Bức xạ Gamma (Gamma Radiation)

Đặc điểm của bức xạ gamma

• Năng lượng cao: Bức xạ gamma có năng lượng photon cao nhất trong phổ điện từ, thường lớn hơn $100 \, \text{keV}$. Tia X, thường được coi là ranh giới dưới của vùng năng lượng gamma, có năng lượng từ khoảng $100 \, \text{eV}$ đến $100 \, \text{keV}$. Sự khác biệt này là do nguồn gốc phát sinh: tia X thường được tạo ra bởi các quá trình liên quan đến electron ở lớp vỏ nguyên tử, trong khi tia gamma liên quan đến các biến đổi trong hạt nhân.
• Bước sóng ngắn: Do năng lượng cao, bức xạ gamma có bước sóng rất ngắn, thường nhỏ hơn $10^{-12} \, \text{m}$ (picomet).
• Tần số cao: Tần số của bức xạ gamma tỉ lệ nghịch với bước sóng, do đó nó có tần số rất cao, thường lớn hơn $10^{19} \, \text{Hz}$.
• Khả năng xuyên thấu mạnh: Bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên vật chất rất lớn. Chúng có thể đi qua nhiều lớp vật liệu dày, bao gồm cả bê tông và chì, tuy nhiên, khả năng đâm xuyên giảm dần khi gặp vật liệu có mật độ cao và số nguyên tử lớn. Để che chắn bức xạ gamma, người ta thường sử dụng các lớp chì dày hoặc các vật liệu đặc biệt khác.
• Ion hóa mạnh: Bức xạ gamma có khả năng ion hóa các nguyên tử và phân tử mà nó tương tác. Tức là, nó có thể “bứt” electron ra khỏi nguyên tử, tạo thành các ion mang điện. Khả năng ion hóa này là nguyên nhân chính gây ra các tổn thương sinh học khi bức xạ gamma tương tác với cơ thể sống.
• Không có khối lượng và điện tích: Giống như các loại bức xạ điện từ khác (photon), bức xạ gamma không có khối lượng nghỉ và không mang điện tích. Do đó, chúng không bị lệch hướng trong điện trường và từ trường.

Nguồn gốc của bức xạ gamma

• Phân rã phóng xạ: Đây là nguồn gốc phổ biến nhất của bức xạ gamma trong tự nhiên. Nhiều hạt nhân nguyên tử không bền vững (đồng vị phóng xạ) tự phát phân rã để chuyển sang trạng thái bền vững hơn. Quá trình này thường đi kèm với việc phát ra các hạt alpha ($\alpha$), beta ($\beta$), và các photon gamma ($\gamma$). Các photon gamma mang năng lượng dư thừa, giúp hạt nhân chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn.
• Sự hủy cặp hạt-phản hạt: Khi một hạt vật chất gặp phản hạt tương ứng của nó, chúng sẽ hủy lẫn nhau và toàn bộ khối lượng của chúng chuyển hóa thành năng lượng. Ví dụ, khi một electron ($e^-$) gặp positron ($e^+$, phản hạt của electron), chúng sẽ hủy nhau và thường tạo ra hai photon gamma có năng lượng bằng nhau di chuyển ngược hướng nhau ($e^- + e^+ \rightarrow 2\gamma$).
• Các quá trình năng lượng cao khác:
  • Phản ứng hạt nhân: Các phản ứng hạt nhân, chẳng hạn như phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao hoặc phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân, cũng tạo ra bức xạ gamma.
  • Hiện tượng thiên văn: Các sự kiện thiên văn có năng lượng cực lớn như vụ nổ siêu tân tinh (supernova), sao neutron, lỗ đen, và các tia vũ trụ tương tác với khí quyển Trái Đất cũng là nguồn phát ra tia gamma.
  • Sấm sét Các tia sét trong khí quyển trái đất cũng có thể phát ra các tia gamma.

