn bẻ cong nhiều hơn, và gamma không mang điện không bị lệch
5.2

Decay equations · ⁨Phương trình phân rã⁩

English

When a nucleus decays, the nucleon and proton numbers must balance on both sides.

Alpha decay — the nucleus loses 2 protons and 2 neutrons, so $A$ falls by $4$ and $Z$ falls by $2$. It becomes a different element:

$$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$

Worked example. A radium nucleus $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ emits an alpha particle. Find the nucleon number and proton number of the new nucleus.

Alpha decay lowers $A$ by $4$ and $Z$ by $2$:

$$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$

So the new nucleus (radon) has nucleon number $222$ and proton number $86$.

Beta decay — inside the nucleus a neutron changes into a proton plus an electron:

$$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$

The fast electron leaves as the beta particle. So $A$ stays the same but $Z$ rises by $1$, giving a different element:

$$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

Gamma emission — the nucleus loses only energy, so $A$ and $Z$ do not change. Alpha and beta decay leave the nucleus more stable 稳定; gamma is often given out at the same time to carry away spare energy.

Tiếng Việt

Khi một hạt nhân phân rã, số nucleon và số proton phải cân bằng ở cả hai vế.

Phân rã alpha — hạt nhân mất 2 proton và 2 neutron, do đó $A$ giảm đi $4$ và $Z$ giảm đi $2$. Nó trở thành một nguyên tố khác:

$$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$

Ví dụ có lời giải. Một hạt nhân radium $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ phát ra một hạt alpha. Tìm số nucleon và số proton của hạt nhân mới.

Phân rã alpha làm giảm $A$ đi $4$ và $Z$ đi $2$:

$$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$

Vậy hạt nhân mới (radon) có số nucleon là $222$ và số proton là $86$.

Phân rã beta — bên trong hạt nhân, một neutron biến thành một proton cộng với một electron:

$$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$

Electron nhanh bay ra ngoài dưới dạng hạt beta. Vậy $A$ giữ nguyên nhưng $Z$ tăng thêm $1$, tạo ra một nguyên tố khác:

$$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

Phát xạ gamma — hạt nhân chỉ mất năng lượng, nên $A$ và $Z$ không thay đổi. Phân rã alpha và beta khiến hạt nhân bền vững hơn; gamma thường được phát ra cùng lúc để mang phần năng lượng dư thừa đi.

5.2

Half-life · ⁨Bán衰期⁩

English

Because decay is random, we cannot follow one nucleus. Instead we describe a large sample 样品 using its half-life.

The half-life 半衰期 of an isotope is the time taken for half the unstable nuclei in a sample to decay. After each half-life, the count rate (or the number of unstable nuclei left) falls to half.

For example, if a source has a count rate of $800$ counts/min and a half-life of $3$ hours:

Time / hours 0 3 6 9
Count rate / (counts/min) 800 400 200 100

After $6$ hours (two half-lives) the count rate has halved twice: $800 \to 400 \to 200$. You can read a half-life off a decay graph by finding the time for the count rate to drop from any value to half of it. If the readings include background radiation, subtract the background count rate from every reading first, then find the half-life from the corrected values.

Worked example. The activity of a source falls from $800$ counts/min to $100$ counts/min. Its half-life is $5$ days. How long did this take?

Count the halvings: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ is three half-lives, so the time is $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

Tiếng Việt

Vì sự phân rã là ngẫu nhiên, ta không thể theo dõi một hạt nhân riêng lẻ. Thay vào đó, ta mô tả một mẫu lớn thông qua bán衰期 của nó.

Bán衰期 của một đồng vị là thời gian cần thiết để một nửa các hạt nhân không bền trong mẫu phân rã. Sau mỗi lần bán衰期, tốc độ đếm (hoặc số hạt nhân không bền còn lại) giảm xuống còn một nửa.

