Phóng xạ là một quá trình tự phát trong đó hạt nhân nguyên tử không ổn định mất năng lượng do phát ra bức xạ. Được phát hiện bởi Henri Becquerel vào năm 1896, nó là một khái niệm cơ bản trong vật lý và hóa học, dẫn đến nhiều ứng dụng trong y học, sản xuất năng lượng và nghiên cứu khoa học. Phóng xạ là kết quả của sự mất ổn định bên trong hạt nhân nguyên tử, trong đó các lực giữ hạt nhân lại với nhau không đủ mạnh để giữ nó ở dạng hiện tại. Sự mất ổn định này dẫn đến sự phát xạ bức xạ khi hạt nhân tìm kiếm trạng thái ổn định hơn.
Có ba loại phóng xạ chính, được phân biệt theo loại bức xạ phát ra: bức xạ alpha ( \(\alpha\) ), beta ( \(\beta\) ) và gamma ( \(\gamma\) ). Mỗi loại có đặc tính và tác dụng riêng đối với vật chất.
Bức xạ alpha bao gồm các hạt được tạo thành từ hai proton và hai neutron, biến chúng thành hạt nhân helium một cách hiệu quả. Vì các hạt alpha tương đối nặng và mang điện tích dương nên chúng có tầm hoạt động ngắn và có thể bị chặn lại bởi một tờ giấy hoặc lớp ngoài của da người. Tuy nhiên, nếu nuốt phải hoặc hít phải, các hạt alpha có thể gây tổn hại đáng kể cho các mô sinh học do khả năng ion hóa cao của chúng.
\(\textrm{Ví dụ:}\) Sự phân rã của Uranium-238 ( \(^{238}U\) ) thành Thorium-234 ( \(^{234}Th\) ). \( ^{238}U \rightarrow ^{234}Th + \alpha \)
Bức xạ beta có thể được phát ra dưới dạng electron ( \(\beta^-\) ) hoặc positron ( \(\beta^+\) ), là phản hạt của electron. Bức xạ \(\beta^-\) xảy ra khi một neutron trong hạt nhân chuyển đổi thành proton và electron, với electron được phát ra. Ngược lại, bức xạ \(\beta^+\) được tạo ra khi một proton biến đổi thành neutron và positron. Các hạt beta nhẹ hơn các hạt alpha và mang điện tích dương ( \(\beta^+\) ) hoặc âm ( \(\beta^-\) ). Chúng có khả năng xuyên thấu cao hơn các hạt alpha nhưng thường có thể bị chặn bởi một vài mm nhôm.
\(\textrm{Ví dụ về sự phân rã Beta trừ:}\) Carbon-14 ( \(^{14}C\) ) phân rã thành Nitơ-14 ( \(^{14}N\) ). \( ^{14}C \rightarrow ^{14}N + \beta^- + \bar{\nu}_e \) \(\textrm{Ví dụ về phân rã Beta Plus:}\) Carbon-11 ( \(^{11}C\) ) phân rã thành Boron-11 ( \(^{11}B\) ). \( ^{11}C \rightarrow ^{11}B + \beta^+ + \nu_e \)
Bức xạ gamma bao gồm các photon, là những hạt ánh sáng không có khối lượng. Nó thường đi kèm với sự phân rã alpha và beta, phát ra khi hạt nhân chuyển từ trạng thái năng lượng cao hơn sang trạng thái năng lượng thấp hơn. Tia gamma có khả năng xuyên thấu cao, đòi hỏi các vật liệu dày đặc như chì hoặc vài cm bê tông để giảm cường độ của chúng một cách đáng kể. Mặc dù không mang điện tích nhưng bức xạ gamma có thể gây tổn hại nghiêm trọng cho các tế bào và mô sống do năng lượng cao và khả năng xuyên thấu sâu.
\(\textrm{Ví dụ:}\) Sự chuyển đổi của Cobalt-60 ( \(^{60}Co\) ) sang trạng thái năng lượng thấp hơn, phát ra bức xạ gamma. \( ^{60}Co^* \rightarrow ^{60}Co + \gamma \)
Mặc dù phóng xạ có thể gây ra rủi ro đáng kể cho các sinh vật sinh học do bức xạ ion hóa của nó nhưng nó cũng có nhiều ứng dụng có lợi. Trong y học, đồng vị phóng xạ được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh và điều trị ung thư. Các ứng dụng công nghiệp bao gồm thử nghiệm vật liệu, sản xuất điện trong lò phản ứng hạt nhân và làm chất đánh dấu trong nghiên cứu sinh học và hóa học. Hiểu biết về các loại phóng xạ khác nhau và sự tương tác của chúng với vật chất là rất quan trọng để khai thác tiềm năng của chúng một cách an toàn.
Việc phát hiện và đo độ phóng xạ liên quan đến nhiều dụng cụ khác nhau, chẳng hạn như máy đếm Geiger-Müller, máy đếm nhấp nháy và buồng ion hóa. Những thiết bị này phát hiện bức xạ ion hóa phát ra trong quá trình phân rã phóng xạ, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu tính chất của các đồng vị khác nhau và kiểu phân rã của chúng.
Phóng xạ, với các dạng alpha, beta và gamma, là một hiện tượng cơ bản trong thế giới tự nhiên. Mặc dù nó gây ra rủi ro do tác động ion hóa lên các mô sinh học, nhưng sự hiểu biết và kiểm soát phóng xạ đã dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong y học, năng lượng và khoa học. Nghiên cứu về phóng xạ không chỉ giúp hiểu rõ thế giới nguyên tử và hạ nguyên tử mà còn cung cấp các công cụ để cải thiện sức khỏe con người và khả năng công nghệ của xã hội.
