Hạt beta (Beta particle)

Phân rã Beta trừ (β⁻)

Trong phân rã β⁻, một neutron trong hạt nhân bị biến đổi thành một proton, một electron và một phản neutrino điện tử ($\bar{\nu}_e$):

$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$

Electron được phát ra từ hạt nhân chính là hạt beta trừ (β⁻). Phản neutrino điện tử là một hạt cơ bản gần như không có khối lượng và không mang điện tích. Quá trình này làm tăng số hiệu nguyên tử của hạt nhân lên 1 đơn vị, trong khi khối lượng nguyên tử gần như không đổi. Sự chênh lệch khối lượng giữa neutron ban đầu và tổng khối lượng của proton và electron được chuyển đổi thành động năng của electron và phản neutrino. Do năng lượng được chia sẻ giữa electron và phản neutrino một cách ngẫu nhiên, nên phổ năng lượng của hạt beta trừ là liên tục, trải dài từ 0 đến một giá trị cực đại đặc trưng cho mỗi đồng vị phóng xạ.

Ví dụ về phân rã Beta trừ (β⁻)

$^{14}_6C \rightarrow ^{14}_7N + e^- + \bar{\nu}_e$

Carbon-14 phân rã thành Nitrogen-14, phát ra một hạt beta trừ và một phản neutrino điện tử.

Phân rã Beta cộng (β⁺)

Trong phân rã β⁺, một proton trong hạt nhân bị biến đổi thành một neutron, một positron và một neutrino điện tử ($\nu_e$):

$p \rightarrow n + e^+ + \nu_e$

Positron được phát ra từ hạt nhân chính là hạt beta cộng (β⁺). Positron là phản hạt của electron, có cùng khối lượng nhưng mang điện tích dương. Neutrino điện tử cũng là một hạt cơ bản gần như không có khối lượng và không mang điện tích. Quá trình này làm giảm số hiệu nguyên tử của hạt nhân xuống 1 đơn vị, trong khi khối lượng nguyên tử gần như không đổi. Để phân rã β⁺ xảy ra, hạt nhân mẹ phải có khối lượng lớn hơn hạt nhân con ít nhất hai lần khối lượng electron. Sự chênh lệch khối lượng này được chuyển đổi thành động năng của positron và neutrino. Tương tự như phân rã β⁻, phổ năng lượng của hạt beta cộng cũng là liên tục.

Ví dụ về phân rã Beta cộng (β⁺)

$^{11}_6C \rightarrow ^{11}_5B + e^+ + \nu_e$

Carbon-11 phân rã thành Boron-11, phát ra một hạt beta cộng và một neutrino điện tử.

Đặc điểm của hạt beta

• Khối lượng: Khối lượng của hạt beta rất nhỏ, xấp xỉ bằng khối lượng của electron (khoảng 9.109 x 10⁻³¹ kg).
• Điện tích: Hạt beta trừ mang điện tích âm (-1), trong khi hạt beta cộng mang điện tích dương (+1).
• Tốc độ: Hạt beta có tốc độ rất cao, có thể đạt tới 99% tốc độ ánh sáng.
• Khả năng xuyên thấu: Hạt beta có khả năng xuyên thấu vật chất tốt hơn hạt alpha nhưng kém hơn hạt gamma. Chúng có thể xuyên qua vài mm nhôm.
• Tác động ion hóa: Hạt beta có khả năng ion hóa vật chất khi đi qua, nghĩa là chúng có thể làm bật electron ra khỏi nguyên tử, tạo ra các ion.

Ứng dụng

Hạt beta có nhiều ứng dụng trong y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học, ví dụ như:

• Xạ trị: Sử dụng hạt beta để tiêu diệt tế bào ung thư. Liệu pháp xạ trị bằng hạt beta thường được sử dụng để điều trị các khối u nông trên da hoặc mắt.
• Đo độ dày: Sử dụng hạt beta để đo độ dày của các vật liệu mỏng. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự suy giảm cường độ của chùm tia beta khi đi qua vật liệu.
• Truy tìm dấu vết: Sử dụng hạt beta trong nghiên cứu khảo cổ học và địa chất. Đồng vị phóng xạ phát beta được sử dụng làm chất đánh dấu để theo dõi sự di chuyển của các chất trong môi trường.

Tương tác của hạt beta với vật chất

Khi hạt beta đi qua vật chất, chúng tương tác với các electron và hạt nhân của nguyên tử, dẫn đến các hiệu ứng sau:

• Ion hóa: Hạt beta có thể đẩy electron ra khỏi nguyên tử, tạo ra các ion. Đây là cơ chế chính gây ra thiệt hại sinh học do bức xạ beta.
• Kích thích: Hạt beta có thể truyền năng lượng cho electron trong nguyên tử, làm chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Khi electron trở lại mức năng lượng ban đầu, chúng phát ra photon.
• Phát xạ Bremsstrahlung: Khi hạt beta bị lệch hướng bởi trường điện của hạt nhân, chúng phát ra bức xạ điện từ gọi là bức xạ hãm (Bremsstrahlung). Hiệu ứng này càng mạnh khi số hiệu nguyên tử của vật liệu càng cao.

