Phát xạ gamma là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Phát xạ gamma là bức xạ điện từ có năng lượng rất cao phát ra từ hạt nhân khi chuyển từ trạng thái kích thích về cơ bản, không mang điện tích. Bức xạ gamma có khả năng xuyên thấu mạnh, tương tác qua hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton, đòi hỏi che chắn bằng chì hoặc bê tông dày.

Giới thiệu

Phát xạ gamma là bức xạ điện từ với năng lượng cao nhất trong quang phổ, phát sinh từ các quá trình hạt nhân hoặc phản ứng phân rã phóng xạ. Khác với tia α và β, gamma không mang điện tích và không có khối lượng, cho phép nó xuyên qua vật chất sâu hơn nhưng cũng tiềm ẩn mối nguy hiểm lớn hơn đối với sinh vật và cấu trúc vật liệu.

Trong y học, phát xạ gamma được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán hình ảnh (SPECT, PET) và điều trị ung thư (xạ trị gamma knife). Trong công nghiệp, nó dùng để kiểm tra khuyết tật hàn, đo độ dày vật liệu và khử trùng thực phẩm. Trong khoa học cơ bản, nghiên cứu bức xạ gamma giúp hiểu rõ cấu trúc hạt nhân và quá trình năng lượng cao trong vũ trụ.

Độ xuyên thấu cao của gamma khiến việc che chắn và quản lý bức xạ trở thành thách thức. Tiêu chuẩn an toàn đặt ra nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable) – giảm phơi nhiễm xuống mức thấp nhất có thể – kết hợp với các vật liệu che chắn như chì, bê tông đặc và nước để bảo vệ nhân viên và môi trường.

Định nghĩa và tính chất

Phát xạ gamma là photon năng lượng cao phát ra khi hạt nhân ở trạng thái kích thích hạ xuống trạng thái cơ bản hoặc trong các phản ứng hạt nhân cảm ứng. Năng lượng photon gamma thường từ vài chục keV đến hàng MeV, với bước sóng nằm trong khoảng 10⁻¹¹–10⁻¹³ m.

Công thức cơ bản mô tả năng lượng photon gamma là:

E=hν=hcλE = h \nu = \frac{h c}{\lambda}

trong đó E là năng lượng, h là hằng số Planck (6,626×10⁻³⁴ J·s), ν là tần số, c là vận tốc ánh sáng (3×10⁸ m/s) và λ là bước sóng. Năng lượng cao giúp gamma có khả năng ion hóa mạnh, tạo ra cặp electron–positron hoặc kích thích electron mạnh mẽ trong vật chất.

Các thông số quan trọng khi đánh giá phát xạ gamma bao gồm:

  • Hoạt độ (Activity): số phân rã trên giây, đơn vị Becquerel (Bq) hoặc Curie (Ci).
  • Liều hấp thụ (Absorbed Dose): năng lượng bức xạ hấp thụ trên đơn vị khối lượng, tính bằng Gray (Gy).
  • Liều hiệu dụng (Equivalent/Eff. Dose): liều phản ánh tác động sinh học, tính bằng Sievert (Sv), bằng liều hấp thụ nhân hệ số trọng số bức xạ.

Nguồn gốc hạt nhân

Phát xạ gamma chủ yếu phát sinh từ hai nguồn:

  1. Phân rã phóng xạ: nhiều đồng vị không bền như Co-60, Cs-137, I-131 khi phân rã β hoặc α thường để lại hạt nhân con ở trạng thái kích thích. Hạt nhân con giải phóng phần năng lượng dư thừa bằng photon gamma để về trạng thái cơ bản.
  2. Phản ứng hạt nhân: trong lò phản ứng hạt nhân hoặc máy gia tốc, neutron hoặc proton kích thích hạt nhân mục tiêu, tạo đồng vị phóng xạ phát gamma. Quá trình nơtron bắt và nơtron fission cũng sinh ra gamma prompt và gamma delay.

Các ví dụ tiêu biểu:

  • Co-60 → Ni-60* → Ni-60 + γ (1,17 & 1,33 MeV): dùng trong xạ trị và khử trùng.
  • Cs-137 → Ba-137m* → Ba-137 + γ (0,662 MeV): được ứng dụng trong đo liều bức xạ và kiểm tra không phá hủy.

