Gamma
Gamma rays
Tia gamma có bước sóng thấp nhất (<10−12 m) và tần số cao nhất (1020 - 1024 Hz) trong số các sóng điện từ vì vậy nó mang nhiều năng lượng nhất so với sóng radio, vi sóng, tia hồng ngoại, ánh sáng, tia cực tím, tia X.
Tia gamma , còn được gọi là bức xạ gamma (ký hiệu γ
), là một dạng bức xạ điện từ xuyên thấu phát sinh từ sự phân rã phóng xạ của hạt nhân nguyên tử . Nó bao gồm các sóng điện từ có bước sóng ngắn nhất , thường ngắn hơn các sóng của tia X. Với tần số trên 30 exahertz (3 × 10 19 Hz ) và bước sóng nhỏ hơn 10 picomet (1 × 10 −11 m ), các photon tia gamma có năng lượng photon cao nhất trong mọi dạng bức xạ điện từ. Paul Villard , một nhà hóa học và vật lý người Pháp , đã phát hiện ra bức xạ gamma vào năm 1900 khi đang nghiên cứu bức xạ phát ra từ radium . Năm 1903, Ernest Rutherford đặt tên cho bức xạ này là tia gamma dựa trên khả năng xuyên thấu vật chất tương đối mạnh của chúng ; năm 1900, ông đã đặt tên cho hai loại bức xạ phân rã ít xuyên thấu hơn (do Henri Becquerel phát hiện ra ) là tia alpha và tia beta theo thứ tự tăng dần của khả năng xuyên thấu.
Tia gamma là bức xạ ion hóa và do đó gây nguy hiểm cho sự sống. Chúng có thể gây đột biến DNA , ung thư và khối u , và ở liều cao gây bỏng và bệnh do bức xạ . Do sức xuyên thấu cao, chúng có thể gây tổn thương tủy xương và các cơ quan nội tạng. Không giống như tia alpha và tia beta, chúng dễ dàng đi qua cơ thể và do đó đặt ra thách thức bảo vệ bức xạ đáng gờm , đòi hỏi phải che chắn bằng vật liệu dày đặc như chì hoặc bê tông. Trên Trái đất , từ quyển bảo vệ sự sống khỏi hầu hết các loại bức xạ vũ trụ gây chết người khác ngoài tia gamma.
=====================
Trong khi đó, lĩnh vực phóng xạ (nghiên cứu về cách thức hạt nhân phân
rã) có liên quan cũng đang được các nhà khoa học phát triển. Bất kỳ
nguyên tử đã biết nào cũng có thể cho hoặc nhận electron, nhưng những
ngôi sao sáng như Marie Curie và Ernest Rutherford đã nhận ra rằng một số
nguyên tố hiếm cũng thay đổi hạt nhân của chúng bằng cách bắn ra các
mảnh nguyên tử. Đặc biệt hơn, Rutherford đã phân loại và đặt tên các mảnh
này bằng chữ cái Hy Lạp: alpha, beta và gamma. Phân rã gamma là đơn
giản và nguy hiểm nhất vì nó phát ra các tia có năng lượng rất cao – nỗi
kinh hoàng trong những thảm họa hạt nhân ngày nay. Hai loại phóng xạ kia
liên quan đến việc chuyển đổi nguyên tố này thành nguyên tố khác – điều
không ngừng giày vò giới khoa học trong những năm 1920. Nhưng mỗi
nguyên tố phóng xạ lại có cách phân rã đặc trưng, nên bản chất của phân rã
alpha và beta tiếp tục làm khó các nhà khoa học vốn đang ngày càng chán
nản với bản chất của đồng vị. Mô hình Pac-Man đã thất bại, và vài người
liều lĩnh cho rằng cách duy nhất để xử lý các đồng vị đang xuất hiện ngày
một nhiều là loại bỏ bảng tuần hoàn.
Những bộ óc kiệt xuất cùng suy nghĩ và khoảnh khắc “Eureka!” đã đến.
Năm 1932, James Chadwick (một sinh viên khác của Rutherford) đã phát
hiện ra neutron có khối lượng nhưng không mang điện. Cùng với phát kiến
của Moseley về số hiệu nguyên tử, nguyên tử (ít nhất là các nguyên tử đơn
lẻ) đột nhiên trở nên dễ hiểu. Sự tồn tại của neutron giúp Pb-204 và Pb-206
đều là chì, vẫn cùng điện tích dương trong hạt nhân và ở cùng ô trên bảng
tuần hoàn dù khác nguyên tử khối. Bản chất của phóng xạ cũng sáng tỏ.
