Phân rã phóng xạ (Radioactive decay)

Nguyên nhân

Phân rã phóng xạ xảy ra do sự mất cân bằng giữa các lực hạt nhân mạnh và lực điện từ bên trong hạt nhân. Lực hạt nhân mạnh giữ các nucleon (proton và neutron) lại với nhau, trong khi lực điện từ gây ra sự đẩy giữa các proton. Khi số proton trong hạt nhân lớn (đặc biệt là đối với các nguyên tố nặng), lực đẩy điện từ có thể vượt qua lực hạt nhân mạnh, làm cho hạt nhân không ổn định và dễ phân rã. Cụ thể hơn, khi tỷ lệ giữa số neutron và số proton nằm ngoài vùng ổn định (thường được biểu diễn trên biểu đồ N/Z), hạt nhân có xu hướng phân rã để đạt được cấu hình ổn định hơn. Sự mất cân bằng này có thể được giải thích bằng mô hình lớp vỏ hạt nhân, tương tự như mô hình lớp vỏ electron trong nguyên tử. Các hạt nhân có số proton hoặc neutron lấp đầy các lớp vỏ nhất định sẽ ổn định hơn.

Các loại phân rã phóng xạ

Có nhiều loại phân rã phóng xạ khác nhau, một số loại phổ biến bao gồm:

• Phân rã alpha (α): Hạt nhân phát ra một hạt alpha, là hạt nhân của nguyên tố helium ($^4_2He$). Kết quả là số khối của hạt nhân giảm đi 4 và số hiệu nguyên tử giảm đi 2.
  • Ví dụ: $^{238}_{92}U \rightarrow ^{234}_{90}Th + ^4_2He$
• Phân rã beta trừ (β⁻): Một neutron trong hạt nhân biến đổi thành một proton, một electron (hạt beta) và một phản neutrino. Số khối không đổi, nhưng số hiệu nguyên tử tăng thêm 1.
  • Ví dụ: $^{14}_6C \rightarrow ^{14}_7N + e^- + \bar{\nu}_e$
• Phân rã beta cộng (β⁺): Một proton trong hạt nhân biến đổi thành một neutron, một positron (phản hạt của electron) và một neutrino. Số khối không đổi, nhưng số hiệu nguyên tử giảm đi 1.
  • Ví dụ: $^{11}_6C \rightarrow ^{11}_5B + e^+ + \nu_e$
• Bắt giữ electron: Một proton trong hạt nhân bắt giữ một electron từ lớp vỏ electron, biến đổi thành một neutron và một neutrino. Số khối không đổi, nhưng số hiệu nguyên tử giảm đi 1.
  • Ví dụ: $^{55}_{26}Fe + e^- \rightarrow ^{55}_{25}Mn + \nu_e$
• Phân rã gamma (γ): Hạt nhân phát ra bức xạ gamma, là bức xạ điện từ năng lượng cao. Quá trình này không làm thay đổi số khối hay số hiệu nguyên tử, mà chỉ làm hạt nhân chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn. Phân rã gamma thường xảy ra sau một phân rã alpha hoặc beta, khi hạt nhân con được tạo ra ở trạng thái kích thích.

Chu kỳ bán rã

Chu kỳ bán rã ($T_{1/2}$) là thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân phóng xạ trong một mẫu phân rã. Đây là một đại lượng đặc trưng cho từng đồng vị phóng xạ. Công thức tính số hạt nhân còn lại sau thời gian $t$ là:

$N(t) = N0 (\frac{1}{2})^{\frac{t}{T{1/2}}}$

Trong đó:

• $N(t)$ là số hạt nhân còn lại sau thời gian $t$.
• $N_0$ là số hạt nhân ban đầu.
• $T_{1/2}$ là chu kỳ bán rã.

