Quang phổ gamma là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về quang phổ gamma

Quang phổ gamma là một biểu diễn đồ họa cho thấy cách phân bố năng lượng của các photon phát ra trong quá trình bức xạ gamma. Không giống như ánh sáng nhìn thấy hay tia X, bức xạ gamma có bước sóng ngắn nhất và năng lượng cao nhất trong phổ điện từ, thường dao động từ vài kiloelectronvolt (keV) đến hàng chục hoặc hàng trăm megaelectronvolt (MeV).

Việc ghi nhận và phân tích quang phổ gamma giúp các nhà khoa học xác định được đặc tính và bản chất của các hạt nhân phóng xạ. Nó là một công cụ quan trọng trong vật lý hạt nhân, y học hạt nhân, an ninh phóng xạ và cả trong thiên văn học năng lượng cao.

Quang phổ gamma được thể hiện trên một biểu đồ với trục hoành là năng lượng của photon (tính bằng keV hoặc MeV) và trục tung là số đếm (counts) – tức số photon ghi nhận được ở mỗi mức năng lượng. Một phổ điển hình có thể bao gồm một hoặc nhiều đỉnh nhọn (peaks), mỗi đỉnh tương ứng với một mức năng lượng phát xạ đặc trưng từ hạt nhân phóng xạ.

Nguồn gốc của bức xạ gamma

Bức xạ gamma không phải là hiện tượng ngẫu nhiên. Nó xuất hiện khi một hạt nhân nguyên tử ở trạng thái kích thích (excited state) chuyển về trạng thái cơ bản (ground state) bằng cách phát ra một photon có năng lượng cao. Đây là hiện tượng đặc trưng trong quá trình phân rã phóng xạ hoặc sau các phản ứng hạt nhân.

Một số cơ chế sinh ra tia gamma:

• Phân rã phóng xạ (radioactive decay) – như phân rã của ⁶⁰Co hoặc ¹³⁷Cs
• Phản ứng phân hạch (nuclear fission) – ví dụ trong lò phản ứng hạt nhân
• Phản ứng nhiệt hạch (nuclear fusion) – diễn ra trong Mặt Trời và các sao
• Va chạm hạt năng lượng cao – như trong máy gia tốc hạt
• Sự kiện thiên văn – vụ nổ siêu tân tinh, chuẩn tinh, hay va chạm sao neutron

Trong lĩnh vực thiên văn học, các nguồn phát tia gamma được xếp vào loại mạnh nhất vũ trụ. Các vụ nổ tia gamma (Gamma-Ray Bursts – GRBs) có thể phát ra lượng năng lượng trong vài giây tương đương tổng năng lượng Mặt Trời phát trong hàng tỷ năm. Các sự kiện như thế là đối tượng nghiên cứu của các vệ tinh không gian như Fermi Gamma-ray Space Telescope.

Đặc điểm vật lý của photon gamma

Photon gamma là lượng tử của bức xạ điện từ có năng lượng rất cao, nhưng giống như mọi photon khác, nó không mang điện và không có khối lượng nghỉ. Đặc điểm này khiến photon gamma có khả năng xuyên qua vật chất rất mạnh, vượt xa khả năng của tia X hay ánh sáng nhìn thấy.

Mối liên hệ giữa năng lượng, tần số và bước sóng của photon được mô tả qua công thức:

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

Trong đó:

• E là năng lượng của photon (Joule hoặc eV)
• h là hằng số Planck: $6.626 \times 10^{-34}\ \text{Js}$
• ν là tần số (Hz)
• c là tốc độ ánh sáng trong chân không: $3 \times 10^8\ \text{m/s}$
• λ là bước sóng (mét)

So với các loại bức xạ khác trong phổ điện từ, tia gamma nằm ở cực cao về mặt năng lượng và cực ngắn về bước sóng. Dưới đây là bảng so sánh:

Loại bức xạ	Bước sóng (nm)	Năng lượng (keV)
Ánh sáng nhìn thấy	400–700	1.7–3.1
Tia X	0.01–10	100–100,000
Tia gamma	< 0.01	>100,000

Các phương pháp đo và phân tích quang phổ gamma

Để thu thập và phân tích phổ gamma, người ta sử dụng các thiết bị phát hiện bức xạ kết hợp với bộ xử lý tín hiệu và phần mềm hiển thị phổ. Mục tiêu là ghi nhận số lượng photon theo từng mức năng lượng để tạo thành một biểu đồ phổ.

