Chúng ta vẫn thường nghe nói về các lĩnh vực thiên văn học tia X và tia gamma, nhưng không nhiều người thực sự hiểu về nền tảng kiến thức cũng như các hoạt động nghiên cứu của ngành này. Trong thực tế, có rất nhiều các vật thể trong vũ trụ phát ra bức xạ tia X và tia gamma cực mạnh và được các kính thiên văn tia X và tia gamma trên mặt đất cũng như các kính thiên văn không gian thu được. Những bức xạ này khi kết hợp với các lĩnh vực thiên văn khác, một mặt cung cấp thêm rất nhiều thông tin có giá trị, mặt khác lại đưa ra nhiều bí ẩn của vũ trụ cần được nghiên cứu và giải thích.

1.1 Giới thiệu

Trong loạt bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu những hiểu biết cơ bản về các phân rã đơn giản, và cách mà tia gamma xuất hiện ở đó, từ đó có thể giúp nhận diện các hạt nhân phóng xạ và đo đạc chính xác số lượng của mỗi đồng vị.

Để làm điều đó, chúng ta cần tìm hiểu một vài khái niệm sơ bộ của nguyên tử cân bằng và phân rã phóng xạ. Bức xạ tia X có thể phát hiện thông qua các thiết bị tương tự và chúng ta cũng sẽ thảo luận về nguồn gốc của tia X trong quá trình phân rã và những kiến thức này sẽ lột tả các quá trình đặc tính.

Chúng ta sẽ tìm hiểu cách mà Bảng tuần hoàn các Nguyên tố hóa học có thể giúp dự đoán và xác nhận danh tính của hạt nhân phóng xạ, hữu ích cho cả số lượng dữ liệu nguyên tử khiêm tốn mà nó chứa đựng cũng như đối với sự dễ dàng cho các thông tin tổng quát, chẳng hạn như kiểu của hạt nhân mà chúng ta kỳ vọng có thể nhìn thấy.

Đầu tiên, chúng ta nhanh chóng nhìn vào nhân nguyên tử và hạt nhân ổn định. Chúng ta sẽ xem xét một hạt nhân đơn giản như là một tập hợp của các hạt không mang điện neutron và các hạn mang điện tích dương proton; cả hai hạt này được gọi là các hạt nucleon.

  • Số lượng các hạt neutron = N
  • Số lượng các hạt proton = Z

Z là số hiệu nguyên tử (atomic number), xác định danh tính một nguyên tố (element). Trong một nguyên tử trung lập, Z cũng sẽ là số lượng của các hạt electron trong các orbital nguyên tử. Một nguyên tố có số Z cố định nhưng thông thường nó sẽ là một tập hợp các nguyên tử với các khối lượng khác nhau, tùy thuộc vào số lượng các hạt neutron hiện diện trong mỗi hạt nhân. Tổng số lượng của các hạt nucleon được gọi là số khối (mass number).

Số khối = N + Z = A

A, Z, N tất cả là những số tự nhiên theo định nghĩa. Trên thực tế, một hạt neutron có khối lượng gần như tương đương với một hạt proton, do đó có một lý giải vật lý thực sự cho cách sử dụng này. Một cách tổng quát, sự kết hợp giữa các hạt nucleon cùng với các electron tương ứng sẽ được gọi là một đồng vị (nuclide). Thường thì một đồng vị có số hiệu nguyên tử Z, số khối A sẽ xác định bởi ký hiệu {dpi{120}_{Z}^{A}\textrm{Sy}}, trong đó Sy là ký hiệu hóa học của nguyên tố. (Định dạng ký hiệu như vậy có nghĩa là cho phép các thông tin vật lý nằm đằng trước ký hiệu nguyên tố, để lại khoảng trống phía sau cho các thông tin hóa học, ví dụ Co2+). Theo đó thì {dpi{120}_{27}^{58}\textrm{Co}} là một đồng vị với 27 proton và 31 neutron. Bởi vì mỗi ký hiệu nguyên tố đã xác định một nguyên tố duy nhất, cho nên người ta thường bỏ qua số hiệu nguyên tử trong ký hiệu một đồng vị, ký hiệu của đồng vị lúc này được viết thành {dpi{120}^{58}\textrm{Co}}. Người ta chỉ viết thêm vào số hiệu nguyên tử khi có một số lý do cụ thể nào đó. Khi điều đó xảy ra, đồng vị cụ thể này là phóng xạ và có thể được gọi là một đồng vị phóng xạ (radionuclide).

Thật không may, trong cái thế giới bên ngoài của vật lý và hóa học bức xạ, thuật ngữ "isotope" cũng trở nên đồng nghĩa với "radionuclide" - một điều thật nguy hiểm và khó chịu. Trong thực tế, "isotope" đơn giản là những nguyên tử của cùng một nguyên tố (ví dụ có cùng Z nhưng khác N) - có thể là phóng xạ hoặc không. Theo đó thì {dpi{120}_{27}^{58}\textrm{Co}}, {dpi{120}_{27}^{59}\textrm{Co}}, và {dpi{120}_{27}^{60}\textrm{Co}} là các đồng vị của nguyên tố Cobalt. Ở đây 27 là số hiệu nguyên tử, và 58, 59, 60 là số hiệu khối lượng (số khối), bằng với tổng số các hạt nucleon. {dpi{120}^{59}\textrm{Co}} ổn định và trên thực tế nó là đồng vị (isotope) ổn định duy nhất của Cobalt.