Ứng dụng

Phân rã phóng xạ có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, bao gồm:

• Y học: Xạ trị ung thư, chẩn đoán hình ảnh y học hạt nhân (ví dụ: PET, SPECT).
• Khảo cổ học: Định tuổi các cổ vật bằng phương pháp carbon-14.
• Công nghiệp: Đo độ dày vật liệu, kiểm tra chất lượng sản phẩm.
• Năng lượng hạt nhân: Sản xuất điện năng.
• Nông nghiệp: Tạo giống cây trồng mới, kiểm soát côn trùng.

Nguy cơ

Phóng xạ có thể gây hại cho sức khỏe con người nếu tiếp xúc với liều lượng cao. Tác hại của phóng xạ phụ thuộc vào loại bức xạ, thời gian tiếp xúc và liều lượng. Tiếp xúc với liều lượng phóng xạ cao trong thời gian ngắn có thể gây ra các triệu chứng cấp tính như buồn nôn, nôn mửa, rụng tóc và thậm chí tử vong. Tiếp xúc với liều lượng thấp trong thời gian dài có thể làm tăng nguy cơ mắc ung thư và các vấn đề sức khỏe khác.

Đơn vị đo lường phóng xạ

Có một số đơn vị đo lường phóng xạ khác nhau, phản ánh các khía cạnh khác nhau của quá trình phân rã và tác động của nó lên vật chất:

• Becquerel (Bq): Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ, tương đương với một phân rã mỗi giây. 1 Bq = 1 phân rã/s.
• Curie (Ci): Một đơn vị đo hoạt độ phóng xạ cũ hơn, 1 Ci = 3.7 x 10¹⁰ Bq.
• Gray (Gy): Đơn vị đo liều hấp thụ, lượng năng lượng phóng xạ hấp thụ trên một đơn vị khối lượng vật chất. 1 Gy = 1 J/kg.
• Sievert (Sv): Đơn vị đo liều tương đương, tính đến tác động sinh học khác nhau của các loại bức xạ. Liều tương đương được tính bằng cách nhân liều hấp thụ với hệ số trọng số bức xạ ($W_R$).
• Rad (rad) và Rem (rem): Là các đơn vị cũ tương ứng với Gy và Sv. 1 Gy = 100 rad và 1 Sv = 100 rem.

Chuỗi phân rã phóng xạ

Một số đồng vị phóng xạ phân rã thành các đồng vị khác cũng không ổn định, tạo thành một chuỗi phân rã. Chuỗi này tiếp tục cho đến khi tạo thành một đồng vị bền vững. Ví dụ, uranium-238 phân rã thành thorium-234, sau đó phân rã thành protactinium-234, và cứ tiếp tục cho đến khi đạt đến đồng vị bền vững lead-206.

Ảnh hưởng của phóng xạ lên sức khỏe

Phóng xạ ion hóa có thể gây hại cho các tế bào sống bằng cách ion hóa các nguyên tử và phân tử, dẫn đến sự hình thành các gốc tự do. Những gốc tự do này có thể gây tổn hại DNA, dẫn đến đột biến, ung thư và các vấn đề sức khỏe khác. Mức độ nghiêm trọng của tác hại phụ thuộc vào loại bức xạ, liều lượng và thời gian tiếp xúc.

Các phương pháp phát hiện phóng xạ

Có nhiều phương pháp khác nhau để phát hiện và đo lường phóng xạ, bao gồm:

• Máy đếm Geiger-Müller: Phát hiện bức xạ ion hóa bằng cách đo dòng điện tạo ra khi bức xạ ion hóa khí trong buồng đếm.
• Máy đếm nhấp nháy: Sử dụng chất nhấp nháy để chuyển đổi năng lượng bức xạ thành ánh sáng, sau đó được phát hiện bởi một ống nhân quang điện.
• Buồng ion hóa: Đo dòng điện tạo ra bởi sự ion hóa khí trong buồng.
• Phim đo liều: Một loại phim nhạy cảm với phóng xạ, được sử dụng để đo liều phóng xạ tích lũy.