Phân rã beta được hiểu là sự chuyển đổi neutron thành proton (hoặc ngược
lại); và do số proton thay đổi nên phân rã beta đã chuyển đổi nguyên tử của
nguyên tố này thành nguyên tử của nguyên tố khác. Phân rã alpha cũng vậy
và là sự thay đổi mạnh mẽ nhất ở cấp hạt nhân: hai neutron và hai proton
bị tách bỏ.
Trong vài năm sau đó, neutron không còn là một công cụ lý thuyết đơn
thuần. Một mặt, nó là cách tuyệt vời để thăm dò các thành phần của nguyên
tử, do các nhà khoa học có thể bắn chùm neutron vào nguyên tử mà không
sợ lực điện ảnh hưởng đến nó giống như các hạt tích điện. Neutron cũng
giúp giới khoa học tạo ra một loại phóng xạ mới. Các nguyên tố (đặc biệt
là các nguyên tố nhẹ) luôn cố gắng duy trì tỷ lệ neutron-proton là 1/1. Nếu
một nguyên tử có quá nhiều neutron, nó sẽ tự giải phóng lượng neutron dư
thừa (kèm theo năng lượng) ra ngoài. Các nguyên tử gần đó hấp thụ những
neutron này sẽ trở nên kém bền và phát ra nhiều neutron hơn nữa, hình
thành phản ứng dây chuyền. Nhà vật lý Leo Szilard đã nảy ra ý tưởng về
phản ứng hạt nhân dây chuyền vào khoảng năm 1933 khi đang dừng đèn đỏ
tại London vào một buổi sáng. Năm 1934, ông đăng ký bằng sáng chế và đã
cố gắng (nhưng bất thành) dùng một số nguyên tố nhẹ để tạo ra phản ứng
dây chuyền từ năm 1936.
Quá trình này bắt đầu vào năm 1946 khi Seaborg, Ghiorso và các nhà khoa
học khác bắn phá plutoni (nguyên tố thứ 94) không bền bằng phóng xạ.
Thay vì chùm neutron, lần này họ đã dùng hạt alpha (gồm hai proton và hai
neutron). Là hạt tích điện bị các hạt mang điện trái dấu hút đi (giống như
con thỏ sẽ chạy theo củ cà rốt ngay trước mắt nó vậy), hạt alpha gia tốc dễ
dàng hơn neutron không mang điện. Thêm vào đó, khi hạt alpha bị hạt nhân
plutoni hấp thụ, nhóm Berkeley đã có hai nguyên tố mới cùng lúc: nguyên
tố thứ 96 và nguyên tố thứ 95 (do nguyên tố thứ 96 phân rã mà thành sau
khi giải phóng ra một proton).
Quá trình này bắt đầu vào năm 1946 khi Seaborg, Ghiorso và các nhà khoa
học khác bắn phá plutoni (nguyên tố thứ 94) không bền bằng phóng xạ.
Thay vì chùm neutron, lần này họ đã dùng hạt alpha (gồm hai proton và hai
neutron). Là hạt tích điện bị các hạt mang điện trái dấu hút đi (giống như
con thỏ sẽ chạy theo củ cà rốt ngay trước mắt nó vậy), hạt alpha gia tốc dễ
dàng hơn neutron không mang điện. Thêm vào đó, khi hạt alpha bị hạt nhân
plutoni hấp thụ, nhóm Berkeley đã có hai nguyên tố mới cùng lúc: nguyên
tố thứ 96 và nguyên tố thứ 95 (do nguyên tố thứ 96 phân rã mà thành sau
khi giải phóng ra một proton).
