Tia γ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm tia γ và bản chất vật lý

Tia γ (gamma) là một dạng bức xạ điện từ mang năng lượng rất cao, nằm ở phần cuối của phổ điện từ với bước sóng cực ngắn, thường nhỏ hơn 0,01 nanomet (nm) và tương ứng với tần số lớn hơn 1019 Hz. Khác với ánh sáng nhìn thấy hay tia X, tia γ không có khối lượng và không mang điện tích, nhưng có khả năng xuyên thấu mạnh mẽ nhờ năng lượng cao của các photon. Tia γ có bản chất là sóng điện từ giống như sóng vô tuyến, tia cực tím hay tia hồng ngoại, tuy nhiên năng lượng của nó vượt trội nhiều bậc, có thể gây ion hóa nguyên tử khi tương tác với vật chất.

Về mặt phân loại vật lý, tia γ được sinh ra từ quá trình bên trong hạt nhân nguyên tử, cụ thể là sự chuyển mức năng lượng của hạt nhân sau các phản ứng hạt nhân như phân rã phóng xạ. Điều này phân biệt tia γ với tia X, vốn được tạo ra do sự thay đổi mức năng lượng của các electron lớp vỏ nguyên tử. Mỗi photon tia γ mang một năng lượng cụ thể, tính theo công thức: E=h⋅fE = h \cdot f trong đó EE là năng lượng photon, hh là hằng số Planck và ff là tần số sóng điện từ.

Tia γ không bị lệch trong từ trường hay điện trường do không mang điện, khiến việc định hướng hoặc tách biệt chúng khỏi các bức xạ khác trở nên khó khăn. Tuy nhiên, đặc tính này lại giúp tia γ đi xa trong không gian và vật chất mà ít bị suy giảm, làm cho chúng trở thành đối tượng nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong vật lý, y học và công nghiệp.

Nguồn gốc phát sinh tia γ

Tia γ được phát ra từ các hiện tượng hạt nhân, bao gồm phân rã phóng xạ, phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch. Trong phân rã phóng xạ, các hạt nhân không bền sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn thông qua phát xạ photon gamma. Điều này thường xảy ra sau khi hạt nhân đã trải qua một dạng phân rã khác như α hoặc β, và cần giải phóng thêm năng lượng dư thừa dưới dạng tia γ.

Các nguồn phát tia γ tự nhiên gồm khoáng chất phóng xạ trong lòng đất như uranium và thorium, trong khi nguồn nhân tạo chủ yếu từ các lò phản ứng hạt nhân, thiết bị gia tốc hạt, hoặc nguồn đồng vị dùng trong y học và công nghiệp. Ngoài ra, trong không gian, các sự kiện thiên văn như vụ nổ siêu tân tinh, sự hợp nhất sao neutron cũng phát ra tia γ năng lượng cực cao.

Đặc điểm vật lý và khả năng xuyên thấu

Tia γ có bước sóng rất ngắn, trong khoảng từ 10-14 đến 10-10 m, tương ứng với năng lượng photon từ vài chục keV đến hàng MeV hoặc cao hơn. Với đặc điểm này, tia γ có khả năng xuyên qua nhiều loại vật liệu mà các tia khác như α hay β không thể đi qua. Điều này khiến chúng rất hữu ích trong các ứng dụng chẩn đoán, kiểm tra vật liệu hoặc tiêu diệt mô ung thư nằm sâu trong cơ thể.

Khả năng xuyên thấu phụ thuộc vào mật độ và độ dày của vật liệu hấp thụ. Để đánh giá mức độ hấp thụ tia γ, người ta sử dụng khái niệm lớp giảm một nửa (Half-Value Layer - HVL), là độ dày của một vật liệu cần thiết để làm giảm cường độ bức xạ gamma đi 50%. Dưới đây là bảng HVL của một số vật liệu phổ biến:

Do đặc tính không bị lệch hướng và xuyên sâu, việc bảo vệ an toàn khỏi tia γ đòi hỏi sử dụng các vật liệu dày và nặng như chì hoặc bê tông đặc, đặc biệt trong các phòng điều trị xạ trị, phòng thí nghiệm hạt nhân hoặc cơ sở xử lý chất thải phóng xạ.