Ứng dụng của bức xạ gamma

• Y học:
  • Xạ trị: Bức xạ gamma được sử dụng trong xạ trị để tiêu diệt các tế bào ung thư. Các nguồn phóng xạ gamma (ví dụ, Cobalt-60) hoặc máy gia tốc phát tia gamma được sử dụng để chiếu xạ khối u, làm tổn thương DNA của tế bào ung thư và ngăn chúng phân chia.
  • Chẩn đoán hình ảnh: Trong kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT), các đồng vị phóng xạ phát tia gamma được đưa vào cơ thể. Các tia gamma phát ra từ đồng vị này được ghi nhận bởi một máy dò đặc biệt, tạo ra hình ảnh ba chiều về sự phân bố của đồng vị trong cơ thể, giúp chẩn đoán bệnh.
• Công nghiệp:
  • Kiểm tra không phá hủy: Bức xạ gamma được sử dụng để kiểm tra các khuyết tật bên trong vật liệu (ví dụ, mối hàn, vật đúc) mà không làm hỏng chúng.
  • Tiệt trùng: Bức xạ gamma có thể tiêu diệt vi khuẩn, virus và các vi sinh vật khác, do đó nó được sử dụng để tiệt trùng thiết bị y tế, thực phẩm và các sản phẩm khác.
• Nông nghiệp:
  • Gây đột biến: Bức xạ gamma có thể được sử dụng để tạo ra các đột biến gen trong thực vật, giúp tạo ra các giống cây trồng mới có năng suất cao hơn, khả năng chống chịu tốt hơn hoặc các đặc tính mong muốn khác.
  • Bảo quản thực phẩm: Chiếu xạ thực phẩm bằng tia gamma có thể kéo dài thời gian bảo quản bằng cách tiêu diệt vi sinh vật gây hư hỏng.
• Khoa học: Bức xạ gamma được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm:
  • Vật lý hạt nhân: Nghiên cứu về bức xạ gamma giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc của hạt nhân nguyên tử và các lực tương tác bên trong nó.
  • Vật lý thiên văn: Kính thiên văn gamma được sử dụng để quan sát các hiện tượng vũ trụ năng lượng cao, cung cấp thông tin về các quá trình vật lý xảy ra trong vũ trụ.
  • Địa chất Nghiên cứu các đồng vị phóng xạ bằng bức xạ gamma.

Tác hại của bức xạ gamma

• Nguy hiểm cho sức khỏe: Bức xạ gamma, do khả năng ion hóa và đâm xuyên mạnh, có thể gây ra nhiều tổn thương cho cơ thể sống. Tiếp xúc với liều lượng cao có thể gây ra bỏng, hội chứng nhiễm phóng xạ cấp tính, tổn thương các cơ quan nội tạng, và thậm chí tử vong. Ở liều lượng thấp hơn, nó có thể làm tăng nguy cơ ung thư và các bệnh mãn tính khác.
• Biến đổi gen: Bức xạ gamma có thể gây ra đột biến gen trong tế bào sinh dục, dẫn đến các dị tật bẩm sinh ở thế hệ sau.

Bảo vệ khỏi bức xạ gamma

Các biện pháp bảo vệ khỏi bức xạ gamma dựa trên ba nguyên tắc chính:

• Giảm thời gian tiếp xúc: Thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ càng ngắn thì liều lượng hấp thụ càng thấp.
• Tăng khoảng cách: Cường độ bức xạ giảm theo bình phương khoảng cách từ nguồn (định luật nghịch đảo bình phương). Vì vậy, đứng cách xa nguồn phóng xạ sẽ giảm đáng kể liều lượng hấp thụ.
• Sử dụng vật liệu chắn: Các vật liệu có mật độ cao và số nguyên tử lớn, chẳng hạn như chì, bê tông đặc, hoặc nước, có thể hấp thụ hoặc làm suy giảm đáng kể bức xạ gamma. Độ dày của lớp chắn cần thiết phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ và mức độ bảo vệ mong muốn.

Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Bức xạ gamma tương tác với vật chất chủ yếu thông qua ba quá trình:

• Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect): Trong hiệu ứng quang điện, một photon gamma tương tác với một electron ở lớp vỏ nguyên tử (thường là lớp K hoặc L). Photon gamma truyền toàn bộ năng lượng của nó cho electron, làm electron bị bật ra khỏi nguyên tử (quá trình ion hóa). Hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế ở vùng năng lượng photon gamma thấp (dưới vài trăm keV) và hiệu quả của nó tăng mạnh đối với các nguyên tử có số nguyên tử Z cao.
• Tán xạ Compton (Compton scattering): Trong tán xạ Compton, một photon gamma tương tác với một electron tự do hoặc liên kết yếu trong nguyên tử. Photon gamma truyền một phần năng lượng của nó cho electron và bị tán xạ theo một hướng khác. Photon tán xạ có năng lượng thấp hơn (bước sóng dài hơn) so với photon ban đầu. Sự thay đổi bước sóng ($\Delta \lambda$) được xác định bởi công thức: $\Delta \lambda = \frac{h}{m_ec}(1 – \cos\theta)$, trong đó $h$ là hằng số Planck, $m_e$ là khối lượng nghỉ của electron, $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không, và $\theta$ là góc tán xạ (góc giữa hướng chuyển động của photon tới và photon tán xạ). Tán xạ Compton là quá trình tương tác chủ yếu ở vùng năng lượng photon gamma trung bình (từ vài trăm keV đến vài MeV).
• Sự tạo cặp (Pair production): Khi một photon gamma có năng lượng đủ lớn (ít nhất là $1.022 \, \text{MeV}$, tương đương với tổng năng lượng nghỉ của một electron và một positron) đi qua gần hạt nhân nguyên tử, nó có thể biến mất và tạo ra một cặp electron-positron ($e^-$ và $e^+$). Phần năng lượng dư của photon gamma (vượt quá $1.022 \, \text{MeV}$) sẽ chuyển thành động năng của electron và positron. Sự tạo cặp trở nên quan trọng ở năng lượng photon gamma cao (vài MeV trở lên).

