Phân rã phóng xạ là gì?

Nguyên tử được tạo thành từ proton, neutron và electron, trong đó hạt nhân bao gồm proton và neutron được giữ lại với nhau bằng lực hạt nhân. Ở một số đồng vị, các lực này không đủ để duy trì sự ổn định, dẫn đến giải phóng năng lượng hoặc các hạt, trong nỗ lực thiết lập trạng thái ổn định hơn. Chúng ta biết cơ chế này là phân rã phóng xạ.

Các chất hạt nhân phát ra bức xạ dưới nhiều dạng, chẳng hạn như hạt alpha, hạt beta, tia gamma. Các bức xạ như vậy có thể làm thay đổi tỉ lệ proton và neutron trong hạt nhân, biến một nguyên tố này thành nguyên tố khác. Hiểu được cơ chế và ý nghĩa của phân rã phóng xạ là rất quan trọng đối với nhiều lĩnh vực, như y tế, khảo cổ học, năng lượng hạt nhân.

Các loại phân rã phóng xạ

Phân rã phóng xạ có nhiều dạng, tùy thuộc vào cách một hạt nhân không ổn định cố gắng đạt được sự ổn định. Các loại chính là:

● Phân rã alpha: Trong loại này, hạt nhân phát ra hạt alpha, bao gồm hai proton và hai neutron. Ở đây, số nguyên tử giảm đi 2 và số khối giảm đi 4. Một ví dụ điển hình, uranium-238 phân hủy thành thorium-234 và phát ra hạt alpha.

● Phân rã beta: Một neutron trong hạt nhân chuyển đổi thành một proton, phát ra một electron và một antineutrino; hoặc ngược lại, một proton thành một neutron, phát ra một positron và một neutrino. Trong cả hai trường hợp, số nguyên tử thay đổi một, nhưng số khối không đổi.

● Phân rã gamma: Tia gamma là một loại bức xạ điện từ. Quá trình phân rã gamma thường xảy ra sau khi phân rã alpha hoặc beta, khi hạt nhân chuyển từ trạng thái năng lượng cao hơn sang trạng thái năng lượng thấp hơn. Tổng số proton và neutron trong hạt nhân không bị ảnh hưởng.

● Bắt giữ electron: Trong quá trình bắt giữ electron, hạt nhân bắt một electron quay quanh, chuyển đổi một proton thành một neutron. Một neutrino và một tia gamma sau đó được phát ra. Hiện tượng này làm giảm số hiệu nguyên tử đi một mà không ảnh hưởng đến số khối.

● Phân hạch tự phát: Loại này phổ biến ở các nguyên tố rất nặng như uranium-235 hoặc plutonium-239. Hạt nhân bị phân hủy tạo ra hai hoặc nhiều thành phần nhỏ hơn, giải phóng nhiều neutron và năng lượng hơn.

Tính tự phát và tính ngẫu nhiên trong quá trình phân rã

Phân rã phóng xạ xảy ra tự phát, không có tác động bên ngoài hoặc cơ chế khởi tạo. Tính tự phát này là kết quả của tính dễ bay hơi vốn có của một số đồng vị. Phân rã tự phát là cơ chế mà hạt nhân nguyên tử không ổn định chuyển sang trạng thái ổn định hơn mà không có bất kỳ tác động bên ngoài.

Sự thay đổi này được kích hoạt bởi sự không ổn định nội tại của hạt nhân, dẫn đến sự phát ra các hạt hoặc bức xạ điện từ. Phân rã tự phát xảy ra ngẫu nhiên và được xác định bởi chu kỳ bán rã của hạt nhân, là đặc điểm riêng của đồng vị. Chu kỳ bán rã của nguyên tử phóng xạ có phạm vi rất lớn, từ gần như tức thời đến lâu hơn rất nhiều so với tuổi của vũ trụ.

Tính tự phát đảm bảo phân rã xảy ra tự phát và không có tác động bên ngoài, trong khi tính ngẫu nhiên đảm bảo thời gian phân rã là không thể đoán trước đối với từng hạt nhân. Tuy nhiên, với số lượng lớn, các quá trình ngẫu nhiên này tạo ra các mô hình có thể dự đoán được về mặt thống kê, khiến phân rã phóng xạ trở thành “đồng hồ tự nhiên” vừa ngẫu nhiên, vừa đáng tin cậy.