• Nuclear and Particle Physics, W.S.C. Williams, Oxford University Press.
• Introduction to Nuclear Physics, K.S. Krane, John Wiley & Sons.
• Radiation Detection and Measurement, Glenn F. Knoll, John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa phân rã alpha, beta và gamma là gì?

Trả lời: Cả ba đều là các dạng phân rã phóng xạ, nhưng chúng khác nhau về loại hạt hoặc bức xạ được phát ra:

• Phân rã alpha: Phát ra hạt alpha ($^4_2He$), là hạt nhân helium, gồm 2 proton và 2 neutron. Điều này làm giảm số khối của hạt nhân mẹ đi 4 và số hiệu nguyên tử đi 2.
• Phân rã beta (β⁻ và β⁺): Liên quan đến sự biến đổi của neutron thành proton (β⁻) hoặc proton thành neutron (β⁺). Phân rã β⁻ phát ra electron và phản neutrino, trong khi phân rã β⁺ phát ra positron và neutrino. Số khối không thay đổi, nhưng số hiệu nguyên tử thay đổi 1 đơn vị (tăng 1 trong β⁻ và giảm 1 trong β⁺).
• Phân rã gamma: Phát ra bức xạ điện từ năng lượng cao (photon gamma). Không có sự thay đổi về số khối hay số hiệu nguyên tử, chỉ làm hạt nhân chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn.

Làm thế nào để tính toán lượng chất phóng xạ còn lại sau một khoảng thời gian nhất định?

Trả lời: Sử dụng công thức sau:

$N(t) = N0 (\frac{1}{2})^{\frac{t}{T{1/2}}}$

Trong đó:

• $N(t)$ là số lượng chất phóng xạ còn lại sau thời gian $t$.
• $N_0$ là số lượng chất phóng xạ ban đầu.
• $T_{1/2}$ là chu kỳ bán rã.

Tại sao một số hạt nhân nguyên tử lại không bền vững và trải qua phân rã phóng xạ?

Trả lời: Sự không ổn định của hạt nhân xuất phát từ sự mất cân bằng giữa lực hạt nhân mạnh (liên kết các nucleon) và lực điện từ (đẩy giữa các proton). Trong các hạt nhân lớn, lực đẩy giữa các proton có thể vượt qua lực hạt nhân mạnh, dẫn đến sự phân rã phóng xạ để đạt được cấu hình ổn định hơn.

Ngoài y học và khảo cổ học, phân rã phóng xạ còn được ứng dụng trong lĩnh vực nào khác?

Trả lời: Phân rã phóng xạ còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm:

• Sản xuất năng lượng: Trong các nhà máy điện hạt nhân.
• Công nghiệp: Đo độ dày vật liệu, kiểm tra chất lượng sản phẩm, thăm dò dầu khí.
• Nông nghiệp: Tạo ra các giống cây trồng mới, kiểm soát côn trùng.
• Khoa học môi trường: Theo dõi ô nhiễm, nghiên cứu khí hậu.

Các biện pháp an toàn nào cần được thực hiện khi làm việc với vật liệu phóng xạ?

Trả lời: Một số biện pháp an toàn quan trọng bao gồm:

• Giảm thiểu thời gian tiếp xúc: Thời gian tiếp xúc càng ngắn, liều lượng phóng xạ nhận được càng ít.
• Tăng khoảng cách: Cường độ phóng xạ giảm theo bình phương khoảng cách.
• Sử dụng vật liệu che chắn: Các vật liệu như chì, bê tông có thể hấp thụ bức xạ.
• Theo dõi liều lượng phóng xạ: Sử dụng các thiết bị đo lường để kiểm soát liều lượng phóng xạ mà người lao động tiếp xúc.
• Tuân thủ các quy trình an toàn: Đảm bảo tuân thủ các quy định và hướng dẫn an toàn khi làm việc với vật liệu phóng xạ.