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

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:

$E = h \nu = \frac{h c}{\lambda}$

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 chế	Năng lượng thoại dụng	Phụ thuộc Z
Quang điện	<100 keV	~Z⁴–Z⁵
Compton	100 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.