Quay trở lại với các danh pháp, {dpi{120}^{58}\textrm{Co}} và {dpi{120}^{60}\textrm{Co}} là các đồng vị phóng xạ (radioisotope) bởi chúng không ổn định và phải trải qua phân rã phóng xạ. Số hiệu nguyên tử ở đây thường được bỏ qua khi mà ký hiệu hóa học duy nhất xác định nguyên tố. 

Sẽ là không chính xác nếu nói "đồng vị phóng xạ (radioisotope) {dpi{120}^{60}\textrm{Co}} và {dpi{120}^{239}\textrm{Pu}}..." khi hai nguyên tố này khác nhau và cách gọi này vẫn đang được tranh luận; cách nói chính xác phải là "đồng vị phóng xạ (radionuclide) {dpi{120}^{60}\textrm{Co}} và {dpi{120}^{239}\textrm{Pu}}...".

Nếu tất cả các đồng vị ổn định (stable nuclide) được vẽ như là một hàm của Z (trục y) và N (trục x) thì đồ thị ở Hình 1.1 là kết quả hiển thị. Đồ thị này được gọi là Biểu đồ Segrè.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 1.1: Biểu đồ Segrè. Các đánh dấu trên đồ thị hiển thị đầy đủ các đồng vị ổn định (stable nuclide) đã biết như là một hàm của Z và N. Tại vị trí có số hiệu nguyên tử Z cao là các đồng vị (nuclide) có chu kỳ bán rã lớn như Th và U. Đường viền bên ngoài hiển thị các loại phóng xạ đã biết. Vị trí đánh dấu hình ngôi sao là đồng vị (nuclide) nặng nhất cho đến thời điểm hiện tại (2008), {dpi{120}_{112}^{272}\textrm{?}}, dù rằng sự hiện diện của nó cần phải đợi sự chấp nhận chính thức.

Biểu đồ đồng vị Karlsruhe (Karlsruhe Chart of the Nuclides) cũng có cấu trúc cơ bản tương tự nhưng bổ sung vào tất cả các đồng vị phóng xạ (radionuclide) đã biết. Nguyên tố ổn định nặng nhất là Bismuth (Z = 83, N = 126). Đồ thị cũng hiển thị vị trí của một số đồng vị (nuclide) không ổn định có số hiệu nguyên tử Z cao - Thorium (Z = 90) và Uranium (Z = 92). Lý thuyết đã dự đoán rằng có thể có các đồng vị ổn định (stable nuclide), mặc dù hiện nay (2008) vẫn chưa biết chắc, được gọi là các đồng vị siêu nặng (superheavy nuclide) trên hòn đảo ổn định (island of stability) ở khoảng vị trí có Z = 114, N = 184, ở phía trên vùng hạt nhân đã biết hiện nay.

Phân rã phóng xạ (radioactive decay) là một sự thay đổi tự nhiên bên trong hạt nhân của một nguyên tử, kết quả là sự bức xạ của các hạt hoặc bức xạ điện từ. Các chế độ phân rã phóng xạ chủ yếu bao gồm phân rã alpha và phân rã beta, với phân rã tự nhiên như là một phần nhỏ của các quá trình hiếm hoi. Phân rã phóng xạ dựa trên sự thay đổi khối lượng - khối lượng của sản phẩm hoặc các sản phầm nhỏ hơn khối lượng của đồng vị ban đầu (original nuclide). Sự phân rã luôn phát ra năng lượng; sự thay đổi khối lượng nhỏ hiển thị ở dạng năng lượng trong một lượng xác định bởi phương trình của Einstein:

{dpi{150}\Delta E = \Delta m \times c^2}

Trong đó {dpi{120}\Delta E} có đơn vị là Joules, khối lượng m theo kilograms và tốc độ ánh sáng là m/s.

Đơn vị tính của năng lượng chúng ta sử dụng trong phân tích phổ gamma là electron-volts (eV), trong đó 1 eV = 1.602177 x 10-19 J. [1] Do đó, 1 eV = 1.782663 x 10-36 kg hoặc 1.073533 x 10-9 u ("u" là đơn vị của khối lượng nguyên tử, theo định nghĩa là bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử {dpi{120}^{12}\textrm{C}}, ở Việt Nam còn gọi là đơn vị Carbon). Năng lượng của bức xạ gamma bắt đầu từ khoảng keV.

Sự phát xạ tia gamma không phải là một quá trình phân rã, mà nó là một quá trình tái kích thích (de-excitation) của hạt nhân. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ giải thích từng loại phân rã phóng xạ và đặc biệt là sẽ chỉ ra làm thế nào mà sự phát xạ gamma thường xuất hiện như là một sản phẩm phụ của phân rã alpha và phân rã beta, là một cách mà năng lược kích thích còn dư thừa được tiêu tán.

____________

[1] Các giá trị được làm tròn theo khuyến cáo của Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh trong cuốn Các hằng số vật lý cơ bản và các hệ số chuyển đổi năng lượng (Fundamental Physical Constants and Energy Conversion Factors - 1991)

Còn tiếp...

Nguồn: Practical Gamma-Ray Spectrometry
Gordon Gilmore và John Hemingway