Đo lường bức xạ gamma

Bức xạ gamma được đo bằng các thiết bị phát hiện bức xạ, chẳng hạn như:

• Máy đếm Geiger-Müller: Máy đếm Geiger-Müller là một thiết bị đơn giản và phổ biến để phát hiện bức xạ ion hóa, bao gồm cả bức xạ gamma. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc ion hóa khí trong một ống kín khi có bức xạ đi qua.
• Máy đếm nhấp nháy (Scintillation counter): Máy đếm nhấp nháy sử dụng một vật liệu nhấp nháy (ví dụ, tinh thể NaI(Tl)) phát ra ánh sáng khi hấp thụ bức xạ gamma. Ánh sáng này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện bởi một ống nhân quang (photomultiplier tube). Máy đếm nhấp nháy có thể đo cả cường độ và năng lượng của bức xạ gamma.
• Buồng ion hóa (Ionization chamber): Buồng ion hóa đo lượng ion hóa mà bức xạ gamma tạo ra trong một thể tích khí xác định. Nó thường được sử dụng để đo liều lượng bức xạ.
• Đầu dò bán dẫn (thường làm bằng vật liệu Germanium)

Sự khác biệt giữa tia X và tia gamma

Mặc dù cả tia X và tia gamma đều là bức xạ điện từ có năng lượng cao và có nhiều điểm chung, chúng khác nhau về nguồn gốc:

• Tia X: Được tạo ra từ các quá trình liên quan đến electron ở lớp vỏ nguyên tử, chẳng hạn như khi electron chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn, hoặc khi electron bị hãm lại khi di chuyển gần hạt nhân (bức xạ hãm – bremsstrahlung).
• Tia gamma: Được tạo ra từ các quá trình biến đổi trong hạt nhân nguyên tử, chẳng hạn như phân rã phóng xạ, phản ứng hạt nhân, hoặc hủy cặp hạt-phản hạt.

Do nguồn gốc khác nhau, tia gamma thường có năng lượng cao hơn tia X. Tuy nhiên, có một vùng năng lượng chồng lấn giữa tia X năng lượng cao và tia gamma năng lượng thấp. Trong thực tế, ranh giới giữa tia X và tia gamma thường được quy ước dựa trên năng lượng (ví dụ, photon có năng lượng trên $100 \, \text{keV}$ thường được coi là tia gamma), nhưng quan trọng hơn vẫn là phân biệt dựa trên nguồn gốc phát xạ.

Bức xạ gamma trong thiên văn học

Bức xạ gamma từ vũ trụ mang thông tin về các thiên thể và các quá trình vật lý có năng lượng cực cao, chẳng hạn như:

• Vụ nổ siêu tân tinh (Supernovae): Các vụ nổ đánh dấu sự kết thúc của các ngôi sao khối lượng lớn, giải phóng năng lượng khổng lồ và tạo ra bức xạ gamma.
• Sao neutron và pulsar: Sao neutron là tàn dư của các vụ nổ siêu tân tinh, có từ trường cực mạnh và thường quay rất nhanh (pulsar). Chúng phát ra bức xạ gamma theo các chùm hẹp.
• Lỗ đen: Lỗ đen, với lực hấp dẫn cực mạnh, có thể hút vật chất xung quanh vào một đĩa bồi tụ. Vật chất trong đĩa bồi tụ bị nung nóng đến nhiệt độ rất cao và phát ra bức xạ gamma.
• Các tia gamma vũ trụ (Gamma-ray bursts – GRBs): Các chớp gamma là những sự kiện phát ra tia gamma ngắn và cực mạnh, có nguồn gốc từ các vụ nổ vũ trụ xa xôi.