Theo lý thuyết lượng tử, không thể dự đoán khi nào một nguyên tử cụ thể sẽ phân rã, bất kể nguyên tử đó đã tồn tại bao lâu. Các mô hình xác suất là cách tốt nhất để giải thích bản chất ngẫu nhiên của phân rã. Tỷ lệ phân rã là nhất quán bất kể đồng vị nào nhưng có sự dao động giữa các đồng vị.

Ứng dụng của phân rã phóng xạ

Phân rã phóng xạ có nhiều ứng dụng phục vụ các mục đích sử dụng khác nhau trong đời sống:

● Y tế: Các đồng vị phóng xạ như technetium-99m được sử dụng để sàng lọc chẩn đoán trong hình ảnh y tế và liệu pháp điều trị, trong khi iodine-131 và cobalt-60 được dùng để điều trị ung thư.

● Khảo cổ học: Kỹ thuật xác định niên đại bằng carbon phóng xạ, dự đoán tuổi của vật chất hữu cơ thông qua việc theo dõi phân rã của carbon-14. Phương pháp này thay đổi kiến ​​thức của chúng ta về niên đại lịch sử.

● Sản xuất năng lượng: Lò phản ứng hạt nhân sử dụng năng lượng tạo ra trong quá trình phân rã và phân hạch của các đồng vị phóng xạ như uranium-235 và plutonium-239 để sản xuất điện.

● Công nghiệp: Đồng vị phóng xạ sử dụng trong chụp X-quang công nghiệp để kiểm tra độ bền của vật liệu và trong các khảo sát để theo dõi các phản ứng hóa học. Bức xạ beta góp phần tạo nên độ dày đồng đều của các vật liệu như giấy, nhựa, tấm kim loại.

● Nghiên cứu vũ trụ: Nghiên cứu về phân rã phóng xạ giúp các nhà khoa học hiểu được các lực và hạt cơ bản trong vũ trụ.

Các biện pháp an toàn khi xử lý vật liệu phóng xạ

Mặc dù có các ứng dụng có lợi, nhưng phân rã phóng xạ có thể gây ra những rủi ro nghiêm trọng về sức khỏe và sinh thái nếu không được xử lý đúng cách. Bức xạ ion hóa, chẳng hạn như bức xạ alpha, beta, gamma, được giải phóng trong quá trình phân rã phóng xạ, là nguyên nhân chính gây ra các mối nguy hại cho sức khỏe con người và môi trường. Khi xử lý vật liệu phóng xạ, cần phải áp dụng các biện pháp phòng ngừa an toàn nghiêm ngặt.

+ Hạn chế tiếp xúc kéo dài và tăng khoảng cách tiếp xúc với các nguồn bức xạ.

+ Để tránh tiếp xúc các nguồn bức xạ, hãy đeo găng tay, đồ bảo hộ và thiết bị phòng ngừa chuyên dụng.

+ Thiết lập đánh giá bức xạ thường xuyên và hướng dẫn chi tiết cho các nhân viên trước khi xử lý vật liệu phóng xạ.

+ Nên sử dụng các vật liệu có khả năng bảo vệ, chống lại bức xạ, chẳng hạn như chì hoặc bê tông.

+ Áp dụng các phương pháp an toàn xử lý chất thải phóng xạ, bao gồm lưu trữ địa chất sâu cho chất thải nguy hại.

+ Thu hồi các thành phần có thể sử dụng từ nhiên liệu đã qua sử dụng thông qua tái chế. Thực hiện các giải pháp giảm thiểu chất thải và tác động của nó đối với môi trường.

+ Để xác định và giảm ô nhiễm, cần liên tục điều tra mức độ bức xạ trong khu vực ô nhiễm và xung quanh.

Nếu vật liệu phóng xạ được xử lý không đúng cách, môi trường xung quanh có thể bị ô nhiễm. Với các biện pháp phòng ngừa như trên, có thể kiểm soát cơ bản các mối nguy hại do phân rã phóng xạ, bảo vệ cộng đồng và môi trường.