Do các nguyên tố có lượng proton càng lớn thì càng kém bền nên việc tạo
ra các mẫu đủ lớn để bắn phá bằng hạt alpha đã gặp nhiều khó khăn. Nếu
muốn thu được nguyên tố thứ 101, cần bắn phá plutoni trong ba năm liên
tục mới có đủ einsteini (nguyên tố thứ 99) để làm nguyên liệu cho hạt alpha
bắn phá. Và đó mới chỉ là quân domino đầu tiên. Trong mỗi nỗ lực tạo ra
nguyên tố thứ 101, các nhà khoa học đã thoa những lớp einsteini cực mỏng
lên lá vàng và bắn phá bằng hạt alpha. Sau khi bắn phá, lá vàng nhiễm xạ
cần được hòa tan để tránh phóng xạ tàn dư gây nhiễu cho quá trình tìm
nguyên tố mới. Với những nguyên tố mới trước nguyên tố thứ 101, họ sẽ
đổ mẫu thí nghiệm vào các ống nghiệm để xem nó phản ứng với chất nào
(tìm ra tính chất hóa học tương tự với các nguyên tố đã biết trên bảng tuần
hoàn). Nhưng cách này không áp dụng được với nguyên tố thứ 101 vì
không có đủ lượng mẫu. Do đó, nhóm phải xác định nó “từ cõi chết”: xem
xét những gì còn lại sau khi mỗi nguyên tử phân rã, giống như phục hồi
nguyên trạng một chiếc xe đã phát nổ từ những mảnh vỡ vậy.
Ở Dubna, Flyorov đã sáng suốt tập trung vào nghiên cứu khoa học đặc thù
với những chủ đề khó hiểu với người ngoại đạo và không gây khó chịu cho
các nhà tư tưởng có suy nghĩ hẹp hòi. Đến thập niên 1960, nhờ phòng thí
nghiệm Berkeley, việc tìm kiếm nguyên tố mới đã hoàn toàn lột xác. Trước
đây, giới khoa học phải tự tay đào và xử lý quặng để xem trong đó có
nguyên tố mới nào “tồn tại” hay không (chúng sẽ xuất hiện trên máy dò
phóng xạ được nối với máy tính hoặc chuông báo cháy). Ngay cả việc bắn
hạt alpha vào nguyên tố nặng để tạo ra nguyên tố mới cũng không còn thiết
thực nữa, vì các nguyên tố nặng không tồn tại đủ lâu để làm bia bắn.
Thay vào đó, giới khoa học nghiên cứu sâu hơn và cố gắng hợp hạch các
nguyên tố nhẹ hơn với nhau. Về lý thuyết, các dự án này chỉ đơn thuần là
số học. Bạn có thể hợp hạch magie (12) với thori (90) hoặc vanadi (23) với
vàng (79) để tạo ra nguyên tố thứ 102. Nhưng chỉ có vài phản ứng kiểu này
thực sự hiệu quả, nên các nhà khoa học phải đầu tư rất nhiều thời gian tính
toán để xác định cặp nguyên tố đáng để đầu tư tài chính và công sức.
Flyorov cùng đồng nghiệp miệt mài nghiên cứu và sao chép các kỹ thuật
Đoạn kết câu chuyện về hướng đạo sinh yêu thích chất phóng xạ này thật
đáng buồn. Sau khi giải ngũ, David trở về quê và lang thang khắp nơi. Vài
năm sau đó, vào năm 2007, cảnh sát đã bắt gặp anh can thiệp vào (thực tế là
ăn cắp) cảm biến khói tại tòa chung cư mình đang ở. Chiếu theo tiền sự của
David thì đây là một hành vi phạm tội nghiêm trọng, vì cảm biến khói hoạt
động nhờ nguyên tố phóng xạ americi. Americi là một nguồn hạt alpha dồi
dào, có thể tạo ra dòng điện bên trong cảm biến khói. Khi khói hấp thụ các
hạt alpha, dòng điện sẽ bị gián đoạn và kích hoạt chuông báo động. David
đã dùng americi để chế tạo súng bắn neutron thô sơ của mình (vì hạt alpha
có thể đánh bật neutron khỏi nguyên tử của một số nguyên tố nhất định).
Khi còn là hướng đạo sinh, anh từng bị bắt vì đánh cắp cảm biến khói tại
một trại hè và bị đuổi khỏi đó.
4.1. Nguyên lý cảm biến khói Ion hóa
Cảm biến thông báo khói ion hoá hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng đồng vị phóng xạ để tạo ra ion hoá trong không khí. Khi buồng ion hoá có sự xuất hiện của phần tử khói thì điện áp ở các cực điện li sẽ giảm. Cùng với đó, sự suy giảm dòng điện sẽ được một bên mạch phát hiện và báo động bằng cách sáng đèn LED, sau đó gửi tín hiệu đến trung tâm báo cháy.
4.2. Nguyên lý cảm biến khói quang
Nguyên lý cảm biến khói quang điện là khi phát hiện có khói chui vào buồng ion thì sẽ diễn ra sự thay đổi quang học. Sau đó, dẫn đến thay đổi điện áp trên cảm biến và cảm biến sẽ báo động bằng đèn và còi báo khói.