Tương tác với vật chất

Photon gamma tương tác với vật chất qua ba cơ chế chính, cạnh tranh nhau phụ thuộc năng lượng photon và nguyên tố mục tiêu:

  • Hiệu ứng quang điện (Photoelectric Effect): photon truyền toàn bộ năng lượng cho electron liên kết, electron bật ra khỏi nguyên tử. Xác suất cao ở năng lượng thấp (E <100 keV) và nguyên tố có Z lớn.
  • Tán xạ Compton (Compton Scattering): photon va chạm electron tự do hoặc lỏng lẻo, mất một phần năng lượng và bị lệch hướng. Xác suất lớn ở năng lượng trung bình (100 keV–10 MeV).
  • Tạo cặp electron–positron (Pair Production): photon có năng lượng ≥1,022 MeV (2·511 keV) biến thành cặp e⁻–e⁺ trong trường Coulomb của hạt nhân. Xác suất tăng lên với năng lượng cao và Z lớn.
Cơ chếNăng lượng thoại dụngPhụ thuộc Z
Quang điện<100 keV~Z⁴–Z⁵
Compton100 keV–10 MeV~Z
Tạo cặp>1,022 MeV~Z²

Phương pháp phát hiện

Máy đếm phóng xạ Geiger–Müller (GM) là thiết bị phổ biến, sử dụng ống GM chứa khí khi photon gamma ion hóa tạo xung điện được khuếch đại, đếm số xung qua bộ đếm. Ưu điểm: giá rẻ, dễ vận hành; nhược điểm: không phân biệt năng lượng.

Đầu dò scintillator như NaI(Tl) và CsI(Tl) sử dụng tinh thể kích phát ánh sáng khi photon gamma tương tác, ánh sáng được chuyển thành điện tín hiệu qua photomultiplier tube (PMT). Độ nhạy cao, khả năng phân tích quang phổ, thường dùng trong đo liều và phân tích phổ gamma.

Đầu dò bán dẫn germanium (HPGe) cung cấp độ phân giải năng lượng xuất sắc (<1 keV tại 122 keV), phù hợp cho phân tích đồng vị chính xác. Nhược điểm: cần làm lạnh bằng Nitơ lỏng và chi phí cao.

Nguồn tự nhiên và nhân tạo

Bức xạ gamma nền tự nhiên phát sinh từ sự phân rã của đồng vị phóng xạ trong vỏ Trái Đất: K-40, U-238, Th-232 và đồng vị con. Liều nền trung bình toàn cầu ~0,07 µGy/h, dao động theo địa chất và độ cao so với mực nước biển (UNSCEAR).

Nguồn nhân tạo bao gồm xạ trị y tế (Co-60, Ir-192), chụp PET/SPECT (F-18, Tc-99m) và lò phản ứng hạt nhân. Hoạt động giải trí như kiểm tra an toàn sân bay (máy quét gamma) cũng đóng góp liều nhỏ cho công chúng.

Ảnh hưởng sinh học và nguy cơ

Photon gamma ion hóa mạnh, phá vỡ liên kết phân tử và tạo gốc tự do, gây tổn thương DNA trực tiếp hoặc gián tiếp qua ROS. Liều thấp (<100 mSv) có thể tăng nguy cơ ung thư muộn, liều cao (>1 Sv) gây hội chứng phóng xạ cấp tính.

  • Liều phơi nhiễm cấp tính: nôn, mệt mỏi, giảm bạch cầu khi >1 Gy.
  • Ung thư muộn: tỷ lệ tăng tuyến tính với liều, không có ngưỡng an toàn tuyệt đối.
  • Ảnh hưởng di truyền: bất thường nhiễm sắc, đột biến có thể truyền cho thế hệ sau.

Theo ICRP, giới hạn phơi nhiễm nghề nghiệp ≤20 mSv/năm trung bình 5 năm và ≤50 mSv/năm tối đa; công chúng ≤1 mSv/năm (ICRP).

Ứng dụng

Trong y tế, xạ trị ước tính 50% bệnh nhân ung thư được điều trị bằng gamma knife (Co-60) hoặc IMRT (phối hợp photon và proton). Kỹ thuật này tập trung năng lượng vào khối u, bảo tồn mô lành.