Ví dụ, nếu một nguồn có tốc độ đếm là $800$ số đếm/phút và bán衰期 là $3$ giờ:

Thời gian / giờ 0 3 6 9
Tốc độ đếm / (số đếm/phút) 800 400 200 100

Sau $6$ giờ (hai chu kỳ bán rã), tốc độ đếm đã giảm một nửa hai lần: $800 \to 400 \to 200$. Bạn có thể đọc được chu kỳ bán rã từ đồ thị phân rã bằng cách tìm thời gian để tốc độ đếm giảm từ bất kỳ giá trị nào xuống còn một nửa của nó. Nếu các giá trị đọc bao gồm bức xạ nền, hãy trừ tốc độ đếm nền khỏi mỗi giá trị đọc trước, sau đó tìm chu kỳ bán rã từ các giá trị đã điều chỉnh.

Ví dụ có lời giải. Hoạt tính của một nguồn giảm từ $800$ số đếm/phút xuống $100$ số đếm/phút. Bán衰期 của nó là $5$ ngày. Quá trình này diễn ra trong bao lâu?

Đếm số lần giảm một nửa: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ tương ứng với ba lần bán衰期, nên thời gian là $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

Đường cong phân rã của tốc độ đếm theo thời gian, giảm một nửa ở mỗi lần bán衰期
Mỗi lần bán衰期 $T$, tốc độ đếm giảm một nửa: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
Explore · ⁨Khám phá⁩

Half-life — watch the nuclei decay · ⁨Chu kỳ bán rã — theo dõi sự phân rã của hạt nhân⁩

Each nucleus has a fixed chance of decaying, at random. Move time forward: about half the remaining nuclei decay every half-life — so the count halves, then halves again. · ⁨Mỗi hạt nhân có xác suất phân rã cố định, ngẫu nhiên. Đẩy thời gian tiến lên: khoảng một nửa số hạt nhân còn lại sẽ phân rã mỗi chu kỳ bán rã — do đó số đếm giảm đi một nửa, rồi lại giảm một nửa nữa.⁩

5.2

Uses of radioactivity · ⁨Ứng dụng của phóng xạ⁩

English

The isotope chosen for a job depends on its type of radiation and its half-life:

  • smoke alarms 烟雾报警器 use an alpha source (alpha is easily blocked, so it is safe outside the alarm, and a long half-life means it lasts for years);
  • using radiation on food, or on equipment, kills bacteria 细菌 and germs — this needs penetrating gamma rays to sterilise 消毒 the sealed item;
  • measuring and controlling the thickness of paper or metal sheets uses a beta source (the amount that passes through changes with the thickness);
  • a medical tracer 医用示踪剂 is a small amount of a gamma-emitting isotope with a short half-life, injected into the body: a detector outside the body follows where it goes, gamma rays escape from the body easily, and the activity soon falls to a safe level;
  • gamma rays are used to find and to treat cancer 癌症 inside the body, because they can pass out of (or into) the body.
Tiếng Việt

Đồng vị được chọn cho một công việc phụ thuộc vào loại bức xạ và bán衰期 của nó:

  • cảm biến khói sử dụng nguồn alpha (alpha dễ bị chặn, nên an toàn bên ngoài cảm biến, và bán衰期 dài có nghĩa là nó tồn tại hàng năm);
  • sử dụng bức xạ lên thực phẩm hoặc thiết bị để tiêu diệt vi khuẩn và mầm bệnh — điều này cần tia gamma xuyên thấu để khử trùng vật phẩm kín;
  • đo lường và kiểm soát độ dày của giấy hoặc tấm kim loại sử dụng nguồn beta (lượng truyền qua thay đổi theo độ dày);
  • dấu vết y tế là một lượng nhỏ đồng vị phát gamma có bán衰期 ngắn, được tiêm vào cơ thể: một máy dò bên ngoài cơ thể theo dõi nơi nó đi, tia gamma thoát ra khỏi cơ thể dễ dàng, và hoạt tính nhanh chóng giảm xuống mức an toàn;
  • tia gamma được dùng để tìm và điều trị ung thư bên trong cơ thể, vì chúng có thể xuyên qua (hoặc đi vào) cơ thể.
Bệnh nhân được giữ cố định bằng mặt nạ lưới dưới máy xạ trị, với tia laser căn chỉnh màu xanh lá cắt nhau trên mặt nạ
Xạ trị: mặt nạ lưới giữ bệnh nhân yên tĩnh trong khi tia laser căn chỉnh chiếu chính xác tia gamma vào khối u để điều trị ung thư
5.2

Safety · ⁨An toàn⁩

English

Ionising radiation harms living cells 细胞. It can cause cell death, mutations 突变 (changes to the genes) and cancer.