Các kính thiên văn gamma, được đặt trên các vệ tinh ngoài khí quyển Trái Đất (vì khí quyển hấp thụ phần lớn bức xạ gamma), được sử dụng để quan sát và nghiên cứu các nguồn phát tia gamma trong vũ trụ.

• Lilley, John. Nuclear Physics: Principles and Applications. John Wiley & Sons, 2001.
• Krane, Kenneth S. Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons, 1988.
• Turner, James E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection. Wiley-VCH, 2007.
• Podgorsak, Ervin B. Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students. International Atomic Energy Agency, 2005.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Tại sao bức xạ gamma nguy hiểm hơn tia X, mặc dù cả hai đều là bức xạ điện từ?

Trả lời: Mặc dù cả tia X và tia gamma đều là bức xạ điện từ, tia gamma có năng lượng cao hơn đáng kể so với tia X. Năng lượng cao hơn này đồng nghĩa với tần số cao hơn và bước sóng ngắn hơn. Kết quả là, tia gamma có khả năng xuyên thấu và ion hóa mạnh hơn nhiều so với tia X, gây ra tổn thương lớn hơn cho các mô sinh học. Tia gamma có thể đi xuyên qua xương và răng, trong khi tia X, mặc dù có thể xuyên qua mô mềm, phần lớn bị xương hấp thụ. Năng lượng ion hóa cao của tia gamma có thể làm hỏng DNA và các phân tử sinh học khác, dẫn đến đột biến, ung thư và các vấn đề sức khỏe khác.

Câu 2: Làm thế nào để che chắn bức xạ gamma một cách hiệu quả?

Trả lời: Che chắn bức xạ gamma hiệu quả đòi hỏi vật liệu có mật độ cao và số nguyên tử lớn. Chì, bê tông, và nước là những vật liệu chắn phổ biến. Độ dày của vật liệu chắn cần thiết phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mức độ giảm mong muốn. Chì, với mật độ cao và số nguyên tử lớn, là vật liệu che chắn hiệu quả cho tia gamma năng lượng cao. Bê tông, mặc dù ít hiệu quả hơn chì, lại rẻ hơn và dễ sử dụng hơn cho các ứng dụng quy mô lớn. Nước cũng có thể được sử dụng để che chắn, đặc biệt là trong các nhà máy điện hạt nhân.

Câu 3: Ngoài phân rã phóng xạ, còn có những nguồn nào khác tạo ra bức xạ gamma?

Trả lời: Bên cạnh phân rã phóng xạ, bức xạ gamma còn được tạo ra bởi nhiều quá trình khác, bao gồm sự hủy cặp vật chất-phản vật chất (ví dụ như electron và positron), các phản ứng hạt nhân (như phản ứng tổng hợp hạt nhân), và một số hiện tượng thiên văn năng lượng cao như vụ nổ tia gamma (GRB) và hoạt động của pulsar. Tia gamma cũng có thể được tạo ra bởi các quá trình trên mặt đất, chẳng hạn như tia gamma trên mặt đất (TGF) liên quan đến sấm sét.

Câu 4: Công thức $\Delta \lambda = \frac{h}{m_ec}(1 – \cos\theta)$ mô tả điều gì trong tán xạ Compton?

Trả lời: Công thức này mô tả sự thay đổi bước sóng ($\Delta \lambda$) của photon gamma sau khi tán xạ Compton. Trong đó, $h$ là hằng số Planck, $m_e$ là khối lượng nghỉ của electron, $c$ là tốc độ ánh sáng, và $\theta$ là góc tán xạ giữa hướng photon tới và hướng photon tán xạ. Công thức này cho thấy sự thay đổi bước sóng phụ thuộc vào góc tán xạ; sự thay đổi bước sóng lớn nhất xảy ra khi $\theta = 180^\circ$ (tán xạ ngược).

Câu 5: Bức xạ gamma được sử dụng như thế nào trong lĩnh vực y tế?

Trả lời: Trong y tế, bức xạ gamma có hai ứng dụng chính: chẩn đoán hình ảnh và xạ trị. Trong chẩn đoán hình ảnh, một lượng nhỏ chất phóng xạ phát tia gamma được đưa vào cơ thể bệnh nhân. Một máy quét đặc biệt, ví dụ như máy SPECT, phát hiện tia gamma phát ra để tạo ra hình ảnh của các cơ quan nội tạng. Trong xạ trị, chùm tia gamma năng lượng cao được hướng vào khối u để tiêu diệt các tế bào ung thư. Tia gamma có thể được tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính hoặc nguồn phóng xạ cobalt-60.