Ứng dụng trong y học

Trong y học, tia γ được sử dụng cả trong chẩn đoán và điều trị. Nhờ khả năng xuyên thấu sâu và tính ion hóa mạnh, tia γ có thể tiêu diệt tế bào ung thư hiệu quả, đặc biệt trong các liệu pháp xạ trị. Thiết bị xạ trị dùng cobalt-60 là ví dụ tiêu biểu, phát tia γ để nhắm trúng mô bệnh mà hạn chế tổn thương mô lành xung quanh.

Một ứng dụng khác là hệ thống Gamma Knife, sử dụng nhiều chùm tia γ hội tụ vào một điểm chính xác trong não, cho phép điều trị u não không cần phẫu thuật. Ngoài ra, trong chẩn đoán hình ảnh, kỹ thuật SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) sử dụng đồng vị phát tia γ để thu hình ảnh chức năng các cơ quan.

Tiệt trùng dụng cụ y tế bằng tia γ cũng là một ứng dụng phổ biến, đặc biệt với các thiết bị không chịu nhiệt như ống tiêm nhựa, băng gạc hoặc vật liệu cấy ghép. Tia γ có thể phá hủy DNA của vi sinh vật, làm bất hoạt vi khuẩn, virus mà không làm biến tính vật liệu được xử lý.

Để tìm hiểu thêm, có thể tham khảo trang chính thức của National Cancer Institute – Radiation Therapy.

Ứng dụng trong công nghiệp và khoa học vật liệu

Tia γ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ khả năng xuyên sâu và tạo ảnh rõ nét, đặc biệt trong kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing – NDT). Phương pháp này sử dụng tia γ từ các đồng vị phóng xạ như Iridium-192 hoặc Cobalt-60 để chụp ảnh cấu trúc bên trong vật liệu, phát hiện các khuyết tật như nứt, rỗ khí hoặc mối hàn lỗi trong các kết cấu kim loại mà không cần phá huỷ sản phẩm.

Trong công nghiệp dầu khí, tia γ được dùng để đo mật độ chất lỏng trong ống dẫn, đánh giá thành phần khoáng của lõi đất, và kiểm tra thiết bị đường ống dưới mặt đất. Ngoài ra, trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, tia γ còn được sử dụng để chiếu xạ tiệt trùng sản phẩm, kéo dài thời gian bảo quản mà không cần hóa chất.

Các trung tâm nghiên cứu vật liệu sử dụng tia γ để nghiên cứu cấu trúc phân tử, khảo sát phản ứng hạt nhân và điều khiển biến tính vật liệu (như thay đổi tính chất cơ học của polyme). Các thiết bị gia tốc hạt hoặc nguồn đồng vị trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra chùm photon γ tinh khiết để phục vụ thí nghiệm chính xác cao.

Ảnh hưởng sinh học và cơ chế tác động

Tia γ là dạng bức xạ ion hóa mạnh, có khả năng gây tổn thương sinh học nghiêm trọng nếu phơi nhiễm không kiểm soát. Khi tia γ xuyên qua mô sinh học, năng lượng của chúng có thể ion hóa các phân tử quan trọng như DNA, protein hoặc lipid màng tế bào, dẫn đến các hiệu ứng sinh học đa dạng như đột biến gen, rối loạn chức năng tế bào hoặc chết tế bào theo cơ chế apoptosis.

Phản ứng sinh học có thể là trực tiếp (khi photon γ tương tác trực tiếp với DNA) hoặc gián tiếp (qua sự hình thành các gốc tự do từ phân tử nước). Quá trình này có thể được mô tả bằng phương trình: H2O+γ→H⋅+OH⋅ \text{H}_2\text{O} + \gamma \rightarrow \text{H}^\cdot + \text{OH}^\cdot Các gốc tự do này cực kỳ phản ứng và có thể gây đứt gãy chuỗi DNA, biến đổi gen hoặc kích hoạt các quá trình gây ung thư.

Tác động của tia γ phụ thuộc vào liều bức xạ, thời gian phơi nhiễm, loại mô bị chiếu và độ nhạy tế bào. Tế bào phân chia nhanh như tế bào tủy xương, niêm mạc ruột, tế bào da thường nhạy cảm hơn. Phơi nhiễm toàn thân với liều cao có thể gây hội chứng phóng xạ cấp tính (Acute Radiation Syndrome – ARS), ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa, thần kinh trung ương và huyết học.

Đơn vị đo và đánh giá phơi nhiễm

Để đánh giá tác động của tia γ lên cơ thể, người ta sử dụng các đại lượng vật lý và sinh học. Đơn vị đo liều hấp thụ là gray (Gy), trong đó 1 gray = 1 joule năng lượng hấp thụ trên 1 kg mô. Tuy nhiên, để đánh giá nguy cơ sinh học, người ta chuyển đổi sang đơn vị sievert (Sv) theo công thức: H (Sv)=D (Gy)×wR \text{H (Sv)} = \text{D (Gy)} \times w_R Trong đó wRw_R là hệ số trọng số bức xạ, với wR=1w_R = 1 đối với tia γ.

Liều bức xạ nền trung bình mỗi người hấp thụ hằng năm từ môi trường tự nhiên khoảng 2–3 mSv. Giới hạn cho người lao động trong ngành bức xạ theo IAEA là 20 mSv/năm trung bình trong 5 năm, không quá 50 mSv trong một năm bất kỳ. Với dân thường, giới hạn này là 1 mSv/năm.

Thiết bị đo phơi nhiễm phổ biến gồm dosimeter cá nhân (TLD – Thermoluminescent Dosimeter), buồng ion hóa và máy đo phóng xạ cầm tay. Việc giám sát liều tích lũy là bắt buộc tại các cơ sở y tế, hạt nhân và phòng thí nghiệm để đảm bảo an toàn cho nhân viên và môi trường.

Biện pháp che chắn và an toàn bức xạ

Vì tia γ có khả năng xuyên mạnh, nên các biện pháp an toàn đóng vai trò quan trọng trong mọi ứng dụng liên quan. Nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable) được áp dụng nhằm giảm thiểu phơi nhiễm thông qua: giảm thời gian tiếp xúc, tăng khoảng cách với nguồn và sử dụng che chắn thích hợp.

Vật liệu che chắn hiệu quả nhất là chì, tiếp theo là thép và bê tông đặc. Các phòng điều trị xạ trị, phòng chụp ảnh phóng xạ công nghiệp hoặc kho chứa nguồn phóng xạ đều phải có thiết kế che chắn đạt chuẩn theo hướng dẫn của U.S. NRC.

• Chì: hấp thụ hiệu quả với độ dày nhỏ (~1–2 cm)
• Bê tông: cần dày hơn (~10–30 cm) tùy năng lượng nguồn
• Khoảng cách: tăng gấp đôi khoảng cách có thể giảm cường độ bức xạ xuống 1/4 theo định luật nghịch đảo bình phương

Nhân viên làm việc với tia γ cần được huấn luyện an toàn bức xạ, trang bị đầy đủ dosimeter, và kiểm tra sức khỏe định kỳ. Trong sự cố hạt nhân, việc sơ tán, thiết lập vùng cách ly và cấp phát iốt phòng phóng xạ cũng được triển khai để ngăn hấp thụ iod-131 (đồng vị phát tia γ) vào tuyến giáp.

Vai trò của tia γ trong thiên văn học và vật lý hạt

Trong thiên văn học năng lượng cao, tia γ cung cấp thông tin về các hiện tượng vũ trụ cực đoan như vụ nổ siêu tân tinh, lỗ đen, sao neutron và va chạm thiên thể. Các chớp tia gamma (Gamma-Ray Bursts – GRBs) là những sự kiện phát tia γ mạnh nhất vũ trụ từng được ghi nhận, kéo dài từ vài phần nghìn giây đến vài phút, mang theo năng lượng lớn gấp hàng triệu lần toàn bộ Mặt Trời phát ra trong cùng thời gian.

Để phát hiện tia γ ngoài khí quyển Trái Đất, các đài quan sát không gian như Fermi Gamma-ray Space Telescope được triển khai nhằm khảo sát các nguồn tia γ ngoài thiên hà, giúp nghiên cứu vật lý hạt cơ bản và bản chất của vật chất tối. Tại mặt đất, các thí nghiệm vật lý hạt như tại CERN, Brookhaven sử dụng tia γ để phân tích cấu trúc hạt nhân và tìm hiểu phản ứng hạt nhân cơ bản.

Tia γ còn được sử dụng làm đầu dò trong nghiên cứu phản ứng proton-photon, phân tích cộng hưởng hạt nhân và kiểm chứng các mô hình vật lý Beyond Standard Model trong vật lý lý thuyết và thực nghiệm.

Tài liệu tham khảo

1. NRC – Gamma Radiation
2. National Cancer Institute – Radiation Therapy
3. IAEA – Radiation Protection
4. Fermi Gamma-ray Space Telescope
5. Brookhaven National Laboratory
6. UNSCEAR – Radiation Effects and Chernobyl Report