Chẩn đoán hình ảnh hạt nhân (SPECT/PET) sử dụng đồng vị phát gamma như Tc-99m, F-18 FDG, cho hình ảnh chức năng mô, hỗ trợ phát hiện sớm ung thư, bệnh tim mạch và thần kinh.

Công nghiệp dùng gamma để kiểm tra khuyết tật kết cấu kim loại (non-destructive testing), đo độ dày vật liệu và khử trùng thực phẩm, y tế nhằm tiêu diệt vi sinh vật mà không làm nóng sản phẩm.

An toàn và che chắn

Chì là vật liệu che chắn hiệu quả nhờ Z cao và khối lượng lớn, thường dùng tường và cửa phòng xạ. Bê tông dày 15–30 cm cũng giảm bức xạ xuống mức cho phép.

  • Vật liệu nhẹ: thép tungsten, vật liệu composite chì–polymer cho quần áo bảo hộ.
  • Giám sát phơi nhiễm: dosimeter cá nhân (film badge, TLD) theo dõi liều tích lũy.
  • Quy trình làm việc: tuân thủ ALARA, tối thiểu hóa thời gian tiếp xúc, giữ khoảng cách và che chắn.

Triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu nguồn gamma đồng vị mới như Bi-213 (α therapy kèm gamma) kết hợp điều trị và hình ảnh (theranostics). Bi-213 phân rã alpha mạnh tiêu diệt tế bào ung thư, gamma 440 keV hỗ trợ hình ảnh theo dõi phân bố thuốc (PubMed).

Phát triển đầu dò hữu cơ và bán dẫn mới (CdZnTe, perovskite) vận hành ở nhiệt độ phòng, độ phân giải cao và kích thước nhỏ gọn, tạo thuận lợi cho ứng dụng di động và y học tại giường bệnh (PS sA).

Ứng dụng AI trong xử lý phổ gamma, phân tích nhanh và tự động nhận dạng đồng vị, giảm phụ thuộc chuyên gia và tăng độ chính xác chẩn đoán y tế và phân tích môi trường.

Danh mục tài liệu tham khảo

  • Knoll G.F. “Radiation Detection and Measurement.” 4th ed.; Wiley: 2010.
  • International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 103: The 2007 Recommendations of the ICRP. Ann. ICRP, 2007.
  • United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources, Effects and Risks of Ionizing Radiation (UNSCEAR 2008 Report).
  • Centers for Disease Control and Prevention. “Radiation Emergencies.” cdc.gov.
  • Parker N. et al. “213Bi-Labeled Targeted Alpha Therapy for Prostate Cancer.” J. Nucl. Med. 2019;60(6):….
  • International Atomic Energy Agency. “Radiation Protection and Safety of Radiation Sources: International Basic Safety Standards.” IAEA Safety Standards Series No. GSR Part 3.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề phát xạ gamma:

Xác định Selenium trong mẫu địa chất bằng phương pháp trùng phùng gamma-gamma
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - 2015
Tóm tắt Selenium là kim loại rất được quan tâm trong các mẫu địa chất, sinh học hay môi trường. Việc xác định Se trong các mẫu này có những kỹ thuật phân tích khác nhau. Các nghiên cứu phân tích kích hoạt bằng phương pháp trùng phùng gamma-gamma đối với các mẫu địa chất, mẫu sinh học và mẫu môi trường đã được tiến hành ở một số phòng thí nghiệm trên thế giới. Trong báo cáo này, chúng tôi trình bà...... hiện toàn bộ
#phân tích kích hoạt #trùng phùng gamma-gamma #xác định selenium #phương pháp trùng phùng #giới hạn phát hiện
Tác động của bức xạ gamma đến khả năng gây nhiễm và sự phát triển của châu chấu Hymenolepis nana (Cestoda: Cyclophyllidea) Dịch bởi AI
Parasitology Research - Tập 44 - Trang 111-116 - 1974
Các trứng của Hymenolepis nana đã được chiếu xạ gamma ở các mức từ 10.000r đến 200.000r trước khi được quản lý cho chuột ăn qua miệng hoặc tiêm dưới da. Chỉ có ít sự phát triển ngoài oncosphere xảy ra sau 50.000r hoặc hơn, nhưng khả năng xâm nhập không bị loại bỏ ngay cả sau điều trị ở mức 200.000r. Một loạt các giai đoạn phát triển đã xảy ra sau 10.000–20.000r nhưng tương đối ít giun trở nên có b...... hiện toàn bộ
#Hymenolepis nana #bức xạ gamma #oncosphere #khả năng gây nhiễm #sự phát triển
Phụ thuộc Nhiệt độ của Độ Nhạy của Các Photomultipliers Silicon trong Chế Độ Phát Hiện Từng Photon của Bức Xạ Tử Ngoại Dịch bởi AI
Pleiades Publishing Ltd - Tập 66 - Trang 699-704 - 2022
Nghiên cứu thực nghiệm về phụ thuộc nhiệt độ của độ đếm tối và hiệu suất phát hiện từng photon của hai photodetector laze silicon cho bức xạ tử ngoại (OnSemi/SensL MicroFJ-60035 và Hamamatsu VUV4 S13371-6050CQ-02) hoạt động ở bước sóng 277 nm trong bối cảnh phát triển một camera ghi hình mới cho kính thiên văn gamma TAIGA-IACT. Kết quả cho thấy rằng các đặc tính chính của những detector này tương ...... hiện toàn bộ
#phát hiện photon; photomultiplier silicon; bức xạ tử ngoại; kính thiên văn gamma; hệ thống đọc tín hiệu
Ứng dụng của phương pháp phân cụm MST đối với bầu trời $\gamma$ -ray năng lượng cao. I—Phát hiện mới có thể về sự phát xạ $\gamma$ -ray năng lượng cao liên quan đến các đối tượng BL Lac Dịch bởi AI
Astrophysics and Space Science - Tập 360 - Trang 1-10 - 2015
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày ứng dụng của phương pháp phân cụm Cây phủ tối thiểu (MST) đối với bầu trời $\gamma$ -ray năng lượng cao được quan sát ở năng lượng trên 10 GeV trong 6.3 năm bằng kính viễn vọng Fermi-Large Area Telescope. Chúng tôi báo cáo việc phát hiện 19 cụm $\gamma$ -ray năng lượng cao mới với các tham số lựa chọn tốt, tọa độ tâm cụm của chúng được tìm thấy phù hợp với vị...... hiện toàn bộ
Đóng góp của tia vũ trụ từ các nguồn có phổ proton đơn năng vào phát xạ gamma tán xạ ngoại thiên Dịch bởi AI
Astronomy Letters - Tập 44 - Trang 541-545 - 2018
Các nguồn ngoài thiên thể của tia vũ trụ siêu cao năng (E > 4 × 10^19 eV) đóng góp một phần nhỏ vào dòng hạt được ghi nhận bởi các mạng cảm biến trên mặt đất được thảo luận. Chúng tôi chỉ ra rằng các tia vũ trụ từ các nguồn như vậy có thể tạo ra một luồng gamma tán xạ rõ ràng trong không gian giữa các thiên hà, so với dữ liệu thu được từ Fermi LAT (trên trạm quan sát vũ trụ Fermi). Một loại hạt nh...... hiện toàn bộ
#tia vũ trụ #nguồn ngoài thiên thể #phát xạ gamma #hạt nhân thiên thể hoạt động #Fermi LAT
Phát xạ gamma tức thời từ fission của 239Pu bởi neutron cộng hưởng I Dịch bởi AI
Cechoslovackij fiziceskij zurnal - Tập 43 - Trang 783-788 - 1993
Quá trình phát xạ gamma từ phản ứng 239Pu(n,f) đã được đo bằng thiết bị quang phổ gamma trên lò phản ứng xung IBR-30. Một buồng ion hóa nhanh có 19 bộ phận với 1,6 g mục tiêu 239Pu đã được sử dụng. Các tia gamma fission trong khoảng thời gian 32 ns đã được đo bằng máy dò Ge(Li). Dựa trên phổ gamma đã đo trong khoảng (0.1–1.8) MeV, tổng số lượng quanta gamma phát ra-đa dạng 〈N γ ...... hiện toàn bộ
