Phóng xạ là một hiện tượng tự nhiên trong đó hạt nhân nguyên tử không ổn định tự phân rã, phát ra bức xạ trong quá trình này. Quá trình này đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm bức xạ, hóa học và vật lý, ảnh hưởng đến mọi thứ từ sản xuất điện hạt nhân đến điều trị y tế và nghiên cứu môi trường.
Trung tâm của hoạt động phóng xạ là hạt nhân nguyên tử. Nguyên tử bao gồm các proton và neutron trong hạt nhân của chúng, được bao quanh bởi các electron theo quỹ đạo. Khi sự cân bằng giữa proton và neutron không ổn định, nguyên tử tìm kiếm sự ổn định thông qua sự phân rã phóng xạ.
Có ba loại phân rã phóng xạ chính:
Phóng xạ có ý nghĩa quan trọng trong cả hóa học và vật lý. Trong hóa học, đồng vị phóng xạ được sử dụng làm chất đánh dấu để nghiên cứu cơ chế phản ứng hóa học và chuyển động của các chất trong hệ thống. Trong vật lý, hiểu biết về phóng xạ là điều cần thiết để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân, là cơ sở cho năng lượng hạt nhân và công nghệ chụp ảnh y tế.
Tốc độ phân rã của một chất phóng xạ được định lượng bằng chu kỳ bán rã của nó, là thời gian cần thiết để một nửa số nguyên tử phóng xạ trong mẫu phân rã. Biểu thức toán học cho sự phân rã của chất phóng xạ được cho bởi:
\(N(t) = N_0 \cdot e^{-\lambda t}\)Ở đâu:
Mặc dù phóng xạ có những ứng dụng có lợi nhưng nó cũng tiềm ẩn những rủi ro đối với sức khỏe con người và môi trường. Tiếp xúc với bức xạ quá mức có thể làm hỏng mô sống, dẫn đến ung thư và các vấn đề sức khỏe khác. Ô nhiễm môi trường từ các chất phóng xạ có thể có tác động lâu dài đến hệ sinh thái. Vì vậy, việc xử lý và tiêu hủy chất phóng xạ phải được thực hiện hết sức thận trọng.
Máy dò khói : Nhiều máy dò khói sử dụng Americaium-241, một bộ phát alpha, để phát hiện khói. Các hạt alpha làm ion hóa các phân tử không khí, tạo ra dòng điện. Khói làm gián đoạn dòng điện này, gây ra báo động.
Xác định niên đại bằng cacbon : Phương pháp xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ sử dụng phân rã beta của cacbon-14 để xác định tuổi của vật liệu hữu cơ. Các sinh vật sống hấp thụ carbon-14 trong suốt cuộc đời của chúng. Sau khi chết, carbon-14 phân hủy và nồng độ của nó giảm với tốc độ đã biết. Bằng cách đo lượng carbon-14 còn lại, các nhà khoa học có thể ước tính tuổi của một mẫu khảo cổ.
Phương pháp điều trị y tế : Xạ trị ung thư sử dụng tia gamma hoặc điện tử để nhắm mục tiêu và tiêu diệt các tế bào khối u, giảm thiểu thiệt hại cho các mô khỏe mạnh xung quanh. Rối loạn tuyến giáp được điều trị bằng iốt-131, chất phát beta và gamma, được tuyến giáp hấp thụ.
Để hình dung mức độ phóng xạ, có thể sử dụng buồng mây. Đó là một môi trường kín siêu bão hòa với hơi cồn. Khi các hạt tích điện (hạt alpha và beta) đi qua buồng, chúng sẽ ion hóa hơi, để lại vệt ngưng tụ. Các hạt alpha tạo ra những đường đi dày và ngắn, trong khi các hạt beta tạo ra những đường đi dài hơn, mỏng hơn. Tia gamma không tích điện nên không để lại vệt nhìn thấy được nhưng có thể gián tiếp tạo ra các vệt trong quá trình ion hóa thứ cấp.
Mặt đồng hồ radium và kính uranium là những ví dụ lịch sử về các vật dụng hàng ngày có tính phóng xạ. Dưới ánh sáng tia cực tím, thủy tinh uranium phát huỳnh quang do sự có mặt của uranium, minh họa sự tương tác giữa vật liệu phóng xạ và ánh sáng.
Nghiên cứu về phóng xạ tiếp tục phát triển, với việc các nhà khoa học khám phá những cách an toàn và hiệu quả hơn để khai thác năng lượng hạt nhân, phát triển các phương pháp điều trị y tế mới và giảm thiểu tác động môi trường của vật liệu phóng xạ. Những tiến bộ trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, một quá trình cung cấp năng lượng cho mặt trời, có khả năng cung cấp nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn. Hiểu và kiểm soát phóng xạ vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong cả vật lý và hóa học lý thuyết cũng như ứng dụng.