Lá chắn chống bức xạ Beta

Do hạt beta có khả năng xuyên thấu vừa phải, việc che chắn chúng thường sử dụng các vật liệu có số hiệu nguyên tử thấp như nhựa hoặc plexiglas để giảm thiểu việc phát sinh bức xạ Bremsstrahlung. Tuy nhiên, đối với các nguồn beta năng lượng cao, một lớp vật liệu dày hơn với số hiệu nguyên tử cao hơn (như chì) có thể được thêm vào sau lớp chắn bằng nhựa để hấp thụ bức xạ Bremsstrahlung. Cần lưu ý rằng việc sử dụng vật liệu chắn có số hiệu nguyên tử cao có thể làm tăng lượng bức xạ Bremsstrahlung, vì vậy cần phải lựa chọn vật liệu chắn phù hợp.

Sự khác biệt giữa hạt beta và electron quỹ đạo

Mặc dù hạt beta là electron (hoặc positron), nhưng chúng khác với electron quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử. Sự khác biệt chính nằm ở nguồn gốc của chúng: hạt beta được tạo ra từ hạt nhân, trong khi electron quỹ đạo tồn tại xung quanh hạt nhân. Hạt beta cũng thường có năng lượng cao hơn nhiều so với electron quỹ đạo.

Vai trò của phân rã beta trong tự nhiên

Phân rã beta đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình tự nhiên, bao gồm:

• Phân rã phóng xạ tự nhiên: Nhiều đồng vị phóng xạ tự nhiên phân rã beta.
• Chu trình carbon-nitrogen-oxygen (CNO) trong các ngôi sao: Phân rã beta tham gia vào chuỗi phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao.
• Sự hình thành các nguyên tố nặng: Phân rã beta đóng góp vào quá trình tổng hợp các nguyên tố nặng hơn trong vũ trụ.

• Krane, K. S. (1988). Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons.
• Lilley, J. S. (2001). Nuclear Physics: Principles and Applications. John Wiley & Sons.
• Shultis, J. K., & Faw, R. E. (2002). Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. CRC Press.
• https://www.nrc.gov/about-nrc/radiation/health-effects/radiation-basics.html (U.S. Nuclear Regulatory Commission)

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt về năng lượng của hạt beta phát ra từ các đồng vị phóng xạ khác nhau được giải thích như thế nào?

Trả lời: Năng lượng của hạt beta phát ra phụ thuộc vào sự khác biệt năng lượng giữa hạt nhân mẹ và hạt nhân con. Mỗi đồng vị phóng xạ có một sự khác biệt năng lượng riêng, dẫn đến phổ năng lượng beta đặc trưng. Phổ năng lượng beta là liên tục, nghĩa là hạt beta có thể được phát ra với bất kỳ năng lượng nào từ 0 cho đến một giá trị tối đa (E_max) xác định bởi sự chênh lệch năng lượng giữa trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hạt nhân.

Tại sao phổ năng lượng của hạt beta là liên tục, trong khi phổ năng lượng của hạt alpha là rời rạc?

Trả lời: Sự khác biệt này xuất phát từ việc phân rã alpha chỉ liên quan đến hai hạt (hạt nhân con và hạt alpha), trong khi phân rã beta liên quan đến ba hạt (hạt nhân con, hạt beta và (phản) neutrino). Trong phân rã beta, năng lượng được chia sẻ giữa hạt beta và (phản) neutrino, dẫn đến phổ năng lượng beta liên tục. Trong phân rã alpha, toàn bộ năng lượng phân rã được mang bởi hạt alpha, dẫn đến phổ năng lượng rời rạc.

Làm thế nào để xác định hoạt độ của một nguồn phóng xạ beta?

Trả lời: Hoạt độ của một nguồn phóng xạ beta, được đo bằng Becquerel (Bq) hoặc Curie (Ci), có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm: đếm tỷ lệ hạt beta bằng máy đếm Geiger-Müller, máy đếm tỷ lệ, hoặc máy đo phổ gamma (nếu phân rã beta đi kèm với phát xạ gamma).

Bức xạ Cherenkov là gì và nó liên quan như thế nào đến hạt beta?

Trả lời: Bức xạ Cherenkov là bức xạ điện từ phát ra khi một hạt mang điện, chẳng hạn như hạt beta, di chuyển trong một môi trường điện môi với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường đó. Hiện tượng này tương tự như sóng xung kích tạo ra bởi máy bay siêu thanh. Bức xạ Cherenkov thường có màu xanh lam.

Ngoài y học và công nghiệp, phân rã beta còn có ứng dụng nào khác trong nghiên cứu khoa học?

Trả lời: Phân rã beta được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học, bao gồm: vật lý hạt nhân (nghiên cứu cấu trúc và tính chất của hạt nhân), vật lý thiên văn (nghiên cứu các quá trình trong sao), địa hóa học (xác định niên đại đá và khoáng vật), và nghiên cứu môi trường (theo dõi sự di chuyển của các chất ô nhiễm).