#gamma-ray spectrum #239Pu(n #f) reaction #ionization chamber #Ge(Li) detector #quanta gamma
Phát hiện sự mất khoáng của men răng và cementum sau khi chiếu xạ gamma bằng phương pháp đo độ đậm đặc hình ảnh Dịch bởi AI
Biophysik - Tập 57 - Trang 293-299 - 2018
Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá khả năng của đo độ đậm đặc hình ảnh trong việc phát hiện sự mất khoáng sớm của men răng và cementum ở những chiếc răng được chiếu xạ và không chiếu xạ. Sáu mươi chiếc răng đã được chiết xuất được chia thành hai nhóm: nhóm chiếu xạ và nhóm không chiếu xạ. Sau khi chiếu xạ, các nhóm được trải qua chu trình mất khoáng và tái khoáng (PH). Các phép đo độ đậm đặc ...... hiện toàn bộ
#radiographic densitometry #demineralization #enamel #cementum #gamma irradiation #dental caries #remineralization #head and neck radiotherapy
Những kết quả mới về sự không đối xứng P-odd của sự phát xạ $ \gamma$ -quanta trong phản ứng hạt nhân 10B(n, $ \alpha$ )7Li* $ \rightarrow$ $ \gamma$ + 7Li(g.s.) Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 47 - Trang 1-9 - 2011
Một loạt các thí nghiệm siêu nhạy đã được thực hiện từ năm 2001 đến 2009 tại ILL để đo sự không đối xứng P-odd trong sự phát xạ $ \gamma$ -quanta trong phản ứng hạt nhân 10B (n, $ \alpha$ ) 7Li* $ \rightarrow$ $ \gamma$ + $7Li$(g.s.) với các neutron lạnh đã được phân cực. Giá trị thu được của hệ số không đối xứng là $\ensuremath \alpha_{P\mbox{-}{\rm odd}}= +(0.0 \pm 2.6_{{\rm stat}} \pm 1.1_{{\rm...... hiện toàn bộ
Cây đơn bội phát sinh vô tính từ phấn hoa bức xạ gamma trong quả dưa lai (Cucumis melo var. momordica) Dịch bởi AI
Plant Cell, Tissue and Organ Culture - Tập 109 - Trang 167-170 - 2011
Nhị đực của dưa lai (Cucumis melo L. var. momordica) đã được chiếu xạ với các liều tia gamma khác nhau (150, 200, 250, 300 và 350 Gray). Sau đó, phấn hoa từ các nhị đực bị chiếu xạ được sử dụng để thụ phấn cho hoa cái. Kết quả cho thấy, liều chiếu xạ 250 Gray có hiệu quả trong việc kích thích quá trình phát sinh vô tính và phát triển quả, trong khi các liều chiếu xạ thấp (150 và 200 Gray) hoặc cao...... hiện toàn bộ
#dưa lai #bức xạ gamma #phấn hoa #phát sinh vô tính #cây đơn bội
Mô hình hai thành phần cho phát xạ TeV $\gamma $ -ray từ các đối tượng BL Lac có năng lượng cực cao Dịch bởi AI
Astrophysics and Space Science - Tập 366 - Trang 1-11 - 2021
Các đối tượng BL Lac cao năng lượng cực cao (EHBLs) là một lớp blazar mới nổi với các đặc tính quang phổ đặc biệt, ví dụ như phát xạ tăng cường trong vùng X-ray cứng và quang phổ cứng ở các năng lượng $\gamma $ -ray rất cao. Hiện tại, chưa có mô hình nào phù hợp để giải thích cơ chế phát xạ năng lượng cao của EHBLs. Ở đây, chúng tôi áp dụng một mô hình mới của quá trình phát xạ để mô tả Phân phối ...... hiện toàn bộ
#EHBLs #blazar #SED #phát xạ năng lượng cao #LHAASO
Tổng số: 17   
  • 1
  • 2

Chủ đề khác

#pin lithium

Pin lithium là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#khối u thần kinh

Khối u thần kinh là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#bệnh sinh phân tử

Bệnh sinh phân tử là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#siêu chất lỏng

Siêu chất lỏng là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#hàm riêng

Hàm riêng là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#hồi quy không gian

Hồi quy không gian là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#bổ sung sắt

Bổ sung sắt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#cá bút chì

Cá bút chì là gì? Các nghiên cứu khoa học về loài cá này

#lưu huỳnh hóa

Lưu huỳnh hóa là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#phụ nữ ai cập

Phụ nữ ai cập là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan


Xem thêm