Các thiết bị chính:

• Detector NaI(Tl) – tinh thể iodua natri pha tạp thallium, rẻ và phổ biến
• Detector HPGe – germanium siêu tinh khiết, cho độ phân giải cao
• Bộ phân tích đa kênh (MCA – Multi-Channel Analyzer)
• Hệ thống ghi nhận dữ liệu và phần mềm phổ

Một phổ gamma điển hình có thể có nhiều đỉnh khác nhau. Mỗi đỉnh đại diện cho một mức năng lượng photon phát ra bởi một đồng vị phóng xạ cụ thể. Việc định vị và phân tích các đỉnh phổ giúp:

• Xác định loại đồng vị phóng xạ (định tính)
• Tính toán hoạt độ phóng xạ (định lượng)
• Kiểm tra mức độ nhiễm xạ của vật liệu

Hệ thống phổ gamma hiện đại thường được dùng trong phòng thí nghiệm hạt nhân, cơ sở xử lý chất thải phóng xạ, giám sát môi trường, và trong các ứng dụng kiểm tra an ninh biên giới.

Ý nghĩa của quang phổ gamma trong vật lý hạt nhân

Trong vật lý hạt nhân, quang phổ gamma cung cấp một công cụ định danh và phân tích cấu trúc năng lượng của hạt nhân nguyên tử. Mỗi hạt nhân khi chuyển trạng thái từ mức kích thích về mức thấp hơn sẽ phát ra bức xạ gamma với năng lượng đặc trưng. Các mức năng lượng này là duy nhất đối với từng đồng vị, tương tự như “vân tay” của chúng.

Từ các đỉnh năng lượng trong phổ gamma, người ta có thể thiết lập sơ đồ mức năng lượng (level scheme) của hạt nhân. Các thông tin định tính và định lượng rút ra từ phổ bao gồm:

• Năng lượng mức (energy level)
• Thời gian sống của trạng thái kích thích
• Spin và parity của hạt nhân
• Khả năng chuyển tiếp (transition probability)

Quá trình xây dựng sơ đồ mức đòi hỏi phân tích cẩn thận các dãy đỉnh phổ và so sánh chúng với cơ sở dữ liệu hạt nhân. Cơ sở dữ liệu như National Nuclear Data Center (NNDC) cung cấp thông tin tham chiếu cho hàng nghìn đồng vị.

Ứng dụng trong y học và công nghiệp

Trong y học hạt nhân, quang phổ gamma được sử dụng để hiệu chuẩn các thiết bị ghi nhận bức xạ như gamma camera và PET scanner. Việc phân tích phổ giúp kiểm tra chất lượng nguồn phóng xạ, xác minh liều phóng xạ sử dụng trong chẩn đoán hoặc điều trị.

Một số đồng vị phổ biến trong y học:

• ^99mTc – phát photon 140 keV, dùng trong hình ảnh hóa cơ quan
• ¹³¹I – phát photon 364 keV, dùng trong điều trị tuyến giáp
• ¹⁸F – phát positron, dùng trong PET

Trong công nghiệp, phổ gamma có vai trò quan trọng trong:

• Kiểm tra không phá hủy (NDT) – ví dụ: radiography kiểm tra mối hàn
• Phân tích thành phần nguyên tố – sử dụng kỹ thuật như PGNAA hoặc XRF
• Đo độ dày và mật độ vật liệu – dùng trong kiểm soát dây chuyền sản xuất

Một ứng dụng đặc biệt là đo mức phóng xạ trong vật liệu xây dựng, nước uống, hoặc thực phẩm – nhằm đảm bảo an toàn bức xạ theo tiêu chuẩn của các cơ quan như IAEA hoặc U.S. NRC.

Vai trò trong thiên văn học tia gamma

Trong thiên văn học năng lượng cao, phổ gamma cho phép quan sát những sự kiện cực đoan nhất trong vũ trụ – nơi vật chất bị nén đến mật độ cao hoặc chịu gia tốc mạnh mẽ. Đây là vùng thông tin không thể thu thập qua ánh sáng thường hay tia X.

Các nguồn phát tia gamma mạnh bao gồm:

• Vụ nổ siêu tân tinh (supernova)
• Lỗ đen và chuẩn tinh (quasar)
• Sao neutron và sao từ (magnetar)
• Va chạm giữa các sao neutron – tạo ra GRB ngắn

Dữ liệu phổ gamma thu thập từ các kính thiên văn không gian như Fermi Gamma-ray Space Telescope hay INTEGRAL của ESA giúp các nhà vật lý thiên văn xác định loại nguồn, cơ chế phát xạ và sự tiến hóa của vật chất trong môi trường năng lượng cao.

Các phổ gamma vũ trụ thường có dạng liên tục, với một số đỉnh nhỏ gắn với sự phân rã của các hạt không bền trong vũ trụ sơ khai. Đặc điểm phổ có thể cho biết:

• Cơ chế phát xạ: synchrotron, inverse Compton, hoặc phân rã hạt
• Khoảng cách và tuổi đời của nguồn phát
• Thành phần vật chất tại vùng phát xạ

Phân tích định lượng phổ gamma

Việc định lượng phổ gamma liên quan đến phép đo chính xác hoạt độ của một đồng vị phóng xạ. Mỗi đỉnh phổ tương ứng với một mức năng lượng và có diện tích tỷ lệ thuận với số photon phát ra trong quá trình đo.

Công thức thường dùng để tính hoạt độ (A):

$A = \frac{N}{\epsilon \cdot I_\gamma \cdot t}$

Trong đó:

• N: số đếm net dưới đỉnh
• ε: hiệu suất phát hiện của hệ thống tại năng lượng đó
• I_γ: xác suất phát gamma ở năng lượng đó (branching ratio)
• t: thời gian đo (giây)

Để tăng độ chính xác, hệ thống cần được hiệu chuẩn bằng các nguồn chuẩn như ¹⁵²Eu hoặc ¹³³Ba với phổ gamma đã biết. Phép hiệu chuẩn xác định đường cong hiệu suất theo năng lượng, giúp điều chỉnh hệ số ε cho từng đỉnh.

Hạn chế và sai số trong phân tích phổ gamma

Mặc dù rất hiệu quả, phân tích phổ gamma vẫn đối mặt với nhiều sai số và hạn chế. Những nguyên nhân phổ biến gây sai lệch kết quả gồm:

• Hiệu suất ghi nhận thay đổi theo hình học mẫu
• Nhiễu nền cao hoặc chồng phổ (peak overlapping)
• Độ phân giải kém của detector
• Sai số hiệu chuẩn thiết bị

Để khắc phục, cần áp dụng các biện pháp sau:

• Sử dụng detector có độ phân giải cao (HPGe)
• Lọc tín hiệu nhiễu nền và loại bỏ đỉnh giả
• Hiệu chuẩn định kỳ và sử dụng phần mềm phân tích phổ chính xác
• Thực hiện đo mẫu trắng và mẫu chuẩn song song

Kết luận

Quang phổ gamma là một công cụ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực từ vật lý cơ bản đến ứng dụng công nghệ cao. Việc đo và phân tích phổ cho phép xác định bản chất của hạt nhân, đánh giá mức độ phóng xạ, và hiểu rõ hơn về các hiện tượng vật lý cực trị trong vũ trụ. Nhờ sự phát triển của công nghệ phát hiện và xử lý tín hiệu, khả năng khai thác thông tin từ phổ gamma ngày càng mở rộng và chính xác.

Tài liệu tham khảo

• Knoll, G. F. (2010). Radiation Detection and Measurement. 4th ed. Wiley.
• National Nuclear Data Center (NNDC), Brookhaven National Laboratory.
• IAEA. Gamma Spectrometry Analysis.
• NASA - Fermi Gamma-ray Space Telescope.
• U.S. Nuclear Regulatory Commission: Radiation Basics.
• European Space Agency – INTEGRAL Mission.
• Gilmore, G. (2008). Practical Gamma-ray Spectrometry. Wiley.