When working with radioactive sources, keep the dose 剂量 (the amount of radiation received) low by:

  • reducing the exposure 照射 time — spend as little time near the source as possible;
  • increasing the distance between you and the source;
  • using shielding 屏蔽, such as lead, between the source and your body.

Radioactive sources should be handled with tongs (not bare hands), kept pointing away from people, and stored in a lead-lined box.

Tiếng Việt

Bức xạ ion hóa gây hại cho tế bào sống. Nó có thể dẫn đến chết tế bào, đột biến (thay đổi gen) và ung thư.

Khi làm việc với nguồn phóng xạ, hãy giữ liều lượng (lượng bức xạ nhận được) ở mức thấp bằng cách:

  • giảm thời gian tiếp xúc — dành càng ít thời gian gần nguồn càng tốt;
  • tăng khoảng cách giữa bạn và nguồn phát;
  • sử dụng vật chắn, như chì, đặt giữa nguồn phát và cơ thể bạn.

Các nguồn phóng xạ nên được xử lý bằng nhíp (không dùng tay trần), luôn hướng đầu ra xa người, và cất giữ trong hộp lót chì.

5.2

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

English
  • The nucleon number (top) is protons + neutrons; the proton number (bottom) is protons only. Number of neutrons = nucleon number − proton number.
  • Isotopes have the same proton number but different nucleon numbers — the same element with a different number of neutrons.
  • Rank the radiations two ways: alpha is the most ionising but least penetrating (stopped by paper); gamma is the least ionising but most penetrating (needs thick lead). Beta is in between (stopped by a few mm of aluminium).
  • In every decay equation the top numbers must balance and the bottom numbers must balance. Alpha decay: $A-4$, $Z-2$. Beta decay: $A$ unchanged, $Z+1$.
  • Always subtract the background count rate before using a source's readings. After $n$ half-lives the count rate has halved $n$ times — count the halvings rather than guessing from the total time.
Tiếng Việt
  • Số nucleon (trên) là tổng số proton + neutron; số hiệu nguyên tử (dưới) chỉ là số proton. Số lượng neutron = số nucleon − số hiệu nguyên tử.
  • Đồng vị có cùng số hiệu nguyên tử nhưng khác số nucleon — cùng một nguyên tố nhưng có số lượng neutron khác nhau.
  • Sắp xếp các loại bức xạ theo hai tiêu chí: alpha là mạnh nhất về khả năng ion hóa nhưng kém khả năng xuyên thấu nhất (bị giấy ngăn lại); gamma là yếu nhất về khả năng ion hóa nhưng xuyên thấu nhất (cần chì dày). Beta nằm ở mức trung bình (bị vài mm nhôm ngăn lại).
  • Trong mọi phương trình phân rã, tổng các số ở trên phải cân bằng và tổng các số ở dưới cũng phải cân bằng. Phân rã alpha: $A-4$, $Z-2$. Phân rã beta: $A$ không thay đổi, $Z+1$.
  • Luôn trừ tốc độ đếm nền trước khi sử dụng kết quả đo của nguồn phát. Sau $n$ chu kỳ bán rã, tốc độ đếm đã giảm một nửa $n$ lần — hãy đếm số lần giảm một nửa thay vì ước tính từ tổng thời gian.

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in IGCSE Physics · ⁨Vật lý IGCSE⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong IGCSE Physics · ⁨Vật lý IGCSE⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP